了解汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)用對霍爾傳感器的需求

隨著電動汽車的成長，到 2026 年，汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中對小巧、精準(zhǔn)的位置傳感器的需求將大幅成長至 16 億美元 (圖 1)。這些傳感器追蹤負(fù)責(zé)牽引機(jī)械、動力轉(zhuǎn)向及車窗的馬達(dá)內(nèi)轉(zhuǎn)子的位置，并確?？刂婆c安全涵蓋范圍。首先，本文回顧傳統(tǒng)接近、位置探測方式以及它們的限制因素。接著，在討論汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中使用限制因素之前，先考慮依據(jù)霍爾效應(yīng)的磁性接近傳感器與位置傳感器的操作及優(yōu)勢。最后，本文介紹一系列霍爾傳感器切換器/閂鎖電路，這些裝置使汽車系統(tǒng)能夠獲得最高等級的汽車安全認(rèn)證：ISO 26262。
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圖 1。車輛電氣化推動位置與接近傳感器的需求

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傳統(tǒng)位置感測技術(shù)問題

電位計、光學(xué)編碼器及解角器最廣泛用于位置感測，但每種都有缺點(diǎn)，影響它們在汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中的使用。
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電位計使用實(shí)體接觸以測量旋轉(zhuǎn)動作。然而，這意味著它們會受到摩擦引起機(jī)械磨損，效能可能會受到?jīng)_擊或振動影響。此外，污垢、灰塵、濕氣或油脂等異物對電阻組件的污染會損害效能，甚至導(dǎo)致過早失效。
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光學(xué)編碼器通過探測帶有開孔的圓盤 (通常稱為碼盤) 在 LED 光源與光電二極管傳感器之間旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的交替明暗區(qū)域來測量位置。然而，它們很容易受到污染，這會干擾光源與探測器，從而降低可靠度。光學(xué)編碼器的另一個缺點(diǎn)是它們體積龐大 (在空間受限的汽車中是個問題)，并且必須精確組裝才能將容差降到極低。
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解角器(Resolver)使用電磁轉(zhuǎn)換器來測量高轉(zhuǎn)速下的位置。雖然它們準(zhǔn)確度高，但它們又大又重，導(dǎo)致成本增加，且與小空間汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)用更不兼容。
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更小、更輕、成本更低的磁性傳感器

霍爾效應(yīng) (或霍爾) 傳感器(Hall sensor) (圖 2) 通常包括一個以上的嵌入式磁性組件。當(dāng)外部磁場進(jìn)入傳感器附近時，它會改變嵌入式磁場的極性與強(qiáng)度。隨著這種變化，傳感器兩端的電位差發(fā)生變化，這可用于追蹤外部磁場的變化。例如，簡單的磁性切換器使用霍爾傳感器與鎖定機(jī)制兩側(cè)的磁鐵來探測窗戶或門 (圖 2) 的開啟與關(guān)閉。
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圖 2?；魻杺鞲衅骺刂崎_啟/關(guān)閉車窗的馬達(dá)

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霍爾傳感器技術(shù)不斷發(fā)展，在許多產(chǎn)品應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)精確的線性與旋轉(zhuǎn)定位測量。旋轉(zhuǎn)位置傳感器可以使用簡單的組件來實(shí)現(xiàn)，包括固定的傳感器載板，垂直安裝在轉(zhuǎn)子軸之上的旋轉(zhuǎn)磁鐵上。
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制造商開發(fā)出在集成電路 (IC) 中采用標(biāo)準(zhǔn)互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 的制程，并借此生產(chǎn)霍爾傳感器，可以大量生產(chǎn)更具成本效益。因此，磁性位置傳感器比其他傳感器技術(shù)更小、更輕、更便宜。
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使用霍爾傳感器的汽車需求

采用電子控制轉(zhuǎn)向與換檔等功能，與使用機(jī)械或液壓致動相比，更可以提高效能、提高可靠度、并減少尺寸與重量。對于以下汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)用而言，上述功能尤為重要：?

動力轉(zhuǎn)向馬達(dá)

底盤定位

雙離合器變速

混合動力與全電動汽車中的牽引馬達(dá)定位

轉(zhuǎn)向角探測

霍爾傳感器重量較輕，有助于汽車制造商降低油耗，而較小的尺寸提高機(jī)械設(shè)計的彈性。雖然將霍爾傳感器技術(shù)用于汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的吸引力顯而易見，但汽車產(chǎn)業(yè)對質(zhì)量、可靠度及安全性 (適用于安全關(guān)鍵功能、禁用商品等級與通用霍爾傳感器上) 有特定要求。
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這些包括：
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質(zhì)量

安全認(rèn)證和汽車工程委員會的標(biāo)準(zhǔn)明確指出可重復(fù)性、可追溯性及生產(chǎn)質(zhì)量的確切要求。這些不僅適用于個別組件，也適用于整個傳感器系統(tǒng)組裝組件。
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在每個認(rèn)證標(biāo)題下，通用霍爾傳感器并不符合汽車產(chǎn)業(yè)的典型效能規(guī)范，這意味著這些通用傳感器可能會使汽車 OEM 面臨更高的故障風(fēng)險。某些以前安裝在生產(chǎn)車輛中的通用的磁性位置傳感器給車輛制造商帶來可靠度問題與安全疑慮。
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問題的主要原因是來自于外部磁性干擾。汽車本身是一個電氣噪聲環(huán)境，有許多雜散磁場，這些雜散磁場會使 IC 感應(yīng)訊號失真，干擾磁性傳感器的運(yùn)作。這可能會導(dǎo)致測量誤差，進(jìn)而影響傳感器位置讀數(shù)的準(zhǔn)確性。例如，在 EV 牽引馬達(dá)中，這些錯誤可能導(dǎo)致扭力嚴(yán)重降低甚至完全喪失，或是不可預(yù)測的車輪旋轉(zhuǎn)。
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可靠度

關(guān)鍵汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中使用的裝置預(yù)計將在比消費(fèi)性或工業(yè)裝置更寬的溫度范圍內(nèi)操作。其使用壽命也被指定至少要長達(dá)十年以上。也需要注意組裝生產(chǎn)的可重復(fù)性方面的問題?；魻杺鞲衅鳒y量相對于安裝在馬達(dá)軸上成對磁鐵的位置，馬達(dá)軸相對于靜態(tài)傳感器旋轉(zhuǎn)，并與傳感器之間有很小的氣隙。在生產(chǎn)過程中，有些制造商因此遇到組裝容差造成的質(zhì)量問題。
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安全性

在采用 ISO 26262 功能安全性標(biāo)準(zhǔn)后，也針對磁性位置傳感器的使用進(jìn)行審查。本標(biāo)準(zhǔn)要求在系統(tǒng)層級執(zhí)行嚴(yán)格的故障模式影響和診斷分析 (FMEDA)，并實(shí)施充分的安全對策以應(yīng)對已知故障機(jī)制的相關(guān)風(fēng)險。商品等級的磁性位置傳感器不具備在裝置故障期間保證系統(tǒng)安全所需的功能，也不受符合 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)、生產(chǎn)流程及文件的支持。
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通過汽車級認(rèn)證的霍爾傳感器切換器/閂鎖電路

Diodes 公司的 AH32xxQ 系列雙線霍爾傳感器、單極切換器及閂鎖電路基于先進(jìn)的設(shè)計，使汽車系統(tǒng)制造商能夠?qū)崿F(xiàn)符合 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)的位置和接近感測系統(tǒng)。這些 IC 符合 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)，在 IATF 16949 認(rèn)證場所按照最高標(biāo)準(zhǔn)制造，并支持 PPAP 文件。它們還提供高靈敏度 (AH3270Q/71Q & AH3280Q/81Q) 與耐用性 (8kV ESD 耐受能力)。這些傳感器 IC 只需要兩根導(dǎo)線，從而降低特別長線束的總體系統(tǒng)成本。與大多數(shù)具有電壓輸出的霍爾傳感器切換器不同，這些裝置提供的電流輸出比存在噪聲尖峰時的電壓更有彈性 (圖 3)。為彈性起見，它們設(shè)計用于在寬電壓范圍 (2.7V 至 27V) 內(nèi)運(yùn)作，并采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) SC59 與 SIP-3 封裝。
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圖 3。存在噪聲尖峰的情況下，電流輸出比電壓更有彈性

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整合自我診斷功能 (AH324xQ 與 AH328xQ)，是符合 ASIL 標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的最佳選擇，這些系統(tǒng)需要高階功能安全性 (圖 4)。這些功能在后臺運(yùn)作，無需外部啟動。如果探測到錯誤，裝置將進(jìn)入「安全模式」操作，此時輸出 (電源) 電流降至 1mA，作為系統(tǒng)的警告信號。此外，整合自我診斷監(jiān)控電源電壓與溫度，并對主要功能區(qū)塊進(jìn)行自我測試。
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圖 4。顯示 AH324xQ/AH328xQ 自我診斷功能的功能圖

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結(jié)論

汽車電氣化是汽車中馬達(dá)數(shù)量增加的重要驅(qū)動因素，這反而又產(chǎn)生對小型、輕型、可靠及低成本傳感器的需求，用以追蹤它們的速率與位置。磁性位置和接近傳感器基于霍爾效應(yīng)提供解決方案；但是，商品等級版本并不適合汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，因?yàn)樗鼈儾辉试S位置感測系統(tǒng)滿足 ISO 26262 等關(guān)鍵安全標(biāo)準(zhǔn)。
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Diodes 公司的 AH32xx 系列霍爾切換器/閂鎖電路經(jīng)過專門設(shè)計，具有寬工作電壓范圍，以提高其靈敏度和電流輸出訊號，從而提高存在電壓尖峰時的耐用性。該系列中一些裝置還包括自我診斷功能，使傳感器子系統(tǒng)能夠通過汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)用所需的安全認(rèn)證。
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