磁性位置傳感器，已在功耗問(wèn)題上大幅改善

在行動(dòng)裝置和消費(fèi)性應(yīng)用領(lǐng)域，低功耗無(wú)疑是最主流的設(shè)計(jì)思維。不過(guò)，對(duì)許多其他應(yīng)用領(lǐng)域的系統(tǒng)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，低功耗也是產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)的重點(diǎn)。例如對(duì)不易接近地區(qū)安裝在偏遠(yuǎn)地區(qū)的儀器、或是安裝在地下、海底等人類(lèi)難以接近地點(diǎn)的感測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，功耗越低，則維護(hù)的財(cái)務(wù)成本與作業(yè)難度就可以大幅降低。

在這類(lèi)的應(yīng)用中，系統(tǒng)不僅要低功耗，而且還必須極為強(qiáng)固，因?yàn)檫@類(lèi)產(chǎn)品可能在溫度變化劇烈、高濕度、高壓或是有污染物存在的環(huán)境下運(yùn)作，其環(huán)境條件極為嚴(yán)苛。

在各種感測(cè)應(yīng)用中，位置感測(cè)是很常見(jiàn)的應(yīng)用需求，但過(guò)往的位置感測(cè)方法不是強(qiáng)固性有疑慮，就是功耗相對(duì)較高。不過(guò)，隨著技術(shù)進(jìn)步，要實(shí)現(xiàn)兼具高強(qiáng)固性與低功耗特性的位置感測(cè)已經(jīng)不再是問(wèn)題。

位置感測(cè)應(yīng)用無(wú)所不在 電位/光學(xué)編碼強(qiáng)固性有缺失

無(wú)論是在最簡(jiǎn)單或最復(fù)雜的應(yīng)用中，旋轉(zhuǎn)和線性位置感測(cè)都是很常見(jiàn)的需求。

一般而言，如果是要開(kāi)發(fā)比較簡(jiǎn)單的應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員通常傾向采用典型的電位器(Potentiometer)做為位置傳感器，要求較高的應(yīng)用則通常會(huì)使用光學(xué)編碼器。然而，若將強(qiáng)固性和嚴(yán)苛條件耐受度加進(jìn)需求列表中，則這些裝置都不是最理想的選擇。電位器容易發(fā)生各種電器及機(jī)械故障，造成組件失效。此外，不管是光學(xué)編碼器或電位器，其運(yùn)作都很容易受到灰塵、污垢、油脂和液體等污染物的影響;劇烈撞擊或震動(dòng)也會(huì)使這些裝置無(wú)法維持精確的測(cè)量輸出。

將傳感器加以密封，可以避免受到環(huán)境物質(zhì)的污染，然而這種方式很昂貴，而且可能會(huì)犧牲主機(jī)產(chǎn)品的組裝或機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，而且密封體的任何損壞或老化，可能會(huì)縮短傳感器系統(tǒng)的運(yùn)作壽命。

磁性位置感測(cè)強(qiáng)固性佳 功耗問(wèn)題已有大幅改善

除了光學(xué)編碼器之外，還有一種可以實(shí)現(xiàn)非接觸式感測(cè)的方式，亦即磁性位置感測(cè)。然而，以往對(duì)功耗要求較為嚴(yán)格的應(yīng)用，大多不喜歡采用磁性位置傳感器，因?yàn)檫@類(lèi)組件給人功耗很高的刻板印象。從磁性位置傳感器的運(yùn)作模式來(lái)說(shuō)，這樣的刻板印象并沒(méi)有錯(cuò)，但是隨著技術(shù)進(jìn)步，這樣的看法現(xiàn)在已經(jīng)過(guò)時(shí)了。

盡管如此，磁性感測(cè)的原理還是值得研究，以便了解為何功率問(wèn)題是引發(fā)設(shè)計(jì)人員疑慮的原因。由Edwin Hall發(fā)現(xiàn)的霍爾效應(yīng)(Hall Effect)，解釋了磁場(chǎng)如何影響流過(guò)導(dǎo)體的電流。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，霍爾效應(yīng)電磁傳感器的工作原理，就是垂直作用于某導(dǎo)體的磁場(chǎng)(B)會(huì)影響流過(guò)導(dǎo)體的電流(I)(圖1)。一個(gè)兩極磁鐵的旋轉(zhuǎn)，會(huì)讓附近的導(dǎo)體感受到磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著極性從N極擺蕩到S極并再次返回而有所變化。這種磁場(chǎng)的變化會(huì)成比例地影響流過(guò)導(dǎo)體的電流，這種持續(xù)變化的電流會(huì)形成導(dǎo)體的電壓 (VH)，很容易測(cè)量。

在磁性位置傳感器(MPOS)中，電壓訊號(hào)可經(jīng)數(shù)學(xué)運(yùn)算轉(zhuǎn)換成角度或直線位移的測(cè)量結(jié)果。但為了使傳感器運(yùn)作，需要有電流流過(guò)導(dǎo)體來(lái)啟動(dòng)霍爾組件。

由于霍爾傳感器以這種方式汲取電流，所以相較其他技術(shù)，例如電位器及光學(xué)編碼器，霍爾傳感器一般會(huì)使用更多電流?，F(xiàn)今的霍爾感測(cè)是使用硅組件來(lái)產(chǎn)生電壓，并將訊號(hào)處理和運(yùn)算功能整合在單一電路中。然而，這種會(huì)被磁場(chǎng)影響的電流，仍是整個(gè)組件運(yùn)作的核心。

MPOS有一個(gè)能勝過(guò)電位器的優(yōu)點(diǎn)，有助于緩解功耗問(wèn)題。電位器是一種被動(dòng)式機(jī)電裝置，無(wú)法讓設(shè)計(jì)工程師配置其功率設(shè)定。電位器總是在開(kāi)啟狀態(tài)，總是汲取相同的電流。而MPOS則是一種具有內(nèi)建控制及配置電路的智能型裝置，可以實(shí)現(xiàn)各種低功耗設(shè)定。

MPOS最顯著的省電方式是電力循環(huán)，在停機(jī)(Stop)模式時(shí)，可以將功耗降至0。然而，MPOS在啟動(dòng)時(shí)的確需要相較穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)更多的電流，而且在啟動(dòng)時(shí)也需要處理時(shí)間。如此一來(lái)，某個(gè)動(dòng)作開(kāi)始的時(shí)間，與MPOS提供位移量測(cè)的時(shí)間之間是有延遲，就成為一個(gè)問(wèn)題。這點(diǎn)在某些應(yīng)用中無(wú)法被接受。

還有另外一種降低MPOS耗電量的方法，也就是將傳感器中不重要的組件斷電，只有在需要量測(cè)時(shí)才提供電力給它們。越多的電路組件被斷電，則傳感器從斷電到可以開(kāi)始采樣所需的時(shí)間就越長(zhǎng)。

為協(xié)助設(shè)計(jì)師在任何特定應(yīng)用中達(dá)成速度和功率之間的正確平衡，奧地利微電子最近發(fā)表了一系列旋轉(zhuǎn)MPOS，能提供使用者深度和淺度斷電的模式選擇。兩種低功率狀態(tài)以及“正常(Always On)”模式，各自支持不同的采樣速率。這讓設(shè)計(jì)師可以選擇適合整體系統(tǒng)功率需求的采樣速率。

在深度斷電模式，傳感器僅汲取3μA電流，最大功耗為9.9μW。另一種低功率模式會(huì)讓電源啟動(dòng)(Power-On)重置電路保持作用;在這個(gè)模式中，芯片會(huì)汲取33μA 電流，最大功耗則是108.9μW。在“正常”模式，最大功耗是28mW。啟動(dòng)此裝置所需的額定時(shí)間是580μs，而在樣本擷取以及產(chǎn)生中斷輸出至微控制器之間的延遲是500μs。

水下馬達(dá)驅(qū)動(dòng)案例探究

說(shuō)了這么多關(guān)于MPOS的理論與操作，它們?cè)趪?yán)苛環(huán)境中實(shí)際運(yùn)作的可靠性如何?

為了回答這個(gè)問(wèn)題，筆者利用奧地利微電子的AS5055A標(biāo)準(zhǔn)型MPOS設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的水下馬達(dá)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。該組件會(huì)產(chǎn)生數(shù)字輸出，雖然無(wú)法立刻在示波器上看到，但是能顯示在圖形用戶接口(GUI)中。

AS5055A被安裝在標(biāo)準(zhǔn)型轉(zhuǎn)接板上，它的電源及輸出接腳和電線連接。整個(gè)電路板以DIY商店中常見(jiàn)的現(xiàn)成橡膠涂料涂覆

準(zhǔn)備完成后，將一個(gè)簡(jiǎn)單型直流(DC)馬達(dá)和這個(gè)夾具連接，與馬達(dá)底端連接的一個(gè)直徑6mm的磁鐵，要位于轉(zhuǎn)接板上的AS5055A芯片的正上方。

安裝在馬達(dá)上的磁鐵，位于AS5055A磁性位置傳感器的正上方。

組裝完成后，接著安裝背襯板并浸于2.5公分深的水中(圖4)。將電力傳送給馬達(dá)及轉(zhuǎn)接板電路，就可從圖5的GUI中看到來(lái)自AS5055A的感測(cè)輸出結(jié)果：由于連接AS5055A的接口是數(shù)字的，所以只會(huì)顯示實(shí)時(shí)的截圖。MPOS如預(yù)期地動(dòng)作，GUI顯示的是被擷取到的角位移測(cè)量值。

使用相同的涂布及沉浸方式，一個(gè)類(lèi)似的測(cè)試輸出也顯示在示波器的顯示屏幕上(圖6)。這個(gè)三角波形顯示這個(gè)磁鐵持續(xù)進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)。在0°時(shí)，來(lái)自MPOS的模擬輸出電壓為最小;在360°時(shí)為最大。這兩個(gè)測(cè)試顯示，該解決方案能可靠地運(yùn)作。

這種防護(hù)涂布能提供硬化MPOS的效果，使其能在嚴(yán)苛環(huán)境中運(yùn)作。有趣的是，它的影響就如一些外來(lái)物，例如灰塵、油脂或污垢的污染作用一樣。這樣的硬化處理會(huì)讓電位器或光學(xué)編碼器完全失效，但MPOS的功能絲毫不會(huì)被影響。

低功率MPOS打開(kāi)應(yīng)用新領(lǐng)域

該如何使用這個(gè)新一代的低功率MPOS呢?電位器的接觸點(diǎn)以及光學(xué)編碼器的光學(xué)系統(tǒng)很容易因表面受損或變臟而影響到功能正常運(yùn)作，磁性解決方案則不會(huì)受到這些因素影響。MPOS的功用是感測(cè)磁鐵的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而這個(gè)磁鐵和傳感器之間隔著1.5~3mm的空隙，沒(méi)有接觸點(diǎn)和移動(dòng)部件，所以不會(huì)發(fā)生機(jī)械式耗損，也不會(huì)有灰塵、油脂或液體進(jìn)入旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及弄臟光學(xué)碼轉(zhuǎn)盤(pán)(OpTIcal Code Wheel)的情況發(fā)生。整體來(lái)說(shuō)，在污染較為嚴(yán)重的環(huán)境下，以MPOS取代電位器或光學(xué)編碼器，是較為可靠的選擇。

非接觸式感測(cè)方法的另一個(gè)好處是本質(zhì)安全(Intrinsic Safety)。本質(zhì)安全是一種防護(hù)技術(shù)，借由限制可用來(lái)點(diǎn)火的能量，確保電子設(shè)備在危險(xiǎn)區(qū)域的安全運(yùn)作。由于是采用無(wú)摩擦式設(shè)計(jì)，所以非接觸式解決方案原本就不會(huì)有火花產(chǎn)生，可輕松實(shí)現(xiàn)符合本質(zhì)安全需求的電路。

對(duì)于水下石油勘探和開(kāi)采領(lǐng)域的電子設(shè)備制造商而言，低功耗運(yùn)作也大有益處。在深水石油和天然氣設(shè)施中，遠(yuǎn)程遙控和本質(zhì)安全的傳感器是必要的。在這樣的應(yīng)用中，低功耗以及不受高壓及浸沒(méi)于石油環(huán)境影響的磁性位置感測(cè)技術(shù)，有相當(dāng)顯著的優(yōu)勢(shì)。

在遠(yuǎn)程或電池供電的設(shè)備，以及像是本質(zhì)安全電路此類(lèi)系統(tǒng)中，低功耗操作是基本要求，若還必需不受壓力、液體、塵土或臟污的影響，則類(lèi)似的位置傳感器，如電位器及光學(xué)編碼器，在沒(méi)有復(fù)雜及昂貴的屏遮和防護(hù)的情況下，都是不適用的。

因此，能提供可選擇支持低功率模式的新一代磁性位置傳感器，將可讓工程計(jì)師得以開(kāi)發(fā)出精確、穩(wěn)固的位置感測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)滿足極低功耗的系統(tǒng)要求。