了解汽车产业应用对霍尔传感器的需求

随着电动汽车的成长，到 2026 年，汽车产业应用中对小巧、精准的位置传感器的需求将大幅成长至 16 亿美元 (图 1)。这些传感器追踪负责牵引机械、动力转向及车窗的马达内转子的位置，并确保控制与安全涵盖范围。首先，本文回顾传统接近、位置探测方式以及它们的限制因素。接着，在讨论汽车产业应用中使用限制因素之前，先考虑依据霍尔效应的磁性接近传感器与位置传感器的操作及优势。最后，本文介绍一系列霍尔传感器切换器/闩锁电路，这些装置使汽车系统能够获得最高等级的汽车安全认证：ISO 26262。
 

 
图 1。车辆电气化推动位置与接近传感器的需求

 
 
传统位置感测技术问题

电位计、光学编码器及解角器最广泛用于位置感测，但每种都有缺点，影响它们在汽车产业应用中的使用。
 
电位计使用实体接触以测量旋转动作。然而，这意味着它们会受到摩擦引起机械磨损，效能可能会受到冲击或振动影响。此外，污垢、灰尘、湿气或油脂等异物对电阻组件的污染会损害效能，甚至导致过早失效。
 
光学编码器通过探测带有开孔的圆盘 (通常称为码盘) 在 LED 光源与光电二极管传感器之间旋转所产生的交替明暗区域来测量位置。然而，它们很容易受到污染，这会干扰光源与探测器，从而降低可靠度。光学编码器的另一个缺点是它们体积庞大 (在空间受限的汽车中是个问题)，并且必须精确组装才能将容差降到极低。
 
解角器(Resolver)使用电磁转换器来测量高转速下的位置。虽然它们准确度高，但它们又大又重，导致成本增加，且与小空间汽车产业应用更不兼容。
 
 
更小、更轻、成本更低的磁性传感器

霍尔效应 (或霍尔) 传感器(Hall sensor) (图 2) 通常包括一个以上的嵌入式磁性组件。当外部磁场进入传感器附近时，它会改变嵌入式磁场的极性与强度。随着这种变化，传感器两端的电位差发生变化，这可用于追踪外部磁场的变化。例如，简单的磁性切换器使用霍尔传感器与锁定机制两侧的磁铁来探测窗户或门 (图 2) 的开启与关闭。
 

 

图 2。霍尔传感器控制开启/关闭车窗的马达

 
霍尔传感器技术不断发展，在许多产品应用中实现精确的线性与旋转定位测量。旋转位置传感器可以使用简单的组件来实现，包括固定的传感器载板，垂直安装在转子轴之上的旋转磁铁上。
 
制造商开发出在集成电路 (IC) 中采用标准互补式金属氧化物半导体 (CMOS) 的制程，并借此生产霍尔传感器，可以大量生产更具成本效益。因此，磁性位置传感器比其他传感器技术更小、更轻、更便宜。
 
使用霍尔传感器的汽车需求

采用电子控制转向与换档等功能，与使用机械或液压致动相比，更可以提高效能、提高可靠度、并减少尺寸与重量。对于以下汽车产业应用而言，上述功能尤为重要： 

动力转向马达

底盘定位

双离合器变速

混合动力与全电动汽车中的牵引马达定位

转向角探测

霍尔传感器重量较轻，有助于汽车制造商降低油耗，而较小的尺寸提高机械设计的弹性。虽然将霍尔传感器技术用于汽车产业应用的吸引力显而易见，但汽车产业对质量、可靠度及安全性 (适用于安全关键功能、禁用商品等级与通用霍尔传感器上) 有特定要求。
 
这些包括：
 
 
质量

安全认证和汽车工程委员会的标准明确指出可重复性、可追溯性及生产质量的确切要求。这些不仅适用于个别组件，也适用于整个传感器系统组装组件。
 
在每个认证标题下，通用霍尔传感器并不符合汽车产业的典型效能规范，这意味着这些通用传感器可能会使汽车 OEM 面临更高的故障风险。某些以前安装在生产车辆中的通用的磁性位置传感器给车辆制造商带来可靠度问题与安全疑虑。
 
问题的主要原因是来自于外部磁性干扰。汽车本身是一个电气噪声环境，有许多杂散磁场，这些杂散磁场会使 IC 感应讯号失真，干扰磁性传感器的运作。这可能会导致测量误差，进而影响传感器位置读数的准确性。例如，在 EV 牵引马达中，这些错误可能导致扭力严重降低甚至完全丧失，或是不可预测的车轮旋转。
 
可靠度

关键汽车产业应用中使用的装置预计将在比消费性或工业装置更宽的温度范围内操作。其使用寿命也被指定至少要长达十年以上。也需要注意组装生产的可重复性方面的问题。霍尔传感器测量相对于安装在马达轴上成对磁铁的位置，马达轴相对于静态传感器旋转，并与传感器之间有很小的气隙。在生产过程中，有些制造商因此遇到组装容差造成的质量问题。
 
安全性

在采用 ISO 26262 功能安全性标准后，也针对磁性位置传感器的使用进行审查。本标准要求在系统层级执行严格的故障模式影响和诊断分析 (FMEDA)，并实施充分的安全对策以应对已知故障机制的相关风险。商品等级的磁性位置传感器不具备在装置故障期间保证系统安全所需的功能，也不受符合 ISO 26262 标准的开发、生产流程及文件的支持。
 
通过汽车级认证的霍尔传感器切换器/闩锁电路

Diodes 公司的 AH32xxQ 系列双线霍尔传感器、单极切换器及闩锁电路基于先进的设计，使汽车系统制造商能够实现符合 ISO 26262 标准的位置和接近感测系统。这些 IC 符合 AEC-Q100 标准，在 IATF 16949 认证场所按照最高标准制造，并支持 PPAP 文件。它们还提供高灵敏度 (AH3270Q/71Q & AH3280Q/81Q) 与耐用性 (8kV ESD 耐受能力)。这些传感器 IC 只需要两根导线，从而降低特别长线束的总体系统成本。与大多数具有电压输出的霍尔传感器切换器不同，这些装置提供的电流输出比存在噪声尖峰时的电压更有弹性 (图 3)。为弹性起见，它们设计用于在宽电压范围 (2.7V 至 27V) 内运作，并采用行业标准 SC59 与 SIP-3 封装。
 

图 3。存在噪声尖峰的情况下，电流输出比电压更有弹性

 
整合自我诊断功能 (AH324xQ 与 AH328xQ)，是符合 ASIL 标准系统的最佳选择，这些系统需要高阶功能安全性 (图 4)。这些功能在后台运作，无需外部启动。如果探测到错误，装置将进入「安全模式」操作，此时输出 (电源) 电流降至 1mA，作为系统的警告信号。此外，整合自我诊断监控电源电压与温度，并对主要功能区块进行自我测试。
 

图 4。显示 AH324xQ/AH328xQ 自我诊断功能的功能图

 
结论

汽车电气化是汽车中马达数量增加的重要驱动因素，这反而又产生对小型、轻型、可靠及低成本传感器的需求，用以追踪它们的速率与位置。磁性位置和接近传感器基于霍尔效应提供解决方案；但是，商品等级版本并不适合汽车产业应用，因为它们不允许位置感测系统满足 ISO 26262 等关键安全标准。
 
Diodes 公司的 AH32xx 系列霍尔切换器/闩锁电路经过专门设计，具有宽工作电压范围，以提高其灵敏度和电流输出讯号，从而提高存在电压尖峰时的耐用性。该系列中一些装置还包括自我诊断功能，使传感器子系统能够通过汽车产业应用所需的安全认证。