有鑒於此, 已有廠商現正推出各式設計套件, 價格約落在每件20歐元, 有助於輕鬆評估感測器. 開發人員必須判定所選的感測器是否在設計初期即可達到效能需求. 為達成此目標, 他們需要更快速, 更簡單的效能檢測. 下一步是針對不同設計參數定義作業範圍. 必備的磁鐵也需要運作. 最終步驟則是確保感測器能實際投入製造. 多樣評估套件如英飛淩(Infineon)旗下的「3D Magnetic Sensor 2Go」, 「Current Sensor 2Go」, 「Speed Sensor 2Go」等, 旨在使開發人員了解感測器於設計時間初期的個別應用, 並幫助其輕鬆進入設計時間. 該公司的評估套件目前支援用於三維位置偵測的3D「TLV493D」磁感測器, 以及「TLI4970」電流感測器, 「TLE4922」速度感測器.
三維感測更精準
TLV493D 3D磁感測器(圖1)測量x, y和z方向的磁場, 並偵測三維, 線性和旋轉動作, 展現其廣泛的適用範圍涵蓋汽車, 工業和消費性應用.
圖1 英飛淩TLV493D 3D感測器提供高度三維感測.
可能的應用包含遊戲杆和控制組件, 例如家電和多功能按鈕, 電流表的防篡改功能, 或是其他需要精準位置測量和/或低電流功耗的應用. 例如, TLV493D-A1B6採用TSOP-6封裝, 尺寸為2.9mm×1.6mm.
此作法是在感測器晶片上整合垂直及水平霍爾感測器而成. 垂直霍爾感測器偵測平面方向的x及y場分量, 水平霍爾感測器則偵測垂直方向的z場分量.
英飛淩使用包含節電振蕩器在內的各種技術, 將感測器的電流功耗降至僅幾微安培. 感測器具備數字輸出功能, 使用快速雙線I2C標準介面, 可透過匯流排模式在感測器及微控制器之間進行雙向通訊.
「3D Magnetic Sensor 2Go」設計套件(圖2)提供配備3D磁感測器的評估板, 並搭載ARM Cortex-M0處理器的XMC1000型微控制器, 可將設計整合至此感測器. 該套件具備所有組件及功能, 足以提供高效率的設計支援, 並且內含除錯器. XMC4200微控制器亦提供了除錯和USB通訊, 並透過Micro USB連接器提供與圖形用戶介面(GUI)的電力與通訊. 評估板亦含顯示供電和除錯狀態的LED, 用戶可設定的LED, 電壓控制器, 反向電流二極體與ESD保護二極體. 若是使用腳位接頭, 亦可連接示波器或是外部微控制器.
封裝內也包含了單一磁鐵, 能夠以手動的方式配置. 英飛淩也提供可安裝於評估板的磁鐵固定座. 如圖2顯示為兩種設計, 為遊戲杆和旋鈕.
圖2 3D Magnetic Sensor 2Go套件具備遊戲杆或旋鈕的磁鐵固定座(轉接器)
特殊線上設計工具支援感測器常見應用, 如角度/線性位置測量及遊戲杆(圖3). 此工具為三項應用各提供預先定義或用戶自定義的磁鐵, 可使用線上模擬工具定義磁鐵, 磁鐵動作和感測器的位置. 感測器偵測動作並輸出對應的訊號. 用戶可選擇角度測量動作, 例如磁鐵旋轉, 線性移動, 亦包含遊戲杆應用的特定動作, 如3D磁鐵動作.
圖3 線上模擬工具可用於定義磁鐵, 磁鐵動作與3D感測器位置.
此工具會自動為每個感測器位置計算三個磁場方向. 此計算方式以用戶定義的感測器組態為基礎, 將感測器和磁鐵的安裝公差列入考慮.
套件的軟體封裝也包含PC和韌體使用的圖形用戶介面, 可儲存在通訊用的快閃記憶體, 與3D感測器一同裝置於微控制器. Segger J-Link USB驅動器以評估板與PC相連接.
藉由3D Magnetic Sensor 2Go, 可調整各種操作模式, 如x, y, z方向的測量更新率, 也意味著電流功耗同樣可調整.
電流測量安全防護不可少
TLI4970是高精度電流感測器, 以英飛淩的霍爾效應技術為基礎, 在一次側匯流排與二次側微控制器介面之間進行電流隔離(圖4). 「無芯」概念無磁通量集中器, 在開放迴路組態中可大幅縮小組件尺寸, 這種架構也可避免產生遲滯效應. 全數字感測器解決方案毋須外部校正或額外組件, 如AD轉換器, 運算放大器, 電壓參考等, 如此可簡化設計, 降低PCB面積與成本. 晶片採用類似QFN的小巧SMD封裝(7.0mm×7.0mm), 提供1.6%的過熱與使用壽命高準確度感測, 以及最高75mA的偏移誤差.
圖4 英飛淩TLI4970霍爾電流感測器結構
TLI4970具備過電流偵測, 可自行設定臨界值與可程序濾波器, 一般電流功耗為12mA. TLI4970配備的差動測量原則能防止外部磁場造成幹擾, 而感測器採用獨立結構以測量溫度與機械壓力.
上述兩種參數在運作時采分別測量, 組件因此得以永久有效偏移. 此為長期穩定測量的基礎, 同樣適用於有效, 可靠, 成本優化的轉換器或驅動器. TLI4970可測量最高+/-50A的交直流電, 適用的裝置如太陽能轉換器, 具備功率因子校正(PFC)的電源供應器, 充電器或電子驅動器等. 非接觸式測量技術不會產生任何額外損耗, 適用於低功率設計(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.
除了提供精準的電流測量, 也提供足夠的保護, 可用於功率放大器等. 舉例而言, 外部短路可能會觸發臨界過電流. 為確保延遲極為短暫, TLI4970提供平行訊號路徑, 因此感測器一般只需要1.8µs來偵測錯誤. 若要依據應用的需求微調過電流臨界值, 系統開發人員可在感測器中同時進行電流值與下行過濾的程序設計. 因匯流排整合至SMD封裝, 感測器可於提供時完全校正. TLI4970是率先透過16位數字SPI介面傳送測量值的電流感測器之一. 例如, 此款感測器整合差動放大器, 濾波器及訊號處理功能, 並可在進行電流隔離時, 同步測量最高600V的作業電壓與最高3,600V的測試電壓.
易用的設計套件適用於TLI4970電流感測器以及Current Sensor 2GO(圖5), 此款套件功能與3D Sensor 2GO套件相似, 並包含以下功能:
圖5 Current Sensor 2Go套件
1.TLI4970-D050T4(配備數字介面的電流感測器)
2.XMC1100(配備ARM Cortex-M0)
3.內建J-Link Lite除錯器(以XMC4200微控制器為基礎)
4.USB供電(MicroUSB), ESD反向電流保護
5.GUI
霍爾感測器精準測速
TLE4922霍爾感測器透過測量磁場變化, 可偵測鐵磁結構的動作與位置, 此種結構可以是磁性編碼器車輪或鐵磁性齒輪. TLE4922可以透過回授偏壓組態使用簡易型, 符合成本效益的磁鐵, 同時更具備高氣隙效能和切換準確性. 此款感測器對震動和氣隙跳動極不敏感, 可於最高8kHz的頻率範圍準確偵測速度.
TLE4922尤其適用於旋轉獨立安裝(TIM)組態, 可取代汽車和兩輪車應用的被動式可變磁阻(VR)感測器, 更具備出色的抖動行為.
此外, 感測器提供對於短路, 過熱和反向電壓的全方位保護功能, 同時擁有良好的電磁相容性(EMC)和ESD耐用性, 適合在嚴苛環境下使用. 此款感測器採用4腳位SSO-4-1封裝.
以TLE4922為基礎的各式應用可採取易用的Speed-Sensor-2GO套件(圖6). 該套件內含感測器(TLE4922-XAN)以及回授偏壓磁鐵(Bomatec鐵氧體磁鐵). PC可使用USB連接器輕鬆連接. GUI型評估工具於實際應用時, 可擷取並顯示數字與模擬的類比數據作為參數功能, 例如氣隙, 溫度和頻率等.
圖6 Speed Sensor 2Go套件
套件採用TLE4922, 可由內部連接至提供的模組或其他由客戶組裝的模組; 也可作為製圖工具用於處理磁場. 內部架構對應至線性霍爾感測器. 開發人員可使用TLE4922評估齒輪的模組定位.
英飛淩除了提供用於偵測3D位置, 電流, 速度的設計套件外, 未來也將提供適用於角度感測器的相似評估解決方案, 並以完整的檔案和Arduino Shield提供設計支援. 線上模擬工具也有助於選擇適合不同類型應用的產品. 用戶選擇應用後, 即可使用各種磁性與感測器參數執行計算, 以模擬磁場. 此外, 工具也可根據磁鐵及其殘留磁性判斷最佳氣隙. 至於角度感測器, 線上工具可依組裝公差判定最大角度誤差.