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共有四大類提供數(shù)字輸出的霍爾效應(yīng) IC 器件：單極開關(guān)、雙極開關(guān)、全極開關(guān)和鎖存器。本應(yīng)用說明將主要闡述全極開關(guān)。Allegro?公司的網(wǎng)站上提供了有關(guān) 雙極開關(guān)、單極開關(guān)和 鎖存器的類似應(yīng)用說明。
全極霍爾效應(yīng)傳感器 IC 也稱“全極開關(guān)”，它是一種能利用強正極磁場或強負極磁場工作的數(shù)字輸出霍爾效應(yīng)鎖存開關(guān)。這就簡化了應(yīng)用組裝工作，因為安裝運行的磁體時，可將其任意的磁極朝向全極器件。單獨的磁體位于強度（磁通量密度）足夠的磁場，會使器件切換至開啟狀態(tài)。開啟后，全極 IC 將一直保持該狀態(tài)，直至磁場移開，并且 IC 返回關(guān)閉狀態(tài)。它能鎖定更改的狀態(tài)，并一直保持關(guān)閉，直至再次出現(xiàn)強度足夠的磁場。
圖 1 顯示了檢測汽車變速桿位置的應(yīng)用。變速桿內(nèi)包含一個磁體（紫色圓柱體）。一組微型黑色方塊表示一系列全極開關(guān)器件。當駕駛員移動變速桿時，磁體會經(jīng)過單獨的霍爾器件。靠近磁體的器件會受到磁場的影響并開啟，但大部分位置較遠的器件不會受到影響，并保持關(guān)閉。磁體的南極或北極都能朝向霍爾器件，霍爾器件的標記面朝向磁體。
圖 1.使用全極開關(guān)傳感器 IC 的應(yīng)用。在換擋過程中，當磁體（紫色圓柱體）經(jīng)過超小型霍爾 IC 時，它們會進行開關(guān)操作。
磁性開關(guān)點術(shù)語
以下是用于定義霍爾開關(guān)操作的轉(zhuǎn)換點或開關(guān)點的術(shù)語：
圖 2：霍爾效應(yīng)是指在外加電流受垂直磁場影響時存在可測量的電壓。
B – 磁通密度的符號，是用于確定霍爾器件開關(guān)點的一個磁場屬性。單位是高斯 (G) 或特斯拉 (T)。轉(zhuǎn)換關(guān)系是 1 G = 0.1 mT。
B 有南極和北極之分，所以有必要記住它的代數(shù)約定，B 在用于北極磁場時為負數(shù)，用于南極磁場時為正數(shù)。該約定可以用于對北極與南極數(shù)值進行算術(shù)比較，其中磁場的相對強度以 B 的絕對值表示，符號表示磁場的極性。例如，一個 ?100 G（北極）磁場和一個 100 G（南極）磁場具有相同的強度，但是極性相反。同樣地，一個 ?100 G 磁場的強度要高于一個 ?50 G 磁場的強度。
BOP – 磁場工作點；使霍爾器件開啟的強化磁場強度。器件輸出的結(jié)果狀態(tài)取決于器件的獨特電子設(shè)計。
BRP – 磁場釋放點；使霍爾器件關(guān)斷的弱化磁場強度（對于某些類型的霍爾器件而言，則是在給出正 BOP 的情況下的強化負磁場的強度）。器件輸出的結(jié)果狀態(tài)取決于器件的獨特電子設(shè)計。
BHYS – 開關(guān)點磁滯回差。霍爾器件的傳輸功能利用開關(guān)點之間的這個偏移值來過濾掉在應(yīng)用中可能由機械振動或電磁噪聲引起的磁場中的小的波動值。BHYS = | BOP ? BRP |。
典型工作狀態(tài)
全極傳感器 IC 的開關(guān)點范圍以對稱方式圍繞中性磁場 (B = 0 G)，如圖 3 所示。開關(guān)點的磁場強度相等，但磁極相反。例如，假設(shè)正（南）極開關(guān)點是工作點 BOP(S) 60 G，釋放點 BRP(S) 為 30 G。那么，負（北）極開關(guān)點是工作點 BOP(N) ?60 G，釋放點 BRP(N) 為 ?30 G。鎖定最近的狀態(tài)能防止器件在受到弱磁場影響時切換。
全極開關(guān)能在任意極性的強磁場中開啟，產(chǎn)生的輸出信號既可以是高邏輯電位（最高為全電源電壓 VCC），也可以是低邏輯電位（在輸出晶體管飽和電壓條件下，VOUT(sat)，通常是<200 mV），具體取決于器件 IC 輸出級的設(shè)計。全極開關(guān)會在一個中等強度的磁場中關(guān)閉，產(chǎn)生的輸出信號與開啟狀態(tài)時的極性相反。與其他類型的霍爾數(shù)字開關(guān)一樣，這些器件不會在磁場強度處于開關(guān)點磁滯范圍 (BHYS) 內(nèi)時開關(guān)。此外，鎖定開關(guān)狀態(tài)還能防止器件在磁場強度相對較弱（處于釋放點 BRP(N) 和 BRP(S) 之間）時開關(guān)。在再次切換前，不必非要穿過 0 G 點。指定開關(guān)事件的后面可以是極性相同或相反的開關(guān)事件。
圖 3.全極開關(guān)的輸出特性。頂部區(qū)域顯示了存在強磁場時，切換至高邏輯電位，底部區(qū)域顯示了在強磁場中，切換至低邏輯電位。
雖然器件能在任意強度的磁場中通電，為闡釋圖 3，從最左邊開始，與北極工作點 BOP(N) 相比，此處的磁通量（橫軸上的 B）更偏負性。此處的器件處于開啟狀態(tài)，輸出電壓（縱軸上的 VOUT）取決于器件的設(shè)計：高壓（頂部區(qū)域）或低壓（底部區(qū)域）。
向右的箭頭表示在此方向上磁場的負性減少。當與 BRP(N) 相比，磁場更弱時，器件關(guān)閉。這使輸出電壓變?yōu)橄喾吹臓顟B(tài)（高壓或低壓，具體取決于器件的設(shè)計）。
當磁場一直比 BOP(N) 和 BOP(S) 弱時（接近 B = 0 G，圖 3 的中心），器件會保持關(guān)閉，鎖定的輸出狀態(tài)會保持不變。即使在 B 的強度比 BRP(N) 或 BRP(S) 略高（在開關(guān)磁滯 BHYS 的內(nèi)置區(qū)內(nèi)）時也是如此。
如果下一個強磁場是負極磁場，向右的箭頭表示在此方向上磁場的正性逐漸增加。當與 BOP(S) 相比，磁場更強時，器件開啟。這使輸出電壓變?yōu)橄喾吹臓顟B(tài)（高壓或低壓，具體取決于器件的設(shè)計）。如果下一個強磁場是負極磁場，向左的箭頭表示在此方向上磁場的負性逐漸增加。當與 BOP(N) 相比，磁場更強時，器件開啟。這使輸出電壓變回初始狀態(tài)。
上拉電阻器
上拉電阻器必須連接在電源正極和輸出引腳之間（見圖 4）。上拉電阻器的阻值一般是 1 至 10 kΩ。最小上拉電阻是傳感器 IC 最大輸出電流（灌電流）和實際電源電壓的函數(shù)。20 mA 是最大輸出電流的典型值，在這種情況下，最少可拉 VCC / 0.020 A 的負載。在擔心電流消耗的情況下，上拉電阻最高可達 50~100 kΩ。注意：如果上拉電阻較大，可能會導(dǎo)致外部漏電流接地，而由于接地漏電流過高，即使器件處于磁關(guān)斷狀態(tài)，輸出電壓也可能會下降。這不是器件的問題，其根本原因在于上拉電阻器與傳感器 IC 輸出引腳之間的導(dǎo)體發(fā)生了電流泄露。嚴重的話，這會使傳感器 IC 輸出電壓大幅降低以至于使其喪失適當?shù)耐獠窟壿嫻δ堋?/p>
圖 4：典型應(yīng)用圖。
旁路電容器的使用
參考圖 4 了解旁路電容器的布局設(shè)計。一般來說：
通電狀態(tài)
只有當加電時，磁場強度超過 BOP 或 BRP 時，全極開關(guān)才會在有效狀態(tài)下通電。如果磁場強度處于磁滯帶，即在 BOP 和 BRP 之間，則器件最初處于開啟或關(guān)閉狀態(tài)，然后在首次經(jīng)過一個開關(guān)點之后達到正確的狀態(tài)。可以為器件設(shè)計上電邏輯，以確保器件在到達開關(guān)點之前一直處于關(guān)閉狀態(tài)。
通電時間
通電時間在某種程度上取決于器件的設(shè)計。在初始通電時，數(shù)字輸出傳感器 IC（例如鎖存型器件）可在如下時間內(nèi)達到穩(wěn)定狀態(tài)。
| 器件類型 | 通電時間 |
|---|
| 非斬波設(shè)計 | <4 μs |
| 穩(wěn)定斬波 | <25 μs |
從根本上來講，這意味著：在通電之后、經(jīng)歷這段時間之前，器件的輸出可能處于一個不正確的狀態(tài)，但在經(jīng)過這段時間之后，器件的輸出肯定處于正確的狀態(tài)。
功耗
總功耗是以下兩個因素的總和：
傳感器 IC 消耗的功率，不包括在輸出端損耗的功率。這個值的大小是 VCC 與電源電流的乘積。VCC 是器件電源電壓，電源電流如數(shù)據(jù)表中所示。例如，已知 VCC = 12 V 并且電源電流 = 9 mA，則功耗 = 12 × 0.009 or 108 mW。
在輸出晶體管中消耗的功率。這個值的大小是 V(on)(sat) 與輸出電流（由上拉電阻器決定）的乘積。如果 V(on)(sat) 為 0.4 V（最壞的情況）、輸出電流為 20 mA（通常是最壞的情況），則消耗的功率為 0.4 × 0.02 = 8 mW。正如你所看到的，由于飽和電壓的值非常小，所以在輸出上的功耗也比較小。
在這個例子中，總功耗為 108 + 8 = 116 mW。將這個數(shù)字用在相關(guān)封裝的數(shù)據(jù)表的降額圖表中，檢查是否有必要降低最大允許工作溫度。
常見問題
問題：我如何確定磁鐵的方向？
回答：磁極面向器件的標記面。標記面上有器件的識別標志，例如部分型號或日期代碼。
問題：我可以將磁鐵靠近器件背面嗎？
回答：可以，但要記住：如果磁鐵的磁極朝著同一個方向，則從正面看，穿過器件的磁流場的方向保持不變（例如，如果從正面看，南磁極比較接近器件，那么若從背面看，北磁極比較接近器件）。然后，北磁極會針對霍爾元件產(chǎn)生一個正磁場，而南磁極會產(chǎn)生一個負磁場。
問題：有用于接近器件背面的權(quán)衡方法嗎？
回答：有。由于霍爾元件與正面（封裝標記面）之間的距離比較近（相對于背面而言），從封裝正面接近時會出現(xiàn)一個“更清潔的”信號。例如，對于“UA”封裝，帶有霍爾元件的芯片位于封裝標記面內(nèi) 0.50 mm 處，距離背面大約 1.02 mm。（標記面與霍爾元件之間的距離稱為“有效面積深度”。）
問題：一個很大的磁場會損壞霍爾效應(yīng)器件嗎？
回答：不會。一個很大的磁場不會損壞 Allegro 霍爾效應(yīng)器件，也不會導(dǎo)致磁滯增加（計劃內(nèi)的磁滯除外）。
問題：我為什么需要一個穩(wěn)定斬波型器件？
回答：與非斬波設(shè)計相比，穩(wěn)定斬波型傳感器 IC 具有更高的靈敏度和控制更為嚴密的開關(guān)點。它也許還能承受更高的工作溫度。大多數(shù)新器件設(shè)計都采用了斬波型霍爾元件。
推薦的器件
Allegro 公司網(wǎng)站上的選型指南 《霍爾效應(yīng)鎖存器/雙極開關(guān)》中列出了標準鎖存器。
《微功率開關(guān)/鎖存器》中列出了低功率鎖存器。
可能的應(yīng)用
相關(guān)器件類型的應(yīng)用說明
雙極 開關(guān)
單極 開關(guān)
鎖存型 開關(guān) （鎖存器）
參考：AN296070
