高精度角度传感器TMAG6181-Q1：汽车应用的理想之选

在汽车电子、工业控制等领域，精确的角度测量至关重要。今天要为大家介绍一款德州仪器（TI）推出的高精度模拟AMR角度传感器——TMAG6181-Q1，它专为汽车应用设计，具备多项出色特性。

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一、产品特性

（一）汽车应用资质

TMAG6181-Q1符合AEC-Q100汽车应用标准，温度等级为0级，工作温度范围从 -40°C到150°C，能适应各种恶劣的汽车工作环境。而且它还具备功能安全合规性，为ISO 26262系统设计提供文档支持，可达ASIL B级别，这对于汽车安全相关的应用非常关键。

（二）高精度与高速性能

从精度上看，它的AMR传感器典型角度误差低至0.1°，在3.3V工作电压下，全温度范围内最大角度误差为0.4° ；在5.5V工作电压下，全温度范围内最大角度误差为0.56°。同时，它还是高速AMR角度传感器，超低延迟小于2µs，支持高达100krpm的转速测量，角度测量范围为180°。并且，其低角度漂移特性使得在不同温度下无需进行校准，这大大简化了设计流程。

（三）宽磁场范围与输出特性

该传感器具有宽的工作磁场范围，从20mT到1T，这为机械设计提供了更大的灵活性。输出方面，它提供正弦和余弦差分比例模拟输出，支持差分端或单端应用，能满足不同系统的设计需求。而且它的启动时间小于40µs，能快速进入工作状态。

（四）集成功能与低功耗设计

TMAG6181-Q1集成了匝数计数器，可通过PWM输出提供旋转匝数计数。启用匝数计数器的低功耗模式下电流仅为50µA，并且在低功耗模式下，智能旋转跟踪功能可跟踪高达8krpm的转速。此外，它还有专门的引脚进入睡眠模式，睡眠电流小于5µA，电源电压范围为2.7V到5.5V，整体功耗控制出色。

二、应用领域

TMAG6181-Q1的应用十分广泛，涵盖了汽车和工业的多个方面：

• 汽车领域：可用于电动助力转向（EPS）电机位置传感、EPS手轮角度传感、无刷直流（BLDC）/永磁同步电机（PMSM）位置传感、集成式皮带启动发电机等。
• 工业及其他领域：适用于电动自行车和两轮车、雨刮模块和执行器、编码器位置传感、伺服驱动位置传感器等。

三、产品详细描述

（一）工作原理

TMAG6181-Q1基于各向异性磁阻（AMR）技术，其内部集成了信号调理放大器，能根据施加的平面内磁场方向提供差分正弦和余弦模拟输出。同时，它在X和Y轴上有两个独立的霍尔传感器，用于跟踪旋转。该传感器的输出电压与电源电压成比例，外部ADC可以使用电源电压作为参考，这有助于提高测量的准确性。

（二）功能模块

• 电源管理和振荡器模块：包含内部稳压器、偏置电路、低频和高频唤醒振荡器，以及过压和欠压检测电路。
• AMR传感器模块：由两个惠斯通电桥组成，每个电桥由磁电阻传感器构成，分别感应施加磁场的正弦和余弦分量。
• AMR传感路径模块：包含信号调理放大器、偏移补偿、自动增益控制（AGC）电路和输出驱动器。
• 匝数计数路径模块：包含X和Y霍尔传感器、相关偏置电路、信号调理、逻辑比较器和计数器，用于跟踪旋转。
• 内部存储模块：支持工厂编程值。
• 诊断模块：支持对内部电路进行背景诊断检查。

（三）传感器特性

• 磁通量方向：对X和Y方向的磁场分量敏感，X和Y场与封装平面平行。
• 传感器位置和放置公差：AMR传感器和X、Y霍尔元件的中心位于封装中心，芯片在封装内的旋转公差会导致±3°的参考角度误差。
• 磁响应：AMR传感器的输出对应于cosine 2θ和sine 2θ ，每360°的外部磁场旋转，AMR输出提供两个周期，每个周期的感应范围为180°。霍尔传感器对X和Y轴的平面内磁场敏感，具有360°的角度范围。

（四）参数定义

• AMR输出参数：包括单端输出电压峰峰值、幅度异步比、差分偏移、共模输出电压等。
• 瞬态参数：如传播延迟、相位误差等，这些参数会受旋转磁场速度的影响。
• 霍尔传感器参数：有运行点、释放点、磁滞、对称性等。
• 角度精度参数：分为未校准角度误差、单点校准角度误差和动态角度误差等，不同的校准方式会影响角度测量的准确性。

（五）自动增益控制（AGC）

为了减少AMR传感器输出在不同温度下的漂移，TMAG6181-Q1采用了AGC电路。它会根据输出信号的幅度调整输出驱动器的增益，使单端电压的峰 - 峰值在规定范围内。当输出超出预定工作范围时，AGC会以±1% VCC 的步长调整增益，调整间隔约为1秒。

（六）匝数计数器

该传感器集成了一个11位的匝数计数器，可通过TURNS引脚以PWM格式发送匝数信息。当计数器值为0时，TURNS引脚输出50%的占空比。在不同的工作模式下，匝数计数器的工作方式有所不同。在活跃模式下，可通过拉低TURNS引脚至少125µs来启用计数器，拉低至少1.1ms来重置计数器；在低功耗模式下，设备会定期唤醒以监测霍尔传感器状态并更新计数器信息。

（七）安全和诊断功能

TMAG6181-Q1支持多种设备和系统级诊断功能，可检测、监测和报告设备运行过程中的故障。当检测到故障时，设备会进入故障状态，AMR传感器输出进入高阻抗状态。具体的诊断检查包括AMR信号路径检查、霍尔传感器信号路径检查、匝数计数器溢出检查、电源管理和支持电路检查、内部存储器完整性检查等设备级检查，以及 VCC 欠压和过压检查、引脚开路和短路检查等系统级检查。

（八）设备功能模式

• 活跃模式：SLEEP引脚拉高时进入，AMR输出跟踪磁场方向，匝数计数器禁用。
• 活跃匝数模式：AMR传感器输出活跃，匝数计数器启用，TURNS引脚作为I/O提供计数器信息。
• 低功耗模式：在启用匝数计数器后可进入，设备定期唤醒，TURNS引脚不输出PWM信息，平均电流消耗较低，且具备旋转跟踪功能，可跟踪高达8krpm的转速。
• 睡眠模式：SLEEP引脚电压低于VIL 并保持低电平超过1.1ms时进入，是最低电流消耗状态，退出睡眠模式时SLEEP引脚电压需高于VIH 。
• 故障模式：检测到故障时进入，AMR输出处于高阻抗状态。

四、应用与实现

（一）应用信息

• 电源作为外部ADC的参考：由于AMR输出信号与电源电压成比例，建议使用电源电压（VCC）作为外部ADC的参考，这样可以消除使用单独参考电压可能产生的误差，并优化外部ADC的输入范围。同时，为了减少电源噪声，建议使用0.1µF的旁路电容。
• AMR输出与气隙距离的关系：AMR传感器只对平行于芯片表面的X - Y平面上的磁场方向敏感。只要磁场强度高于推荐的最小工作磁场，AMR输出的角度精度就与施加磁场的绝对值无关。
• 传感器误差校准：TMAG6181-Q1在工厂进行了校准，但为了获得最佳性能，仍可对一些影响角度精度的电气误差进行校准，如偏移误差、幅度失配误差等。通过旋转磁场并连续采样正弦和余弦输出，可以计算出相应的校准参数。

（二）典型应用

TMAG6181-Q1可用于单端输出模式或差分输出模式，能直接驱动高达10nF的电容负载，对于每米电容为100pF的电缆，可驱动长达100m的电容负载。在差分输出模式下，有助于消除系统中的共模干扰；在单端输出模式下，动态范围和抗噪声能力通常会降低，但可通过添加外部低通滤波器来减少噪声和电磁干扰。为了确保外部微控制器能检测到高阻抗状态，建议在输出端添加上拉或下拉电阻。

（三）设计要求与步骤

以轴向测量设置为例，在设计时需要考虑电源电压、磁体类型、输出模式、电机最大转速、期望的温度范围内角度误差等参数。为了实现准确的角度测量，需要进行参考角度校准、电气偏移校准和幅度失配校准。同时，在一些应用中，可能需要多个角度位置传感器，此时可以采用冗余设计或多路复用设计。

（四）电源与布局建议

在电源方面，建议使用靠近设备的去耦电容，提供本地能量并减少电感，推荐使用至少0.01µF的陶瓷电容。在布局方面，由于磁场可以穿过大多数非铁磁材料和印刷电路板，因此可以将磁体放置在塑料或铝制外壳外，或者PCB的另一侧。

TMAG6181-Q1是一款性能卓越的角度传感器，凭借其高精度、低功耗、宽磁场范围、集成功能和安全诊断等特性，在汽车和工业应用中具有很大的优势。电子工程师们在进行相关设计时，可以考虑这款传感器来满足系统的需求。大家在实际运用中遇到过哪些和角度传感器相关的挑战呢？欢迎在评论区分享。