霍爾效應(yīng)

 

1879 年，埃德溫•霍爾發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在磁場(chǎng)中引入一個(gè)電流方向與磁場(chǎng)垂直的導(dǎo)體或半導(dǎo)體時(shí)，可以在與電流路徑成直角的方向測(cè)量到電壓?，F(xiàn)已證實(shí)，霍爾效應(yīng)是電子等帶電粒子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)下相互作用的結(jié)果。

 

霍爾效應(yīng)應(yīng)用在傳感器上的表現(xiàn)為：
 

如果導(dǎo)體上存在恒定電流則可以測(cè)量電壓差，或者如果導(dǎo)體上存在恒定電壓則可以測(cè)量電流差。電壓差與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。這說(shuō)明霍爾效應(yīng)的應(yīng)用方式可以分為兩種，盡管這兩種方式的基礎(chǔ)效應(yīng)是相同的。

 

相對(duì)于背景噪聲，因場(chǎng)變化而導(dǎo)致的信號(hào)電平很?。ǚ秶鸀?μV 級(jí)），因此要想利用信號(hào)電平，必須采用相當(dāng)復(fù)雜的信號(hào)路徑。

 

 

這并非是在貶低埃德溫•霍爾的發(fā)現(xiàn)，但霍爾效應(yīng)實(shí)際上是對(duì)洛倫茲力應(yīng)用的延伸，洛倫茲力描述了電磁場(chǎng)變化引起的點(diǎn)電荷上的電磁力之間的相互作用。 

 

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，關(guān)于霍爾效應(yīng)，洛倫茲力描述了磁場(chǎng)對(duì)帶電粒子的影響，特別是帶電粒子在穿過(guò)暴露在磁場(chǎng)中的導(dǎo)體時(shí)將被迫運(yùn)動(dòng)的方向。這種物理運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體截面的電荷變多或變少，從而產(chǎn)生稱(chēng)為霍爾電壓的電位差。 

 

01 霍爾效應(yīng)電流檢測(cè)

 

霍爾效應(yīng)依賴(lài)于磁場(chǎng)，因此可以作為一種非接觸技術(shù)以非侵入式的方式進(jìn)行應(yīng)用。而最常見(jiàn)的電流檢測(cè)方式則與之不同，常見(jiàn)的電流檢測(cè)方式使用一個(gè)低值電阻作為分流器以測(cè)量通過(guò)該電阻的電壓差。利用霍爾效應(yīng)進(jìn)行電流測(cè)量在大功率應(yīng)用中具有天然的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗灰蕾?lài)地電位作為參考。

 

 

使用傳統(tǒng)的霍爾效應(yīng)電流傳感器 IC 時(shí)，需要將傳感器 IC 垂直于磁場(chǎng)放置，并使用一個(gè)集磁點(diǎn)（通常是一個(gè)環(huán)形或方形的鐵磁芯），將其放置在承載待測(cè)電流的導(dǎo)體周?chē)?。傳感?IC 通常被固定在鐵磁芯兩端之間形成的一個(gè)小氣隙中。

 

使用 IMC-Hall® 電流傳感器 IC 時(shí)，傳感元件應(yīng)平行于電流放置，不需要配備鐵磁芯，但是可能需要屏蔽罩來(lái)抗串?dāng)_。只需將傳感器 IC 放置在電流母線(xiàn)或PCB板布線(xiàn)的上方即可測(cè)量其中的電流。這類(lèi)傳感器 IC 采用了集磁點(diǎn) IMC-Hall® 技術(shù)，Melexis 開(kāi)發(fā)的集磁點(diǎn) (IMC) 技術(shù)詳見(jiàn)下文。

 

從根本上說(shuō)，基于霍爾效應(yīng)可以檢測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，而不是檢測(cè)電流本身。

 

02 霍爾效應(yīng)位置檢測(cè) 

 

同樣的原理還可用來(lái)檢測(cè)磁場(chǎng)是否存在或正在接近的磁場(chǎng)。將磁鐵放置在傳感器 IC 上方時(shí)，磁鐵運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的霍爾電壓可以被有效地檢測(cè)、放大和處理。因此可以利用霍爾效應(yīng)檢測(cè)物體相對(duì)于傳感器 IC 的位置甚至方向。 

 

在簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)景中（例如當(dāng)筆記本電腦打開(kāi)或關(guān)閉時(shí)），其運(yùn)用方式可能相對(duì)簡(jiǎn)單，而在檢測(cè)線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)（例如可移動(dòng)對(duì)象的位置變化）時(shí)，其運(yùn)用方式可能更為復(fù)雜。與霍爾效應(yīng)的電流檢測(cè)相比，霍爾效應(yīng)的位置檢測(cè)其應(yīng)用范圍要廣泛得多。 

 

 

03 集磁點(diǎn) (IMC)

 

因?yàn)榛魻栃?yīng)的工作原理，大多數(shù)霍爾效應(yīng)傳感器 IC 的缺點(diǎn)之一是用于感測(cè)場(chǎng)的霍爾板僅限于 1 個(gè)軸。

 

Melexis 開(kāi)發(fā)的集磁點(diǎn) (IMC) 有效解決了這個(gè)問(wèn)題，使霍爾效應(yīng)的應(yīng)用更加靈活。IMC 使霍爾效應(yīng)傳感器 IC 可以在同一平面內(nèi)同時(shí)檢測(cè) X、Y 和 Z 三個(gè)軸的磁場(chǎng)，帶來(lái)多種應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，包括使傳感器 IC 取向更加靈活。

 

 

04 霍爾效應(yīng)傳感IC在汽車(chē)中的應(yīng)用

 

IMC 技術(shù)的引入意味著霍爾效應(yīng)可以應(yīng)用于汽車(chē)行業(yè)的許多領(lǐng)域。通過(guò)三維操作，霍爾效應(yīng)傳感器 IC 可用于檢測(cè)踏板的位置、轉(zhuǎn)向柱的旋轉(zhuǎn)和制動(dòng)桿的狀態(tài)以及電動(dòng)座椅的位置。

 

霍爾效應(yīng)傳感器 IC 還應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)罩下，以監(jiān)測(cè)泵和電機(jī)等運(yùn)動(dòng)部件，還可以測(cè)量動(dòng)力總成帶電部件（如逆變器、蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng) (BMS) 或車(chē)載充電器 (OBC)）所消耗的電流。 

 

本期結(jié)論

 

1 總的來(lái)說(shuō)，霍爾效應(yīng)現(xiàn)象可以通過(guò)多種方式加以利用，如電流檢測(cè)和位置檢測(cè)。

 

2 盡管面臨著諸如低信噪比或雜散場(chǎng)影響等巨大挑戰(zhàn)，電子工業(yè)已經(jīng)成功地開(kāi)發(fā)出基于霍爾效應(yīng)的穩(wěn)健、精確的傳感解決方案。

 

3 除了 Melexis IMC-Hall® 等專(zhuān)有技術(shù)，再加上強(qiáng)大的模擬前端和數(shù)字信號(hào)路徑的輔助，使霍爾效應(yīng)可以應(yīng)用于電流檢測(cè)和位置檢測(cè)，甚至在汽車(chē)行業(yè)等苛刻環(huán)境下也可應(yīng)用。

 

本期作者簡(jiǎn)介

 

Nick Czarnecki 在 2011 年加入 Melexis，擔(dān)任現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師，并在 2015 年升任市場(chǎng)經(jīng)理。他的職責(zé)包括 Melexis 磁場(chǎng)傳感器 IC（包括三軸角傳感器 IC）的定義和推廣。

 

 

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