差分傳感技術(shù)加持 雙像素MPS擺平磁場(chǎng)干擾

磁性位置傳感器(MPS)是電機(jī)控制應(yīng)用中的重要組件;傳統(tǒng)MPS易受雜散磁場(chǎng)干擾，造成安全疑慮。新一代雙像素MPS采用差分傳感技術(shù)設(shè)計(jì)，可有效阻絕雜散磁場(chǎng)干擾，達(dá)到更精密準(zhǔn)確的電機(jī)控制，并滿足日益嚴(yán)格的功能安全標(biāo)準(zhǔn)要求。

在工業(yè)及汽車市場(chǎng)，磁性位置傳感于各種電機(jī)及電機(jī)控制應(yīng)用中已日益的普及，而用來測(cè)量通量密度的各種方法也持續(xù)進(jìn)步，促成完全集成型傳感IC或磁性位置傳感器(Magnetic Position Sensor, MPS)的發(fā)展。這類傳感器在單一芯片中集成磁性傳感、信號(hào)調(diào)節(jié)及信號(hào)處理功能，如奧地利微電子(ams)推出的最新一代3D MPS，能從三個(gè)方向傳感磁性通量，這讓它們的應(yīng)用范圍比起以前更為寬廣(圖1)。

圖1　3D MPS周圍磁場(chǎng)三個(gè)向量的圖示

就位置傳感而言，無論是采用哪種磁性傳感方法，都比光學(xué)傳感或接觸式傳感(電位器)來得穩(wěn)定和可靠，這是因?yàn)榇判约夹g(shù)不會(huì)受到塵土、油污、震動(dòng)及潮濕的影響，而這些因素在嚴(yán)苛的汽車和工業(yè)應(yīng)用中是很常見的。

在汽車領(lǐng)域中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)必須符合ISO26262功能性安全標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的嚴(yán)格風(fēng)險(xiǎn)管理要求。然而，使用傳統(tǒng)MPS的設(shè)計(jì)工程師愈來愈常遇到一個(gè)問題，就是來自雜散磁場(chǎng)的干擾，這會(huì)破壞MPS的輸出，或是將信噪比(SNR)降至讓人無法接受的程度。甚至是肇因于雜散磁場(chǎng)的已知風(fēng)險(xiǎn)，也會(huì)對(duì)重視安全的設(shè)計(jì)造成損害。

隨著汽車電氣化程度的擴(kuò)大，這樣的風(fēng)險(xiǎn)日益增加。特別是攜帶高電流的電機(jī)及電線，正是雜散磁場(chǎng)的強(qiáng)大來源;這在許多工業(yè)應(yīng)用中也同樣是存在的。保護(hù)脆弱的MPS不受雜散磁場(chǎng)的影響，現(xiàn)有的對(duì)策既麻煩又昂貴。如同這篇文章所言，較佳的方法是提高M(jìn)PS對(duì)于雜散磁場(chǎng)的免疫力。

傳感器遠(yuǎn)離雜散磁場(chǎng)干擾常見方法

因應(yīng)雜散磁場(chǎng)的常見方法之一是屏蔽傳感器IC。這不是一個(gè)好方法，這樣的說法是基于兩個(gè)理由。首先，所使用的屏蔽材料不只是會(huì)和雜散磁場(chǎng)產(chǎn)生作用，還會(huì)和這個(gè)MPS的匹配磁場(chǎng)產(chǎn)生作用。(這個(gè)配對(duì)的磁鐵附著于要被測(cè)量的移動(dòng)對(duì)象上。當(dāng)這個(gè)配對(duì)磁鐵往前或往后移動(dòng)遠(yuǎn)離傳感器時(shí)，靜態(tài)MPS會(huì)將磁通量的變化，轉(zhuǎn)換為精確的位移量測(cè)。)屏蔽材料本身會(huì)被磁化，而且它的特性也容易隨著溫度變化而改變。

此外，屏蔽材料會(huì)表現(xiàn)出磁滯行為，這可能會(huì)將配對(duì)磁鐵的磁力線重新導(dǎo)向?yàn)檫h(yuǎn)離傳感器。為避免屏蔽的寄生特性會(huì)中斷系統(tǒng)的運(yùn)作，所以必須把它放在距離磁鐵較遠(yuǎn)處。這就限制了系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師在布局、布線及放入傳感器模塊組件的自由度。這也會(huì)讓系統(tǒng)更大、更重、更復(fù)雜、更難組裝及更昂貴。

另一種截然不同的方法則不須要屏蔽，而是讓MPS和具有極高剩磁(Br)的磁鐵配對(duì)，將它放置在靠近MPS的位置。此種做法的效果是要讓訊號(hào)對(duì)雜散場(chǎng)比 (Signal-to-stray-field Ratio)較有利;這對(duì)于整體SNR也有同樣的效果。不幸的是，像是釹鐵硼磁石(NdFeB)或釤鈷磁石(SmCo)這些類型的強(qiáng)力磁鐵，價(jià)格約是便宜的永磁鐵氧體或塑料連聯(lián)結(jié)磁鐵的十倍之多，這就破壞了MPS在許多應(yīng)用中的成本優(yōu)勢(shì)。此外，這樣的方式對(duì)許多應(yīng)用而言并不適合，因?yàn)樗鼈儫o法將磁鐵放在靠近IC的地方。