首先让我们来看一下什么是霍尔效应 简单的说 当电流流过导体 而此时恰巧存在一个外部磁场 那么在对应磁场的垂直正交方向上 就会产生一个电压 在这张示意图中电流从左向右流 也就是说导体中的电子 是从右向左移动 如图中的虚线所示 图中的黄色带有大写字母 B 的箭头 代表了一个外部磁场 而这个磁场与导体恰好处于垂直正交方向 霍尔效应就此发生了 这个磁场将一种力作用在运动的电子上 推动它们向导体的一侧流动 这种力被称为洛伦磁力 于是在导体的底部就形成了电子的集聚 而产生如图中蓝色字母 V 所标示的电压 如果磁场强度增强 更多的电子将集聚在导体底部 从而产生更高的电压 这里始终存在一个洛伦磁力和静电力的平衡 并且这个产生的电压 我们称之为霍尔电压 它与导体中的电流大小成直接正比关系 那么我们可以如何来利用这个霍尔效应呢 让我们来看一个磁体 所有的磁体都有两个极，北极和南极 它会产生一个如图中所示的磁场 一个最直接的应用就是将磁体 贴附在移动的物体上 并通过产生的霍尔电压来感知物体的移动 让我们来一起看一些使用了 霍尔传感器的终端产品 首先是直流无刷电机 这些电机的转子包含永磁体 要使控制电路能够在准确的时间点上 将相邻的线圈通电 从而推动电机转动 我们就必须准确知道这些永磁体的位置 三相有传感器直流无刷电机 使用三个霍尔传感器来告知控制器 在什么时间点上切换通电线圈 在电机中还有一种霍尔传感器的应用 如果在推杆或者驱动齿轮上装一个磁体 可以使用一个接近式的霍尔传感器 来检测速度或者移动的方向 在笔记本电脑、平板电脑和手机里 霍尔传感器常被用来检测盖子是否和上 在屏幕边上安装了一个非常小的磁体 将霍尔传感器集成在键盘的附近 盖子合上时两者互相靠近 霍尔传感器的数字输出信号改变 告知处理器来关闭屏幕显示 或者进入休眠模式 在工业阀门里 霍尔传感器有多种应用方式 它们可以被用来给 开关阀门的直流无刷电机提供换向信号 它们可以感知阀门的物理位置 如果磁体被安装在叶轮上 或者其它随着流体 流动而转动的机构上 它们甚至可以被用来检测流体的流量 电子锁经常会使用霍尔传感器 来测量推动门闩的电机 它一般会使用直流有刷电机 转动一定的圈数 来推动门闩运动指定的距离 而霍尔传感器可以被用来检测转动的圈数 并告知控制器何时停止电机转动 多功能打印机中也经常使用霍尔传感器 它们可以被用来检测是不是有舱门被打开 或者被用作一种重量检测器 安装在纸盒边来检测质量是否太低 它们也经常被用来 向做径直动作的直流无刷电机 提供换向信号 电表很容易受到干扰 有一种偷电的方法就是在电表上 放一个强磁体或者强的电磁铁 从而使变压器过载而使得电表不再计费 因此通常会在电表中安装霍尔传感器 来检测不正常的磁场 工厂自动化应用中大量使用霍尔传感器 在机器人的机械工作中 霍尔传感器高效且无需接触的检测其运动 提供限位信号 在机械臂的摆动中 磁角度传感器可以将精确的角度信号编码输出 在传送带上霍尔传感器提供闭环的速度信号 与打印机类似 咖啡机也使用直流无刷电机 也需要检测舱门是否被打开 通过在水位线上放置一个小的可移动的磁体 霍尔传感器也可以被用来检测水的注入量 充气的、充水的医疗器械 可以使用霍尔传感器来检测流量 烟雾传感器 经常使用霍尔传感器来激活自诊断 或在保护状态时进入测试模式 像这样前端极其简化的系统 通常没有用于维护目的的实体按键 所以 使用磁体和霍尔传感器提供了一种 非接触式的简单方式来进入纠错模式 这个蓝色的四个 pin 脚的器件 可以检测插在 其中孔中的线缆上的电流 这个环是由铁氧体材料制成 它将电流产生的磁通 导向安装在里面的霍尔传感器 请注意这里的一个关键点 恒定磁场、大电流是霍尔传感器 能够探知磁场的两个基本来源 游戏手柄经常使用线性霍尔传感器 它提供大量信息 包括手柄的位置和加速度 对于操纵杆最好是使用能够在三个方向上 独立感知磁场的霍尔传感器 因为这些感知都是非接触式的 所以不会影响使用者的手感 最后赛车 一辆汽车可以使用多达80个霍尔传感器 它们可以被用来检测轮子的转速 这对于 ABS 系统还有牵引力控制都至关重要 它们可以被用来检测方向盘的转动角度 在先进的汽车上使用的刹车、油门踏板 都不在于它们控制的系统 存在直接机械连接 取而代之的是它们的位置 被电子系统感知并传递给控制器 甚至后备箱的锁扣、保险带 也常常是使用霍尔传感器的 总之霍尔传感器被用在各种场合 用于各种用途 每年全球生产和销售数十亿的霍尔传感器 接下来让我们来聊聊磁体 首先让我们来说一下单位 磁通量 指的是通过某给定曲面的磁场 例如在图中绿色的区域内 就有一定量的磁场穿过 磁通量的国际单位是韦伯 也经常使用麦克斯韦 对霍尔传感器而言相较于磁通量 磁通密度更为重要 磁通密度在磁体表面附近最大 磁通密度的国际单位是特斯拉 也经常使用高斯 我们通常用毫特斯拉来表示这里涉及的量 10高斯等于1毫特斯拉 现在你应该已经知道三个主要的概念 首先 磁通密度在磁体表面附近最大 并随距离的增大而减小 第二，在给定的距离上 物理体积大的磁体将投射更大的磁通密度 也可以说 大磁体的衰减率小于小磁体的衰减率 第三 不同的磁体材料产生不同的磁通密度 它们具有不同的温度变化量 并且具有不同的磁稳定性 这意味着有些材料比其它材料更容易去磁 永磁体是通过向铁磁材料 施加强磁场而产生的 三种最常见的铁磁性元素是铁、镍和钴 市场上最常见的永磁材料是铝铁硼 铁氧体、铝镍钴和钐钴 铝具有最高的磁通密度和对去磁的弹性 铁氧体便宜但它们磁性较弱 铝镍钴因为具有优良的温度一致性 而被广泛使用 钐钴最类似于铝 但它具有更好的温度一致性 并支持更高的温度 随着温度的升高 所有这些材料产生的磁通密度都会降低 在本页上 我们标注了每种材料的近似偏移 如果温度过高 这所有的磁体都将在某个点消磁 确定给定磁体在给定距离处 产生的磁通密度是有难度的 如果这个信息不是由磁体供应商处提供 则可以用几种其它的方法来确定 一个是模拟 虽然磁场是一个三维向量场的问题 但还是有一些免费而且简单的模拟器 可以快速给你合理的结果 在这里我列出了几种 包括在网站上的 K&J magnetics 这是一个一维的模拟器 另一个免费模拟器称为 FEMM 它是二维的 后面两种是三维的 第三种方法是测量磁通密度 有称为高斯计或者特斯拉计的手持式仪器 提供磁通密度的测量读数 另一种测量方法是使用线性霍尔传感器 用它来替换系统中原有的霍尔传感器 这种霍尔传感器输出 与磁通密度成比例的模拟电压 为了给你一些关于 这里涉及的磁通密度量的直观感受 让我们来看幻灯片上所显示的磁体 它大概长1.5厘米、直径1厘米 在与其轴线成一厘米的距离处 将存在 60 毫特斯拉的磁通密度 3 厘米远处下降为大约5毫特斯拉 相比之下 地球的磁场约为 0.05 毫特斯拉 弱100倍 大多数磁体的表面上的磁场 都是几百个毫特斯拉

市场上主要有两种类别的霍尔效应器件 分立元件或 IC 分立元件必须使用一定量的电流偏置 等效电路基本上就是一个电阻 当存在磁场时 在另外两个端子上会形成差分电压 分立元件的主要优点是 它们成本低 但它们需要外部信号来调节 它们的温度特性也比较差 且分立器件很容易损坏 实际上在实验室中测试电机时 它们通常是第一个意外损坏的器件 而在另一方面 IC 它除了集成霍尔元件外 还集成了数千个晶体管 来处理和调节所有的模拟信号 这些器件具有令人难以置信的鲁棒性和可靠性 以 TI 的霍尔传感器 IC 来 为例 它支持 2.5V-38V 的 Vcc 电源电压工作范围 而且能够耐受达到-22V 这可以应对车辆中的反向电池保护要求 此外 IC 的温度一致性非常好 IC 也提供许多不同类型的器件供选择 包括具有模拟与数字输出的器件 具有串行接口的器件比如 I^2C 和具有低功耗工作模式的器件 霍尔效应数字开关是简单的三引脚器件 它们通长提供表面贴片和插脚封装 因为内部的霍尔元件感应垂直于封装的磁场 当它们被焊接到 PCB 时 插脚封装与表面贴片封装 具有不同的感应方向 此图显示了典型的数字化传感器电路 它由一个直流电源 旁路电容 和用于开漏极输出的上拉电阻所组成的 当磁体远离时 输出处于高阻态状态 当磁体不断接近 直到传感器处的磁通密度 超过 BOP 阈值时 输出低电平 霍尔传感器器件总是指定 BOP 切换阈值的范围 因为每个器件都有因半导体工艺 以及随温度和 Vcc 电压的一些变化 重要的是要考虑最小和最大可能的 BOP 最小表示最早可能的切换点 对于高可靠性的设计 重要的是超过最大的 BOP 以确保传感器总是能被触发

此图显示了霍尔效应开关的传递函数 一旦施加的磁通量密度超过 BOP 阈值 器件输出低电平 内置的迟滞 防止在阈值点上不必要的切换 霍尔效应开关型器件的 BRP 大于零 这意味着一旦磁体一开 传感器将返回到其关闭状态 并使输出变为高阻抗 霍尔效应锁存性器件具有负的 BRP 并且切换器件需要交换磁场的极性 这意味着需要交替的北极和南极 来切换锁存装置 开关型器件通常用于位置测量 限位开关和脉冲编码器 而锁存型器件则主要用于 无刷电流电机的传感器 和增量旋转编码器 对于大多数的工业设备 当南极接近器件的 顶部时的磁场被定义为正 从硅片的角度来看这意味着磁场线 是从底部穿过顶部 你必须留意到这一点 特别是如果你把器件 安装在 PCB 的相反的那一面 它必须要上下颠倒 单极性开关器件 只对磁场的某个方向作出反应 例如 如果使用 DRV5023 并将北极保持在器件的顶部 那么器件将忽略它 并始终使输出保持高阻抗 还有另一种器件全项开关 对两个方向的磁通做出反应 它的主要优点是简化了 磁体的装配过程 因为不需要识别南极或者北极 现在我将展示 TI 的一些参考设计实例 其中使用了霍尔效应开关型 或锁存型器件 这是一个完整的 3D 打印机控制器 三个 DRV5033 被用做移动组件的限位开关 接下来的是一个无刷直流电机设计 使用三个 DRV5013 霍尔锁存型器件来感测转子的方向 所有的设计文件都在 ti.com 在线发布 在这个设计中 控制电路板被安装在电机内部 你只需要在端子上施加一个电压 电机就会旋转 最后 这是增量式旋转编码器 它检测相对旋转运动 在旋钮上安装有一个磁体 它有南极和北极 在其附近有两个霍尔效应 所存型传感器 当磁体转动时 传感器仅通过简单的切换高和低 就能为处理器提供速度和方向信息 对于传感器的每个二位状态 在顺时针或逆时针旋转中 都只存在唯一的相邻二位状态 增量旋转编码也可以通过光学 或机械的方式来实现 使用磁性元件的主要优点是 其鲁棒性和高可靠性 传感器可以嵌入外壳内 并且与环境所隔离 因为磁场可以穿过大多数的材料 如果您想了解更多的相关信息 可以访问本幻灯片底部 所显示的链接上的博客 标准数字霍尔传感器具有高工作电压范围 至少10或 20kHz 的高感应带宽 以及几毫安的典型电流消耗 另一类不同 类型的器件支持低工作电压范围 具有低采样率 但仅消耗几个微安的电流 这些低功率传感器工作时 会定期进入休眠模式 然后重新唤醒来获取新的采样 每秒20个采样的样本 对于许多位置感应应用都足够了 而降低功耗对于 电池供电系统是至关重要的 明年年初 TI 将开始提供其 超低功耗数字霍尔传感器的样品 它们将是世界上最低功耗的产品 其中一个版本的产品 仅消耗小于一微安的电流 如果您要使用低功耗霍尔来测量转速 则需要确保采样速率足够快 捕获每个磁极 例如 当使用二级磁体时 每秒采样20次 意味着转速必须小于每秒十次 以捕获每个磁极 即 600RPM 如果使用4级磁体 则传感器必须每转至少采样四次 因此最大速度为每秒五转 其它低功耗霍尔传感器 可以具有 1kHz 的采样率 这个速度足够快 最高可以支持 30kRPM 具体取决于磁体的配置 现在我们来聊聊线性霍尔传感器 这些器件提供与存在的 磁通密度成比例的输出 市场上的大多数器件都有模拟输出 有些器件具有 PWM 输出 有些甚至配备内置 ADC 以及 I^2C 接口来访问传感器的数据 当不存在磁场时 具有模拟输出的典型线性霍尔传感器 将输出被称为静态电压或 VQ 的中点电压 随着施加的南极的强度增大 模拟电压将朝零的方向减小 而增大的北极的强度将使模拟电压增高 这条线的斜率称为灵敏度 单位为毫伏每毫特 器件通常具有 5-100毫伏每毫特之间的灵敏度 虽然电压摆幅是轨到轨的 但仍应该指定一个最小和最大的可用范围 这是最线性的范围 具有较低灵敏度的器件 可以在饱和之前 感测更大的磁通密度动态范围 因为在器件之间 灵敏度存在因为制造 机械安装工差等造成的差异 常见的做法是会在最终组件中 进行校准 最好采用两个标准测量 一个是在没有磁场的时候 一个是在有一个磁场的时候 不同的系统中可以用许多不同的方式 使磁体在霍尔传感器附近移动 例如可以使用直接的方式 把磁体带到器件上 或者让磁体在器件附近旋转 虽然霍尔元件仅对 磁场的垂直矢量分量敏感 但是磁体产生的磁场 是在所有三维中扩展的 市场上还有其它类型的霍尔传感器 有些提供可编程性 有些器件调制其电源电流 而不是通过输出引脚 以节省电线 有些有一个独立的电流路径 并通过磁来感应这上面的电流 有些霍尔器件就有两个独立的锁存器 用于旋转编码 还有一些器件检测二维或三维信息 最后 有些器件被设计成用磁体做反向偏置 以便感测在它们前面旋转齿轮 最后这张幻灯片 显示了主要的磁传感技术 及其感应的范围 霍尔效应往往是最具成本效益的 因为它能很容易地 被提升到标准的半导体工艺流程中 它的感应范围从毫特斯拉到特斯拉 这允许它忽略较弱的磁场 比如地球的磁场 使其非常适合鲁棒的位置测量

转自 ：TI 在线培训