具有内置杂散场抗干扰性的智能霍尔传感器是在严苛的汽车环境中进行位置测量的理想解决方案
简介
几十年来，霍尔效应磁性传感器技术一直被用于探测磁极性器件的存在或位置。大约自2010年起，包括艾迈斯欧司朗在内的传感器公司一直在探索如何将完整的信号链（从霍尔传感器元件到信号调节、信号处理和通信接口）整合到采用标准CMOS制造工艺的单芯片系统中，以便提高磁性位置传感器的应用价值。
整合旨在生产出具有以下特性的磁性位置传感器系统：
- 更小更轻，以便将适应于空间受限的应用
- 具有竞争力的价格，受益于大规模生产CMOS芯片工艺带来的经济效益
- 更易于实现的应用设计，通过大多数微控制器和微处理器所支持的一系列标准接口提供计算的位置坐标
- 提供有价值的特性，包括有助于提供可靠运行的监控、安全性和诊断功能磁性传感器芯片制造商已经采用了各种方式来整合霍尔效应技术，其产品在成本与性能和功能之间进行了不同的权衡取舍。
在汽车行业中，磁性位置传感器的应用具有更为独特且严苛的要求。
本白皮书解释了通用磁性位置传感器为何不能充分满足这些要求的原因，并描述了艾迈斯欧司朗开发的独有（在某些情况下受专利保护）传感器技术如何为未来的乘用车和商用车提供所需的可靠性、稳健性和准确性。
1. 霍尔磁效应：磁性位置传感的主要技术
美国物理学家Edwin Hall在1879年发现了霍尔效应，它是指当将磁场垂直于电流方向时，在载流导体两端会产生电压差。电压差的大小取决于导体的制成材料、电流和磁场强度。霍尔效应生效的数学模型众所周知，它可以方便地用于开发磁性检测开关和位置传感器。
1.1. 霍尔效应磁性传感器的属性
霍尔效应传感器包括一个或多个嵌入式磁性元件。当外部磁场接近传感器时，它将改变嵌入式磁场的极性和强度。随着磁场改变，传感器两端的电压差也会改变。这使传感器能够探测到外部磁场的存在，例如，简单的磁性开关提供的一项有用功能是检测笔记本电脑上盖的打开和闭合，该应用需要在笔记本电脑铰链的两边配备一个霍尔效应传感器和一个磁体。自本世纪初以来，霍尔效应传感器技术经过发展，已经能够对线性和旋转位置进行极其精确的测量。
艾迈斯欧司朗的AS5270是一款典型的旋转位置传感器，其最大积分非线性是±1.4°，并采用12位分辨率（即以0.09°增量）测量旋转位置。旋转位置传感应用可以通过简单的组件来实现，该组件由一个固定的传感器板垂直于装在转子轴上的旋转磁体安装构成。整个组件小巧轻便，这种属性对移动和便携式终端产品来说至关重要。例如，AS5270的占用面积仅为6mm x 6mm，在传感器板上需要的小型外部元器件通常不足十个。
磁性位置传感器不仅体积小、重量轻，而且与其他传感器技术相比，它们还具有明显的系统成本优势。器件制造商通过开发已经有能力以互补金属氧化物半导体(CMOS)标准工艺生产霍尔效应磁性传感器。由于CMOS工艺拥有庞大且完善的工具、材料和设备供应商生态系统的支持，因此半导体传感器能够实现批量生产的规模经济效益。
图1：艾迈斯欧司朗磁性位置传感器的通用信号路径。
1.2. 与其他位置传感器技术的比较
磁性位置传感器的属性与传统设计中用于电机等应用的旧位置传感技术的属性形成明显对比。
电位器采用接触式方法测量旋转运动。电位器由一个电阻元件、一个可沿该元件移动的滑动触点（滑动片）、位于元件两端的电气端子、可将滑动片从一端移向另一端的机械装置（例如转子）和一个包含元件和滑动片的外壳组成。当滑动片沿着元件移动时，元件的电阻值会发生变化。电位器通过测量该电阻值的改变来测量位置。由于电位器是一种接触式技术，因此易于发生机械磨损，并且可能会因撞击或振动而影响性能。此外，阻性元件上的污物、灰尘、油脂或水分等污染会有损性能，甚至导致提前失效。需要采用昂贵且笨重的外壳对电位器加以密封并防止污物进入。非接触式磁性传感技术不受这些污物的影响，因此不需要这类保护。所以，磁性传感器系统往往比电位器更小巧、更经济且更可靠，前者不适合当今的汽车应用。
光学编码器通过检测带有明暗开槽的码盘，在LED光源和光电二极管光传感器之间旋转时。通过感知连续的明和暗脉冲测量可以实现精确的位置定位，即使在高转速下也是如此。由于光学编码器是一种非接触式技术（与磁性位置传感器相同），因此不会发生机械磨损。但是，污染会损害发射器和光传感器的性能，从而引起在汽车应用中可靠性的担忧。另外，光学系统体积庞大，并且要求容差非常低的精确组装。
旋转变压器是一项成熟且常见的技术，用于汽车应用中的旋转位置检测。它可以在高转速下精确地测量位置。但是，旋转变压器庞大笨重且价格昂贵，从而促使汽车系统设计人员在越来越多的应用中采用磁性传感器作为替代产品。在消费电子和许多工业应用中，霍尔效应磁性传感器广受欢迎。由于使用寿命长、体积小且成本低，简单的磁性传感器被广泛用作开关探测器和位置指示器。但是，人们发现这些通用器件不适合应用于汽车行业中的特殊工作条件。
2. 低成本通用霍尔技术的不足之处：汽车行业的特殊要求
在汽车应用中，对紧凑、精确的位置传感器的需求有望大幅增长。全球汽车磁性传感器市场规模在2018年刚刚超过10亿美元，预计到2026年将增长到16亿美元。该增长在很大程度上受到电气化的推动，不仅是牵引系统的电气化，还包括辅助功能（如动力转向和离合器）的电气化。以电子方式而非机械方式或液压方式进行的传动和控制（例如转向和换）， 可以改善性能、提高可靠性并减小重量和尺寸。
2.1. 汽车应用对磁传感器的需求增长
这些属性对下列面向霍尔传感器技术的汽车应用非常重要：
- 电子助力转向中的电机位置传感器
- 底盘位置传感器
- 双离合变速器中的电机位置传感器
- 混合动力车辆和纯电动车辆中的牵引电机位置传感器
- 方向盘转向角度传感器
在这些应用中，霍尔效应磁性传感器已成为主导技术，比上述第1.2节中的替代方案更受青睐。
- 重量更轻的霍尔传感器解决方案有助于汽车制造商降低油耗
- 尺寸更小可增加机械设计的灵活性
- 与旋转变压器等替代技术相比，大批量生产的CMOS器件成本更低，有利于汽车制造商管理材料清单成本
2.2. 用于汽车设计的磁性传感器的特殊要求
对重要的安全关键型汽车功能的设计人员来说，霍尔效应磁性传感器技术具有强大的吸引力。但是汽车行业对质量、可靠性和安全性有着特殊要求，在消费电子产品中大量使用的普通规格通用霍尔效应传感器并不适用。
- 质量：PPAP和ISO/TS 16949等认证以及AEC-Qxxx系列标准规定了汽车行业对可重复性、可追溯性和生产质量的超高要求。这些标准不仅适用于元器件（芯片），而且适用于整个传感器组件。
- 可靠性：用于关键汽车应用的器件的规定使用寿命至少为10年，并且其工作温度范围比普通消费电子或工业类器件的正常温度范围更宽。
- 安全性：适用于车辆电子系统的ISO 26262功能安全标准使汽车制造商对电子系统的安全设计和安全性能的关注大幅提高，包括基于霍尔效应器件的位置传感系统的性能。
通用霍尔传感器使汽车OEM厂商在上述所有三项参数方面面临更大的故障或不符合汽车行业典型性能规格的风险。汽车制造商即便在量产车辆中安装了某些符合汽车级认证的磁性位置传感器，也仍然会遇到可靠性问题和安全性问题。
2.3. 杂散磁场干扰带来的风险
产生汽车位置传感器可靠性问题的最重要原因是外部电磁干扰。霍尔效应传感器的工作原理是检测和测量靠近传感器的小而弱的磁体运动所引起的芯片表面的磁场变化。在没有外部磁场的理想工作环境中，芯片磁场变化产生的电压信号完全归因于匹配磁体的运动。
但是汽车对于磁性传感器而言并不是一个理想工作环境。诸如电机、螺线管和高压电缆之类的汽车元器件会产生强磁场。如果这些元器件离传感器较近，它们的“杂散”磁场会干扰配对磁体产生的磁场，从而导致在传感器芯片的嵌入式霍尔传感元件处传感到的信号失真。
这种失真会导致随机测量误差，并有损传感器位置测量输出的准确性。例如，在电动车辆的牵引电机中，这可能会导致动力的严重减少或完全丧失，或者导致车轮转动的不均衡、颠簸或无法预测。
2.4. 汽车用户对磁性位置传感器的质量和安全性的担忧
汽车电机中磁性传感器的采用也让人们开始关注生产单位中装配结构的可重复性。所有霍尔效应位置传感器测量的是相对于配对磁体的位置。例如，在电机中，安装在电机轴上的配对磁体相对于静止传感器IC旋转。
每个传感器IC对于传感器和磁体之间气隙的变化，以及磁体中心点和传感器中心点之间的偏差都有一个指定的公差。因为在生产环境中可达到的组装公差与传感器IC规定的公差不匹配，汽车制造商面临着生产质量问题。
随着ISO 26262功能安全标准的采用，磁性位置传感器的使用也开始遭到质疑。符合ISO 26262标准要求在系统层面上进行严格的失效模式和影响分析(FMEA)，并采取安全对策来应对与已知失效模式相关的风险。
在基于磁性位置传感器的位置测量系统中，该FMEA强调了在传感器中能保证检测故障以及具有内置安全程序的必要性，以确保在检测到故障后能够继续运行或安全关闭。
通用磁性位置传感器产品缺乏诊断、监控和安全失效功能，这些功能在器件失效时无法保证系统安全。它们也不受符合ISO 26262标准的开发、生产流程和文档支持。
3. 智能霍尔传感器：增强型霍尔效应传感器技术可满足汽车行业的要求
在上文中，艾迈斯欧司朗描述了质量、可靠性和安全性设计方面的问题，这些问题来自于采用普通规格的通用磁性位置传感器的体验，即使对这些传感器进行修改以达到AEC-Qxxx汽车级认证也是如此。
现在，本文将介绍艾迈斯欧司朗在用于汽车应用的磁性位置传感器中实现的一系列技术创新，例如电动和混合动力车辆的牵引电机、电子助力转向系统、底盘和悬架控制系统、双离合变速和转向系统。这些创新的融合，使艾迈斯欧司朗能够创建全新类别的“智能霍尔传感器”增强型磁性传感器，提供可靠性、高质量和安全性功能，以支持严苛汽车条件下的使用期限。
3.1. 差分传感可免受杂散磁场干扰
艾迈斯欧司朗因首次发明了基于半导体、可免受几乎任何幅度的杂散磁场干扰的技术而在传感器领域广为人知。
艾迈斯欧司朗的差分传感技术的原理基础是在每个裸片上使用两对霍尔传感器元件，每个元件与裸片中心的距离都相等。为了计算旋转位置或角度，片上处理器测量由两对霍尔元件产生的磁场信号之间的差异。由于可以假定任何杂散磁场对两对霍尔元件都具有相同的影响，因此差分测量方法会自动减去外部干扰。
艾迈斯欧司朗的汽车磁性传感器通过认证，可免受相当于4,000A/m（根据ISO 11452-8:2015标准）的外部磁场导体的干扰。
图2：由于采用了艾迈斯欧司朗的差分测量技术，无需增设屏蔽。
3.2. 双晶元封装技术可实现完全冗余
艾迈斯欧司朗的专利技术助力双晶元传感器封装制造的实现，该封装提供了完全冗余：如果一个晶元的传感器通道失效，第二个冗余通道可以立即接管测量操作。艾迈斯欧司朗的创新之处在于将冗余晶元放置在主晶元下方，从而使双晶元封装的占用面积与传统的单晶元器件相同。这种节省空间的设计简化了汽车制造商的电路板布局，同时支持用于符合ISO 26262的ASIL C或ASIL D等级的系统中。
图3：艾迈斯欧司朗双晶元封装。位于同一外壳中完全冗余的传感器。
3.3. 符合ISO 26262标准的高级安全功能
除了双晶元封装专利技术之外，艾迈斯欧司朗的知识产权还扩展到支持符合功能安全标准的其他各种特性。这些特性包括：
- 自动检测失效霍尔传感器元件
- 扩展的片上故障诊断，包括检测缺失磁体或未对准磁体
- 安全失效功能可在传感器发生故障时确保系统安全运行
- 自动增益控制(AGC)增强
3.4. 与功能安全兼容的开发流程
在评估将位置传感器用于安全关键型汽车系统时，许多设计团队将从研究产品的特性和规格开始。 但是，为了符合ISO 26262的要求，也需要仔细制定传感器的开发和生产过程的规范。艾迈斯欧司朗的位置传感器开发完全符合功能安全的特殊要求。尤其是，艾迈斯欧司朗的位置传感器开发方法可归类为“独立安全单元”SEooC)流程。此外，艾迈斯欧司朗还针对所有汽车位置传感器提供了符合ISO 26262标准的文档，包括FMEA、安全手册和安全审核。
3.5. 封装和组装创新
汽车位置传感器系统的质量取决于两个因素：位置传感器模块本身的固有质量以及其在应用中的组装质量。电机组装中最重要的参数是与电机轴的对准，因为通常磁性位置传感器系统设计为居中于轴上方。未对准会严重影响传感器角度测量的准确性。
艾迈斯欧司朗的电机对准专利技术大大简化了在生产线上进行单元组装的校准过程，可帮助汽车制造商在整个生产过程中获得高质量且可重复的结果，同时可最大限度地减少返工。
艾迈斯欧司朗的创新还扩展到推出采用系统级封装(SiP)形式的汽车级位置产品，该产品整合了传感器和外部元器件，从而使客户无需开发和制造自己的位置传感器电路板。
图4：艾迈斯欧司朗系统级封装。传感器芯片和无源元器件集成在一个封装内。
3.6. 性能创新
与典型的消费电子应用相比，汽车系统的质量需求对测量输出的准确性提出了更严格的容差要求。
简而言之，汽车系统设计人员要求高水平的可信度，即位置传感器的所有生产单元都能在应用中达到数据手册中的标称精度。
艾迈斯欧司朗在其汽车位置传感器中实施多项专利技术，旨在在众多生产单元范围内实现质量一致性。例如：- DAEC™技术（动态角度误差补偿），可以补偿传感器在高转速下的传播延迟影响，从而在转速高达28,000rpm时生成高精度的补偿角度测量值。
- 动态偏移校正，可自动校正所有磁性位置传感器固有的测量偏移。这种自校准技术无需增设线路末端校准，并校正了在传感器整个使用期限内的温度漂移影响。
- 自动增益控制(AGC)，可扩大在传感器系统在组装过程产生变化的容差度。艾迈斯欧司朗位置传感器中的 AGC 功能会在 0-3mm 范围内自动调整，以适应传感器及其配对磁体之间的气隙差异。它还可以调节由于温度波动和噪声幅度变化而引起的传感器性能变化，从而在整个时间、温度和工作条件范围内实现高度稳定的测量性能。
3.7. 汽车专用的特性和资源
艾迈斯欧司朗的磁性位置传感器系列已经扩展到了汽车领域所需且独有的特性，例如PSI5和SENT接口。
艾迈斯欧司朗还希望通过以下方式来支持其汽车工程客户，包括：提供面向评估和开发的专用工具（例如适配器板、磁体支架、模拟软件和基于LabView的开发软件）；提供适用于特定汽车应用的演示系统，例如踏板角度传感和电动助力转向角度传感；发布磁体选择指南、磁体供应商建议和磁体分析；以及完整的应用笔记、网络研讨会和教程视频库。
4. 结论
霍尔磁性传感器技术在汽车行业中已经遇到了阻力，以成本驱动方式推广霍尔传感器通用器件已显现不足。因其对杂散磁场干扰的敏感性以及难以在符合 ISO 26262 功能安全标准的系统设计中实施，这些器件很难应用在系统设计之中。但是，仅因某些霍尔效应器件不适合使用就避免使用霍尔技术并不恰当。 由艾迈斯欧司朗开发的智能霍尔传感器技术保留了霍尔效应半导体在位置传感应用中的所有优势：基于智能霍尔传感器的系统体积小、重量轻、可靠耐用且不会发生磨损和污染。
而且，艾迈斯欧司朗使用的智能霍尔传感器增强性能意味着这些器件提供汽车OEM所需的关键特性，包括抗杂散磁性干扰、符合ISO 26262标准、系统级质量以及高测量精度和线性度，并且在整个时间、温度和工作条件范围内都能保持稳定。
由于艾迈斯欧司朗在其磁性位置传感器系列内实施的特有创新，霍尔效应传感器得以成为一项富有价值的技术，适用于汽车中的所有任务关键型和安全关键型应用，例如电机位置传感、踏板角度传感和方向盘转向角度传感。
作者简介
Michael Pichler现任高级系统工程师，负责非接触式磁性和感应式位置传感器，专注于汽车环境中的电机控制和角度传感应用。
他还负责有关系统设计和传感器集成的大客户技术支持。
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