利用下一代可編程霍爾效應傳感器優化汽車傳感系統設計
2015-10-24 21:45:34 EETOP作者：Melexis公司Dieter Verstreken
提高汽車駕駛員和乘客的安全性正受到越來越大的重視，而汽車工程師在他們的系統中部署傳感器則提供了更高的先進性并確立了更高的性能基準。汽車工程師必須要考慮許多不同的設計和集成壓力，這意味著為了讓這樣的傳感器被實施，它們不能對工程開銷、所涉及的財務投資有重大影響，或導致重量增大，影響效率。本文將介紹一些汽車設計項目所需滿足的要求，并說明現有的推動力是如何需要有新型傳感器規格的。
諸如磁簧開關和貴金屬接觸開關等機械開關器件已在某些汽車傳感應用中被廣泛使用幾十年了。雖然相對便宜且容易整合，并且汽車傳感器技術的新機遇一直在不斷出現，但是它們已經達到了許多技術極限。例如，汽車安全標準現在需要了解座椅位置，以及帶扣裝置是否被鎖住。雖然磁簧開關原則上能夠執行這樣的任務，但這種機械器件卻越來越被發現有缺口。這表現在幾個關鍵方面，如所提供功能的深度、緊湊性和裝配工藝的魯棒性。這些器件的典型工作環境將開關暴露在滿是污垢、油脂和灰塵、寵物毛發以及食品和飲料溢出的地方。機械開關依賴于移動部件，更容易在這樣的設置情況下出現故障，并因此減少壽命。因此，它們的潛力會受到一定限制，因為汽車傳感系統的范圍在持續快速增長。例如，我們可用座椅扣鎖檢測裝置和承重傳感器來檢查車輛占用，用于安全氣囊部署的目的。傳統的機械開關在這類應用中要完全有效是不夠可靠的。
由于一些原因，非接觸的固態解決方案要吸引人得多——它提供了一種極為簡化的、捕獲所需位置數據的方式，并具有增強耐用性和適當功能的實時診斷消息。雖然光電器件為機械實現提供了一種非接觸式的替代方案，其有效性仍然可能會由于以類似方式暴露在污染物中而受到破壞。然而，霍爾效應傳感器由于具有更高的精度和更好的響應性，再加上其魯棒的構造，在很多汽車位置傳感應用場景中具有取代磁簧開關所需的所有特性。
圖1：座椅定位傳感器系統示意圖
例如在諸如座椅定位等應用中，磁傳感器可以用來確定前座是否位于靠近儀表盤的位置；在發生碰撞時，相比座位位于更靠后位置的情況，這一關鍵信息可以用來指示氣囊控制器用較小力來膨脹氣囊（以半速張開它，而不是全速）。圖1描繪了一個典型的、基于磁傳感裝置的座椅位置傳感器系統。這里座椅的鐵類金屬框用于觸發磁傳感器，這意味著工程師必須依靠反向偏置的方式，并將傳感器和磁體安裝到單個模塊內（磁鐵通常直接粘在傳感器的背面），然后將模塊安裝到座椅軌道上。沿軌道的運動將改變磁力線，而傳感器則會對它進行捕獲。
對于汽車環境內任何形式的磁傳感器，我們有必要設置可接受的公差，因為在工作環境中需要考慮很多變化。然而這很難做到，并且會損害傳感器工作的有效性。汽車系統中用于不同功能的每一個傳感器都需要設置與特定應用相關的開關閾值。與其說提供許多不同的、都具有非常相似功能特性的霍爾效應傳感器——一項昂貴且在組織管理上充滿挑戰的活動，倒不如說最好是有傳感器平臺可以針對不同用途進行編程。因此，顯然我們需要有一種更靈活的、對支持大量不同磁致動有規定的方法。
實踐證明，基于汽車級非易失性存儲器技術的可編程傳感器的問世對汽車行業非常有利。通過這些器件，工程團隊可以得到對現場編程的支持。原型極大簡化了工程階段，而生產可以從提高的可重復性、機械裝配公差變化的補償以及減少的庫存器件類型中受益。
因此，由傳感器所構成的傳感系統能夠對特定的功能要求進行優化。這使得我們可以轉用更便宜的鐵氧體磁性材料（從而應對稀土材料目前正在經歷的不穩定的價格波動），并為工程師提供補償熱漂移的能力（因為某些類型的磁體的固有特性會隨環境溫度上升而變弱）。機械開關只能在存在電流或完全沒有電流之間區分，而可編程磁傳感器具有支持完全診斷功能的優勢。它能夠確定各種不同的電流狀態。因此，這種新的處理方式不僅能夠更好地識別所出現的問題，而且還能更好地確定問題的準確特性（如短路、斷線導致開路等）。
正如我們所看到的、諸如座椅定位傳感器的反向偏置應用，我們需要有一定程度的可編程性來限定磁閾值的范圍和分辨率，以及熱靈敏系數。可編程霍爾傳感器的實現能夠達到這個目的，但不幸的是，它可能會增加系統的復雜度，并提高物料清單總成本。采用帶2線接口而不是帶3線接口的傳感器能夠明顯減少布線和器件數量。這樣便能降低相關成本，縮短實現時間，并利用更少的空間。 2線制磁傳感器IC允許對以前設計用于所用機械開關器件的電纜線束重新利用，從而能改善升級——具有更高的性能和更高的可靠性，但不改變基本設置。
圖2：3線制和2線制霍爾傳感器實現的比較
