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差分传感技术加持 双像素MPS摆平磁场干扰

David Schneider?? Marcel Urban?? 2015年11月20日 ?? 收藏0
磁性位置传感器(MPS)是电机控制应用中的重要组件;传统MPS易受杂散磁场干扰,造成安全疑虑。新一代双像素MPS采用差分传感技术设计,可有效阻绝杂散磁场干扰,达到更精密准确的电机控制,并满足日益严格的功能安全标准要求。

在工业及汽车市场,磁性位置传感于各种电机及电机控制应用中已日益的普及,而用来测量通量密度的各种方法也持续进步,促成完全集成型传感IC或磁性位置传感器(Magnetic Position Sensor, MPS)的发展。这类传感器在单一芯片中集成磁性传感、信号调节及信号处理功能,如奥地利微电子(ams)推出的最新一代3D MPS,能从三个方向传感磁性通量,这让它们的应用范围比起以前更为宽广(图1)。

图1 3D MPS周围磁场三个向量的图示
图1 3D MPS周围磁场三个向量的图示

就位置传感而言,无论是采用哪种磁性传感方法,都比光学传感或接触式传感(电位器)来得稳定和可靠,这是因为磁性技术不会受到尘土、油污、震动及潮湿的影响,而这些因素在严苛的汽车和工业应用中是很常见的。

在汽车领域中,产品设计必须符合ISO26262功能性安全标准所规定的严格风险管理要求。然而,使用传统MPS的设计工程师愈来愈常遇到一个问题,就是来自杂散磁场的干扰,这会破坏MPS的输出,或是将信噪比(SNR)降至让人无法接受的程度。甚至是肇因于杂散磁场的已知风险,也会对重视安全的设计造成损害。

随着汽车电气化程度的扩大,这样的风险日益增加。特别是携带高电流的电机及电线,正是杂散磁场的强大来源;这在许多工业应用中也同样是存在的。保护脆弱的MPS不受杂散磁场的影响,现有的对策既麻烦又昂贵。如同这篇文章所言,较佳的方法是提高MPS对于杂散磁场的免疫力。

传感器远离杂散磁场干扰常见方法

因应杂散磁场的常见方法之一是屏蔽传感器IC。这不是一个好方法,这样的说法是基于两个理由。首先,所使用的屏蔽材料不只是会和杂散磁场产生作用,还会和这个MPS的匹配磁场产生作用。(这个配对的磁铁附着于要被测量的移动对象上。当这个配对磁铁往前或往后移动远离传感器时,静态MPS会将磁通量的变化,转换为精确的位移量测。)屏蔽材料本身会被磁化,而且它的特性也容易随着温度变化而改变。

此外,屏蔽材料会表现出磁滞行为,这可能会将配对磁铁的磁力线重新导向为远离传感器。为避免屏蔽的寄生特性会中断系统的运作,所以必须把它放在距离磁铁较远处。这就限制了系统设计工程师在布局、布线及放入传感器模块组件的自由度。这也会让系统更大、更重、更复杂、更难组装及更昂贵。

另一种截然不同的方法则不须要屏蔽,而是让MPS和具有极高剩磁(Br)的磁铁配对,将它放置在靠近MPS的位置。此种做法的效果是要让讯号对杂散场比 (Signal-to-stray-field Ratio)较有利;这对于整体SNR也有同样的效果。不幸的是,像是钕铁硼磁石(NdFeB)或钐钴磁石(SmCo)这些类型的强力磁铁,价格约是便宜的永磁铁氧体或塑料连联结磁铁的十倍之多,这就破坏了MPS在许多应用中的成本优势。此外,这样的方式对许多应用而言并不适合,因为它们无法将磁铁放在靠近IC的地方。

下一页:借力双像素传感器IC MPS增强杂散磁场干扰免疫力


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