有鉴于此, 已有厂商现正推出各式设计套件, 价格约落在每件20欧元, 有助于轻松评估传感器. 开发人员必须判定所选的传感器是否在设计初期即可达到效能需求. 为达成此目标, 他们需要更快速, 更简单的效能检测. 下一步是针对不同设计参数定义作业范围. 必备的磁铁也需要运作. 最终步骤则是确保传感器能实际投入制造. 多样评估套件如英飞凌(Infineon)旗下的「3D Magnetic Sensor 2Go」, 「Current Sensor 2Go」, 「Speed Sensor 2Go」等, 旨在使开发人员了解传感器于设计时间初期的个别应用, 并帮助其轻松进入设计时间. 该公司的评估套件目前支持用于三维位置侦测的3D「TLV493D」磁传感器, 以及「TLI4970」电流传感器, 「TLE4922」速度传感器.
三维感测更精准
TLV493D 3D磁传感器(图1)测量x, y和z方向的磁场, 并侦测三维, 线性和旋转动作, 展现其广泛的适用范围涵盖汽车, 工业和消费性应用.
图1 英飞凌TLV493D 3D传感器提供高度三维感测.
可能的应用包含游戏杆和控制组件, 例如家电和多功能按钮, 电流表的防篡改功能, 或是其他需要精准位置测量和/或低电流功耗的应用. 例如, TLV493D-A1B6采用TSOP-6封装, 尺寸为2.9mm×1.6mm.
此作法是在传感器芯片上整合垂直及水平霍尔传感器而成. 垂直霍尔传感器侦测平面方向的x及y场分量, 水平霍尔传感器则侦测垂直方向的z场分量.
英飞凌使用包含节电振荡器在内的各种技术, 将传感器的电流功耗降至仅几微安培. 传感器具备数字输出功能, 使用快速双线I2C标准接口, 可透过总线模式在传感器及微控制器之间进行双向通讯.
「3D Magnetic Sensor 2Go」设计套件(图2)提供配备3D磁传感器的评估板, 并搭载ARM Cortex-M0处理器的XMC1000型微控制器, 可将设计整合至此传感器. 该套件具备所有组件及功能, 足以提供高效率的设计支持, 并且内含除错器. XMC4200微控制器亦提供了除错和USB通讯, 并透过Micro USB连接器提供与图形用户接口(GUI)的电力与通讯. 评估板亦含显示供电和除错状态的LED, 用户可设定的LED, 电压控制器, 反向电流二极管与ESD保护二极管. 若是使用脚位接头, 亦可连接示波器或是外部微控制器.
封装内也包含了单一磁铁, 能够以手动的方式配置. 英飞凌也提供可安装于评估板的磁铁固定座. 如图2显示为两种设计, 为游戏杆和旋钮.
图2 3D Magnetic Sensor 2Go套件具备游戏杆或旋钮的磁铁固定座(转接器)
特殊在线设计工具支持传感器常见应用, 如角度/线性位置测量及游戏杆(图3). 此工具为三项应用各提供预先定义或用户自定义的磁铁, 可使用在线仿真工具定义磁铁, 磁铁动作和传感器的位置. 传感器侦测动作并输出对应的讯号. 用户可选择角度测量动作, 例如磁铁旋转, 线性移动, 亦包含游戏杆应用的特定动作, 如3D磁铁动作.
图3 在线仿真工具可用于定义磁铁, 磁铁动作与3D传感器位置.
此工具会自动为每个传感器位置计算三个磁场方向. 此计算方式以用户定义的传感器组态为基础, 将传感器和磁铁的安装公差列入考虑.
套件的软件封装也包含PC和韧体使用的图形用户接口, 可储存在通讯用的闪存, 与3D传感器一同装置于微控制器. Segger J-Link USB驱动器以评估板与PC相连接.
藉由3D Magnetic Sensor 2Go, 可调整各种操作模式, 如x, y, z方向的测量更新率, 也意味着电流功耗同样可调整.
电流测量安全防护不可少
TLI4970是高精度电流传感器, 以英飞凌的霍尔效应技术为基础, 在一次侧总线与二次侧微控制器接口之间进行电流隔离(图4). 「无芯」概念无磁通量集中器, 在开放回路组态中可大幅缩小组件尺寸, 这种架构也可避免产生迟滞效应. 全数字传感器解决方案毋须外部校正或额外组件, 如AD转换器, 运算放大器, 电压参考等, 如此可简化设计, 降低PCB面积与成本. 芯片采用类似QFN的小巧SMD封装(7.0mm×7.0mm), 提供1.6%的过热与使用寿命高准确度感测, 以及最高75mA的偏移误差.
图4 英飞凌TLI4970霍尔电流传感器结构
TLI4970具备过电流侦测, 可自行设定临界值与可程序滤波器, 一般电流功耗为12mA. TLI4970配备的差动测量原则能防止外部磁场造成干扰, 而传感器采用独立结构以测量温度与机械压力.
上述两种参数在运作时采分别测量, 组件因此得以永久有效偏移. 此为长期稳定测量的基础, 同样适用于有效, 可靠, 成本优化的转换器或驱动器. TLI4970可测量最高+/-50A的交直流电, 适用的装置如太阳能转换器, 具备功率因子校正(PFC)的电源供应器, 充电器或电子驱动器等. 非接触式测量技术不会产生任何额外损耗, 适用于低功率设计(Rp<0.6mΩ). 由于采用整合式离散磁场抑制, 此款传感器对于外部磁场极不敏感.
除了提供精准的电流测量, 也提供足够的保护, 可用于功率放大器等. 举例而言, 外部短路可能会触发临界过电流. 为确保延迟极为短暂, TLI4970提供平行讯号路径, 因此传感器一般只需要1.8µs来侦测错误. 若要依据应用的需求微调过电流临界值, 系统开发人员可在传感器中同时进行电流值与下行过滤的程序设计. 因总线整合至SMD封装, 传感器可于提供时完全校正. TLI4970是率先透过16位数字SPI接口传送测量值的电流传感器之一. 例如, 此款传感器整合差动放大器, 滤波器及讯号处理功能, 并可在进行电流隔离时, 同步测量最高600V的作业电压与最高3,600V的测试电压.
易用的设计套件适用于TLI4970电流传感器以及Current Sensor 2GO(图5), 此款套件功能与3D Sensor 2GO套件相似, 并包含以下功能:
图5 Current Sensor 2Go套件
1.TLI4970-D050T4(配备数字接口的电流传感器)
2.XMC1100(配备ARM Cortex-M0)
3.内建J-Link Lite除错器(以XMC4200微控制器为基础)
4.USB供电(MicroUSB), ESD反向电流保护
5.GUI
霍尔传感器精准测速
TLE4922霍尔传感器透过测量磁场变化, 可侦测铁磁结构的动作与位置, 此种结构可以是磁性编码器车轮或铁磁性齿轮. TLE4922可以透过回授偏压组态使用简易型, 符合成本效益的磁铁, 同时更具备高气隙效能和切换准确性. 此款传感器对震动和气隙跳动极不敏感, 可于最高8kHz的频率范围准确侦测速度.
TLE4922尤其适用于旋转独立安装(TIM)组态, 可取代汽车和两轮车应用的被动式可变磁阻(VR)传感器, 更具备出色的抖动行为.
此外, 传感器提供对于短路, 过热和反向电压的全方位保护功能, 同时拥有良好的电磁兼容性(EMC)和ESD耐用性, 适合在严苛环境下使用. 此款传感器采用4脚位SSO-4-1封装.
以TLE4922为基础的各式应用可采取易用的Speed-Sensor-2GO套件(图6). 该套件内含传感器(TLE4922-XAN)以及回授偏压磁铁(Bomatec铁氧体磁铁). PC可使用USB连接器轻松连接. GUI型评估工具于实际应用时, 可撷取并显示数字与仿真的模拟数据作为参数功能, 例如气隙, 温度和频率等.
图6 Speed Sensor 2Go套件
套件采用TLE4922, 可由内部连接至提供的模块或其他由客户组装的模块; 也可作为制图工具用于处理磁场. 内部架构对应至线性霍尔传感器. 开发人员可使用TLE4922评估齿轮的模块定位.
英飞凌除了提供用于侦测3D位置, 电流, 速度的设计套件外, 未来也将提供适用于角度传感器的相似评估解决方案, 并以完整的文件和Arduino Shield提供设计支持. 在线仿真工具也有助于选择适合不同类型应用的产品. 用户选择应用后, 即可使用各种磁性与传感器参数执行计算, 以仿真磁场. 此外, 工具也可根据磁铁及其残留磁性判断最佳气隙. 至于角度传感器, 在线工具可依组装公差判定最大角度误差.