省电、强固性不再两难 磁性位置传感器耗电量大有改善
发布时间：2016-5-10 11:31
发布者：eechina
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在行动装置和消费性应用领域，低功耗无疑是最主流的设计思维。不过，对许多其他应用领域的系统产品来说，低功耗也是产品设计时的重点。例如对不易接近地区安装在偏远地区的仪器、或是安装在地下、海底等人类难以接近地点的感测系统来说，功耗越低，则维护的财务成本与作业难度就可以大幅降低。 在这类的应用中，系统不仅要低功耗，而且还必须极为强固，因为这类产品可能在温度变化剧烈、高湿度、高压或是有污染物存在的环境下运作，其环境条件极为严苛。 在各种感测应用中，位置感测是很常见的应用需求，但过往的位置感测方法不是强固性有疑虑，就是功耗相对较高。不过，随着技术进步，要实现兼具高强固性与低功耗特性的位置感测已经不再是问题。 位置感测应用无所不在 电位/光学编码强固性有缺失 无论是在最简单或最复杂的应用中，旋转和线性位置感测都是很常见的需求。 一般而言，如果是要开发比较简单的应用，设计人员通常倾向采用典型的电位器(Potentiometer)做为位置传感器，要求较高的应用则通常会使用光学编码器。然而，若将强固性和严苛条件耐受度加进需求列表中，则这些装置都不是最理想的选择。电位器容易发生各种电器及机械故障，造成组件失效。此外，不管是光学编码器或电位器，其运作都很容易受到灰尘、污垢、油脂和液体等污染物的影响；剧烈撞击或震动也会使这些装置无法维持精确的测量输出。 将传感器加以密封，可以避免受到环境物质的污染，然而这种方式很昂贵，而且可能会牺牲主机产品的组装或机构设计，而且密封体的任何损坏或老化，可能会缩短传感器系统的运作寿命。 磁性位置感测强固性佳 功耗问题已有大幅改善 除了光学编码器之外，还有一种可以实现非接触式感测的方式，亦即磁性位置感测。然而，以往对功耗要求较为严格的应用，大多不喜欢采用磁性位置传感器，因为这类组件给人功耗很高的刻板印象。从磁性位置传感器的运作模式来说，这样的刻板印象并没有错，但是随着技术进步，这样的看法现在已经过时了。 尽管如此，磁性感测的原理还是值得研究，以便了解为何功率问题是引发设计人员疑虑的原因。由Edwin Hall发现的霍尔效应(Hall Effect)，解释了磁场如何影响流过导体的电流。简单来说，霍尔效应电磁传感器的工作原理，就是垂直作用于某导体的磁场(B)会影响流过导体的电流(I)(图1)。一个两极磁铁的旋转，会让附近的导体感受到磁场强度随着极性从N极摆荡到S极并再次返回而有所变化。这种磁场的变化会成比例地影响流过导体的电流，这种持续变化的电流会形成导体的电压 (VH)，很容易测量。 
图1 霍尔效应解释磁场如何影响流过导体的电流 在磁性位置传感器(MPOS)中，电压讯号可经数学运算转换成角度或直线位移的测量结果。但为了使传感器运作，需要有电流流过导体来启动霍尔组件。 由于霍尔传感器以这种方式汲取电流，所以相较其他技术，例如电位器及光学编码器，霍尔传感器一般会使用更多电流。现今的霍尔感测是使用硅组件来产生电压，并将讯号处理和运算功能整合在单一电路中。然而，这种会被磁场影响的电流，仍是整个组件运作的核心。 MPOS有一个能胜过电位器的优点，有助于缓解功耗问题。电位器是一种被动式机电装置，无法让设计工程师配置其功率设定。电位器总是在开启状态，总是汲取相同的电流。而MPOS则是一种具有内建控制及配置电路的智能型装置，可以实现各种低功耗设定。 MPOS最显著的省电方式是电力循环，在停机(Stop)模式时，可以将功耗降至0。然而，MPOS在启动时的确需要相较稳定运行时更多的电流，而且在启动时也需要处理时间。如此一来，某个动作开始的时间，与MPOS提供位移量测的时间之间是有延迟，就成为一个问题。这点在某些应用中无法被接受。 还有另外一种降低MPOS耗电量的方法，也就是将传感器中不重要的组件断电，只有在需要量测时才提供电力给它们。越多的电路组件被断电，则传感器从断电到可以开始采样所需的时间就越长。 为协助设计师在任何特定应用中达成速度和功率之间的正确平衡，奥地利微电子最近发表了一系列旋转MPOS，能提供使用者深度和浅度断电的模式选择。两种低功率状态以及「正常(Always On)」模式，各自支持不同的采样速率。这让设计师可以选择适合整体系统功率需求的采样速率。 在深度断电模式，传感器仅汲取3μA电流，最大功耗为9.9μW。另一种低功率模式会让电源启动(Power-On)重置电路保持作用；在这个模式中，芯片会汲取33μA 电流，最大功耗则是108.9μW。在「正常」模式，最大功耗是28mW。启动此装置所需的额定时间是580μs，而在样本撷取以及产生中断输出至微控制器之间的延迟是500μs。 水下马达驱动案例探究 说了这么多关于MPOS的理论与操作，它们在严苛环境中实际运作的可靠性如何？ 为了回答这个问题，笔者利用奥地利微电子的AS5055A标准型MPOS设计了一个简单的水下马达驱动应用。该组件会产生数字输出，虽然无法立刻在示波器上看到，但是能显示在图形用户接口(GUI)中。 AS5055A被安装在标准型转接板上，它的电源及输出接脚和电线连接。整个电路板以DIY商店中常见的现成橡胶涂料涂覆(图2)。 
图2 经过防护涂布的AS5055A位置传感器转接板。 准备完成后，将一个简单型直流(DC)马达和这个夹具连接，与马达底端连接的一个直径6mm的磁铁，要位于转接板上的AS5055A芯片的正上方(图3)。 
图3 安装在马达上的磁铁，位于AS5055A磁性位置传感器的正上方。 组装完成后，接着安装背衬板并浸于2.5公分深的水中(图4)。将电力传送给马达及转接板电路，就可从图5的GUI中看到来自AS5055A的感测输出结果：由于连接AS5055A的接口是数字的，所以只会显示实时的截图。MPOS如预期地动作，GUI显示的是被撷取到的角位移测量值。 
图4 AS5055A转接板完全浸没在水中。 
图5 来自浸于水中的AS5055A输出数值 使用相同的涂布及沉浸方式，一个类似的测试输出也显示在示波器的显示屏幕上(图6)。这个三角波形显示这个磁铁持续进行360°旋转。在0°时，来自MPOS的模拟输出电压为最小；在360°时为最大。这两个测试显示，该解决方案能可靠地运作。 
图6 在示波器上显示AS5055A的输出讯号 这种防护涂布能提供硬化MPOS的效果，使其能在严苛环境中运作。有趣的是，它的影响就如一些外来物，例如灰尘、油脂或污垢的污染作用一样。这样的硬化处理会让电位器或光学编码器完全失效，但MPOS的功能丝毫不会被影响。 低功率MPOS打开应用新领域 该如何使用这个新一代的低功率MPOS呢？电位器的接触点以及光学编码器的光学系统很容易因表面受损或变脏而影响到功能正常运作，磁性解决方案则不会受到这些因素影响。MPOS的功用是感测磁铁的旋转运动，而这个磁铁和传感器之间隔着1.5~3mm的空隙，没有接触点和移动部件，所以不会发生机械式耗损，也不会有灰尘、油脂或液体进入旋转机构及弄脏光学码转盘(Optical Code Wheel)的情况发生。整体来说，在污染较为严重的环境下，以MPOS取代电位器或光学编码器，是较为可靠的选择。 非接触式感测方法的另一个好处是本质安全(Intrinsic Safety)。本质安全是一种防护技术，藉由限制可用来点火的能量，确保电子设备在危险区域的安全运作。由于是采用无摩擦式设计，所以非接触式解决方案原本就不会有火花产生，可轻松实现符合本质安全需求的电路。 对于水下石油勘探和开采领域的电子设备制造商而言，低功耗运作也大有益处。在深水石油和天然气设施中，远程遥控和本质安全的传感器是必要的。在这样的应用中，低功耗以及不受高压及浸没于石油环境影响的磁性位置感测技术，有相当显著的优势。 在远程或电池供电的设备，以及像是本质安全电路此类系统中，低功耗操作是基本要求，若还必需不受压力、液体、尘土或脏污的影响，则类似的位置传感器，如电位器及光学编码器，在没有复杂及昂贵的屏遮和防护的情况下，都是不适用的。 因此，能提供可选择支持低功率模式的新一代磁性位置传感器，将可让工程计师得以开发出精确、稳固的位置感测系统，同时满足极低功耗的系统要求。 |
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