Rishi Ramabadran

具有智能磁性位置傳感器的器件（門(mén)窗傳感器、電子智能鎖（如圖 1所示）、筆記本電腦、耳塞、平板電腦、智能手機(jī)以及水表和燃?xì)獗恚┚蕾?lài)于更小、更節(jié)能的開(kāi)關(guān)。磁性開(kāi)關(guān)通常需要檢測(cè)與印刷電路板 (PCB) 平行或水平的磁場(chǎng)，這是一種稱(chēng)為面內(nèi)的檢測(cè)方向。

最常用的面內(nèi)磁性開(kāi)關(guān)是各向異性磁阻 (AMR)、隧道磁阻 (TMR) 和簧片開(kāi)關(guān)。AMR 和 TMR 的工作原理是依據(jù)磁場(chǎng)的角度和幅度更改電阻率。簧片開(kāi)關(guān)由兩塊封裝在玻璃管中的鐵磁金屬構(gòu)成。當(dāng)在它們之間引導(dǎo)足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)時(shí)，這些塊會(huì)相互接觸。

盡管 AMR、TMR 和簧片開(kāi)關(guān)是市場(chǎng)上現(xiàn)有的解決方案，但也存在缺點(diǎn)。由于簧片開(kāi)關(guān)封閉在玻璃管或其他密封外殼中，因此該封裝體積大且昂貴，并且放置在磁體旁邊時(shí)容易受到扭矩的影響（請(qǐng)參閱圖 2）。外殼還可以輕松地在 10 萬(wàn)到 100 萬(wàn)個(gè)開(kāi)關(guān)周期之間斷開(kāi)，這使得該技術(shù)不太耐用和可靠。簧片開(kāi)關(guān)無(wú)法以高精度檢測(cè)磁場(chǎng)。

使用簧片開(kāi)關(guān)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，還存在一個(gè)問(wèn)題，那就是兩個(gè)簧片彼此接觸后分離產(chǎn)生彈性碰撞，導(dǎo)致簧片開(kāi)關(guān)發(fā)生去抖。去抖會(huì)延長(zhǎng)信號(hào)的穩(wěn)定時(shí)間，如果不加以處理，可能會(huì)影響傳輸完整性。

圖 2簧片開(kāi)關(guān)的仿真響應(yīng)，顯示了兩片簧片尖端之間的集中磁通密度

AMR 和 TMR 傳感器的金屬層堆疊很復(fù)雜，制造成本很高。形成這些金屬層需要使用不易獲取并可能導(dǎo)致供應(yīng)限制的專(zhuān)用沉積設(shè)備；這些層也必須磁化。

磁感應(yīng)步入新時(shí)代

由于霍爾效應(yīng)技術(shù)具有與常見(jiàn)開(kāi)關(guān)類(lèi)型相似的靈敏度和功耗，同時(shí)具有可擴(kuò)展性且更加經(jīng)濟(jì)，因此對(duì)霍爾效應(yīng)技術(shù)的需求不斷增長(zhǎng)。霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)依據(jù)磁場(chǎng)幅度監(jiān)測(cè)電壓變化來(lái)工作。

TI 的TMAG5134面內(nèi)霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)（圖 3）具有一個(gè)集成式磁集中器，其中包含兩個(gè)位于感應(yīng)元件上方的金屬板。集中器側(cè)重于傳感元件上的磁場(chǎng)，將磁場(chǎng)放大，從而能夠檢測(cè)太弱而無(wú)法單獨(dú)使用霍爾效應(yīng)傳感器進(jìn)行有效測(cè)量的磁場(chǎng)。TMAG5134 能夠檢測(cè)到弱至 1mT 的磁場(chǎng)，支持使用小型磁體，從而降低系統(tǒng)級(jí)成本。

TMAG5134 集成式磁集中器的性能以及霍爾效應(yīng)技術(shù)的制造成本可作為 AMR、TMR 和簧片開(kāi)關(guān)的有力競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，并顯著降低了系統(tǒng)成本。

圖 3TMAG5134 霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)的面內(nèi)位置設(shè)計(jì)

與標(biāo)準(zhǔn)霍爾效應(yīng)傳感器相比，集成式磁集中器可降低功耗，因?yàn)樗梢苑糯笮盘?hào)，無(wú)需以盡可能大的電流對(duì)傳感器進(jìn)行偏置。TMAG5134 的功耗可低至 0.6μA。

此外，如果您檢測(cè)到與 PCB 平行或水平的磁場(chǎng)，TMAG5134 的面內(nèi)感應(yīng)方向可在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中提供更大的靈活性。通過(guò)在晶體管外殼 (TO)-92 封裝中使用霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)，雖然可以解決這一難題，但這會(huì)占用更多布板空間。由于 TMAG5134 是霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)，因此與機(jī)械開(kāi)關(guān)相比，它可無(wú)接觸地感應(yīng)磁場(chǎng)，從而減少磨損并提高可靠性和彈性。

TI 提供了一款名為德州儀器 (TI) 磁感應(yīng)仿真器 (TIMSS)的磁仿真工具，您可以根據(jù)傳感器磁體放置來(lái)仿真磁場(chǎng)和傳感器輸出。TIMSS 可減少系統(tǒng)和完整產(chǎn)品設(shè)計(jì)修訂版本，并支持使用不同系統(tǒng)容差進(jìn)行快速實(shí)驗(yàn)。您可以選擇 TIMSS 中的 TMAG5134，并獲得您在系統(tǒng)中看到的磁場(chǎng)和器件輸出的 3D 可視化效果。

設(shè)計(jì)工程師在選擇合適的技術(shù)時(shí)，通常需要考慮成本、功率和運(yùn)行閾值（請(qǐng)參閱表 1）。

表 1 TMAG5134 霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)與其他面內(nèi)感應(yīng)技術(shù)的比較

更智能的傳感應(yīng)用

TMAG5134 等面內(nèi)霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)的功能包括以下示例：

用在包括門(mén)窗傳感器和電子智能鎖在內(nèi)的智能家居系統(tǒng)中：

檢測(cè)用戶是否打開(kāi)或關(guān)閉門(mén)窗。

監(jiān)控門(mén)栓位置以確定門(mén)當(dāng)前的狀態(tài)。

更長(zhǎng)的電池壽命。

用在筆記本電腦、平板電腦和耳塞等消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品中：

檢測(cè)用戶是否打開(kāi)或關(guān)閉筆記本電腦蓋或平板電腦蓋板，或者檢測(cè)用戶是否將筆記本電腦折疊了 360 度。在筆記本電腦和平板電腦中，屏幕根據(jù)其打開(kāi)和關(guān)閉狀態(tài)亮起或熄滅。

確定用戶是否打開(kāi)或關(guān)閉耳塞充電盒蓋，或者是否在耳塞盒中插入或取出耳塞。任一操作都會(huì)確定耳塞的充電狀態(tài)。

用在能源基礎(chǔ)設(shè)施中：

檢測(cè)水表和燃?xì)獗碇写朋w的滑動(dòng)情況，以使電表進(jìn)入診斷模式。

檢測(cè)儀表上外部磁體的放置情況是否會(huì)干擾儀表測(cè)量。

結(jié)語(yǔ)

TMAG5134 等面內(nèi)霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)正在塑造磁位置檢測(cè)的未來(lái)。未來(lái)，TMAG5134 等器件非常適合增強(qiáng)型或虛擬現(xiàn)實(shí)耳麥和智能眼鏡等產(chǎn)品。TMAG5134 同時(shí)具有良好的性能和低成本，因此是面內(nèi)霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)的一個(gè)有吸引力的選擇。