霍爾器件優(yōu)勢

許多人都知道，轎車的自動化程度越高，微電子電路越多，就越怕電磁干擾。而在汽車上有許多燈具和電器件，尤其是功率較大的前照燈、空調(diào)電機(jī)和雨刮器電機(jī)在開關(guān)時會產(chǎn)生浪涌電流，使機(jī)械式開關(guān)觸點產(chǎn)生電弧，產(chǎn)生較大的電磁干擾信號。采用功率霍爾開關(guān)電路可以減小這些現(xiàn)象。 霍爾器件通過檢測磁場變化，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵觯捎糜诒O(jiān)視和測量汽車各部件運行參數(shù)的變化。例如位置、位移、角度、角速度、轉(zhuǎn)速等等，并可將這些變量進(jìn)行二次變換；可測量壓力、質(zhì)量、液位、流速、流量等?；魻柶骷敵隽恐苯优c電控單元接口，可實現(xiàn)自動檢測?；魻柶骷伎沙惺芤欢ǖ恼駝?，可在零下40℃到零上150℃范圍內(nèi)工作，全部密封不受水油污染，完全能夠適應(yīng)汽車的惡劣工作環(huán)境。

根據(jù)霍爾效應(yīng)做成的霍爾器件，就是以磁場為工作媒體，將物體的運動參量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電壓的形式輸出，使之具備傳感和開關(guān)的功能。 迄今為止，已在現(xiàn)代汽車上廣泛應(yīng)用的霍爾器件有：在分電器上作信號傳感器、ABS系統(tǒng)中的速度傳感器、汽車速度表和里程表、液體物理量檢測器、各種用電負(fù)載的電流檢測及工作狀態(tài)診斷、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速及曲軸角度傳感器、各種開關(guān)，等等。 例如汽車點火系統(tǒng)，設(shè)計者將霍爾傳感器放在分電器內(nèi)取代機(jī)械斷電器，用作點火脈沖發(fā)生器。這種霍爾式點火脈沖發(fā)生器隨著轉(zhuǎn)速變化的磁場在帶電的半導(dǎo)體層內(nèi)產(chǎn)生脈沖電壓，控制電控單元（ECU）的初級電流。相對于機(jī)械斷電器而言，霍爾式點火脈沖發(fā)生器無磨損免維護(hù)，能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，還能精確地控制點火正時，能夠較大幅度提高發(fā)動機(jī)的性能，具有明顯的優(yōu)勢。 用作汽車開關(guān)電路上的功率霍爾電路，具有抑制電磁干擾的作用。

在轎車電路上經(jīng)?？梢钥吹健盎魻枴保℉all）這個名稱，例如桑塔納2000點火系統(tǒng)就有一只霍爾傳感器，專門給發(fā)動機(jī)電控單元（ECU）提供電壓信號。那么霍爾器件起到什么作用呢？ 這里涉及一個“霍爾效應(yīng)”的問題，霍爾效應(yīng)在應(yīng)用技術(shù)中特別重要?；魻柊l(fā)現(xiàn)，如果對位于磁場(B)中的導(dǎo)體(d)施加一個電壓(Iv)，該磁場的方向垂直于所施加電壓的方向，那么則在既與磁場垂直又和所施加電流方向垂直的方向上會產(chǎn)生另一個電壓(UH)，人們將這個電壓叫做霍爾電壓，產(chǎn)生這種現(xiàn)象被稱為霍爾效應(yīng)。

制造霍爾器件的半導(dǎo)體材料主要是鍺、硅、砷化鎵、砷化銦、銻化銦等。一般用N型材料,因為電子遷移率比空穴的大得多，器件可以有較高的靈敏度。有的材料的禁帶寬度很窄，工作的溫度范圍小。除了用整塊半導(dǎo)體材料做霍爾器件外，還可以用薄膜制作霍爾器件。在絕緣襯底上淀積薄膜或用外延或離子注入等方法在高電阻率的半導(dǎo)體襯底上制造一層厚度為微米量級的薄膜。用離子注入或處延法制造的砷化鎵霍爾器件在很寬的磁場強(qiáng)度范圍內(nèi)有很好的線性關(guān)系，并且能在很寬的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定地工作。用硅外延或離子注入方法制作的薄膜霍爾器件可以和集成電路工藝兼容。將霍爾器件和差分放大器及其他電路做在一個硅片上，可以縮小尺寸、提高靈敏度、減小失調(diào)電壓，便于大量生產(chǎn)。

實際上，用霍爾器件測量磁場強(qiáng)度時，是用恒定電流法還是用恒定電壓法，要考慮多方面的因素，如磁場強(qiáng)度和霍爾電壓間的線性誤差、靈敏度的溫度系數(shù)、同樣工藝條件制造的器件的性能分散程度等。

用霍爾器件測量磁場強(qiáng)度的特點是：器件很小很扁（可以放在窄縫中），有很高的準(zhǔn)確度、靈敏度和穩(wěn)定性，還有很寬的工作溫度范圍。

已知試件的尺寸、磁場強(qiáng)度和電流，測量霍爾電動勢即可求得試件的載流子濃度。載流子濃度是半導(dǎo)體材料的一個重要參量。在不同溫度下測量霍爾系數(shù)可以得到試件中載流子濃度和溫度的關(guān)系。這是了解半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)的一個重要方法。在給定的電流強(qiáng)度下，產(chǎn)生的霍爾電動勢與磁場強(qiáng)度成正比?？梢岳眠@一原理來測量磁場強(qiáng)度。

如果磁場由電磁鐵產(chǎn)生（圖3）,磁場強(qiáng)度與電流強(qiáng)度IB成比例,在磁場中的霍爾器件產(chǎn)生的霍爾電壓與兩個電流的乘積IxIB成比例，因此可以利用霍爾效應(yīng)制成乘法器。乘法器有許多用途，除進(jìn)行乘法運算外，還可以用作調(diào)制器、除法器、功率計等。

圖4是利用霍爾器件測量幾千安培以上的大電流的方法。圖4中1是通過大電流導(dǎo)體的截面，2是兩塊磁性材料,在兩個空氣隙中放有霍爾器件3。用霍爾器件測量磁性材料中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。此法特別適用于測量大直流電流強(qiáng)度。

用永久磁鐵作為不消耗能源的“發(fā)射機(jī)”，用霍爾器件作為“接收機(jī)”。將它們分別粘在兩個物體上，則可測量兩個物體的相對位置。

還可以利用霍爾效應(yīng)制作旋轉(zhuǎn)器、單向器和環(huán)行器。這類器件使信號沿單一方向傳輸，而不能沿相反的方向傳輸。

在電極1，2間加恒定電壓Ui,霍爾電動勢的表達(dá)式可變換成

UH=(UiμB)(Kw/l)

式中 Ui為兩個電流電極之間的電壓；μ為試件中載流子遷移率；w和l分別為試件的寬度和長度。恒定電壓下電極3和4之間的電壓也與磁場強(qiáng)度成正比。

霍爾器件

Hall element

UH=-RHBzIx/d

式中Ix為從電極1到電極2的電流；d為試件厚度；RH為比例系數(shù)（稱霍爾系數(shù)）?；魻栂禂?shù)與試件中載流子濃度有關(guān)。

式中n為試件中導(dǎo)電載流子濃度；q為電子的電荷?；魻栂禂?shù)的符號決定于試件中載流子是帶正電荷或負(fù)電荷。

霍爾器件除矩形外，還有十字形、方形、四葉苜蓿葉形和其他更復(fù)雜的形狀(圖2)。形狀不同，試件中電勢分布也不同?；魻栯姌O的焊點占一定面積，也影響電勢分布。為此引進(jìn)一個形狀因子K

UH=-KRHIxBz/d

霍爾器件是一種磁傳感器，用它們可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用?；魻柶骷曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ)。

高斯計WT10A采用紫銅封裝探頭，更加堅固耐用，延長高斯計的使用時間等特點。

由于磁路與霍爾器件的輸出具有良好的線性關(guān)系，因此霍爾器件輸出的電壓訊號U0可以間接反映出被測電流I1的大小，即：I1∝B1∝U0

我們把U0定標(biāo)為當(dāng)被測電流I1為額定值時，U0等于50mV或100mV。這就制成霍爾直接檢測（無放大）電流傳感器。

電池容量計電流取樣

電流取樣的目的是將電流信號變?yōu)殡妷盒盘?，一般有三種方式：

（1）取樣電阻；

（2）分流器；

（3）霍爾器件（包括互感器類）。

從電動車電池使用來看，電流較大，顯然使用取樣電阻并不合適，而分流器又太重且體積也較大，不太適用，故霍爾器件較為適用。其優(yōu)點是線性程度優(yōu)于 0.1%，適于范圍較大的跟蹤，動態(tài)性能好，響應(yīng)時間小于1μs，這樣可即時跟蹤汽車起動的瞬時電流。另外，其尺寸小，重量輕適于在汽車上安裝。它的缺點是價格稍貴，但對于汽車上使用的電池價格來講完全可以忽略。由于選用可以購買到的成熟產(chǎn)品，電路較簡單不再列出。

電池容量計絕對值放大器

由于充放電電流方向不同，采用絕對值放大器，它將霍爾器件輸出的正負(fù)信號統(tǒng)一放大為正信號，然后送往壓頻轉(zhuǎn)換器。

絕對值放大器的設(shè)計方法較多，從電源上來看，有單電源、雙電源兩種方式，采用的運放個數(shù)有一個和多個。本機(jī)由于采用霍爾器件且為雙向電流，故單電源沒有優(yōu)點，而單運放的放大器，電阻取值太多，精度要求高，并且對負(fù)載亦應(yīng)考慮，不太適用。

本機(jī)采用由二運放構(gòu)成的絕對值放大器，選用低失調(diào)、低漂移的運算放大器0P－07，精度高且性能不受負(fù)載影響，這里苛求絕對值放大器的精度，不是為系統(tǒng)精度作貢獻(xiàn)，而是從另外一點考慮的。這就是前面提到的，就電池容量計而言，對電池監(jiān)測的最好辦法應(yīng)是同電池一體，始終監(jiān)視電池狀況。而這就要求電池沒有充放電流時，放大器的輸出為零，否則經(jīng)過長期擱置后，容量計由于放大器誤差的關(guān)系指示充滿或放光，產(chǎn)生誤判。以高精度、低失調(diào)、低漂移設(shè)計完成后的樣機(jī)，滿度誤差為1mv，零度誤差小于1mv。參見圖2。

圖2絕對值放大器原理圖

電池容量計壓頻轉(zhuǎn)換器

壓頻轉(zhuǎn)換器是電池容量計的核心部分，負(fù)責(zé)將放大的信號轉(zhuǎn)換為頻率信號，它的線性度和精度直接影響到整機(jī)。實現(xiàn)壓頻轉(zhuǎn)換的方法也有很多種。從形式上看，有分立元件和專用集成芯片兩種形式，一般的分立元件精度、體積、調(diào)整復(fù)雜程度均高于集成芯片，但其價格較低，而專用芯片在線性度、電壓穩(wěn)定度、精度等指標(biāo)相對可接受的價格而言有所降低。我們考慮到體積和充放電全程跟蹤及性能價格比的問題，選擇了VFC32為電壓頻率轉(zhuǎn)換器件，該器件較好的線性度為全程跟蹤精度提供了保證，并以較少的元件使體積縮小，電路原理見圖3。

圖3壓頻轉(zhuǎn)換器原理圖

電池容量計可逆計數(shù)器

計數(shù)器部分全部采用CMOS電路，一是功耗低，這對依靠電池本身供電顯得極為重要；二是其電平與運放電平匹配，并使顯示范圍增大。見圖4。

圖4可逆計數(shù)器原理圖

采用了14級脈沖進(jìn)位二進(jìn)制計數(shù)器4020一片，4位可逆二進(jìn)制計數(shù)器4516二片，構(gòu)成21級計數(shù)器。其中高7位計數(shù)器數(shù)值有效作為計數(shù)值并輸出，而低14位則僅用來計數(shù)并不用作輸出，且4020是單向計數(shù)，無減法功能。

此種設(shè)計有兩大優(yōu)點：

（1）4020是高集成度的計數(shù)器，可代替3片半4516來使用，這樣大大縮小了體積。

（2）當(dāng)作加法時，4020可精確到最低位；作減法時，誤差為低十四位，但這個十四位也是一次性的最大誤差，無累加性，因為電路上采用了異步、同步計數(shù)混用的方法。當(dāng)減去14個數(shù)（雖然4020是加），4020輸出異步脈沖4516減"1"，如同作真正減法一樣，而4020的數(shù)值是不能輸出的，這使得結(jié)果十分精確。

電池容量計控制電路

該部分包含有預(yù)置電路、防溢出電路、計數(shù)方向控制電路。

本樣機(jī)為適用范圍寬，在計數(shù)器的預(yù)置和控制電路上均增加了撥動開關(guān)，這樣可以通過撥動開關(guān)設(shè)置計數(shù)部分初值和終值，可達(dá)到檢測使用已知電池電容的目的，比較方便。

同時為防計數(shù)器雙向溢出，分別設(shè)置防溢出電路，使計數(shù)器計到零和滿值時均不再計數(shù)，以防錯誤。

通過對電流流向的比對，輸出脈沖控制可逆計數(shù)器的計數(shù)，構(gòu)成方向控制電路。

電池容量計顯示

顯示有數(shù)字式、指針式兩種方式。為保證直觀的顯示，同時盡可能沿用普通汽車的儀表，仍采用汽車上原有指示電池電壓的電壓表。而在電壓表上設(shè)置一個開關(guān)，通過它來切換電壓、容量的指示，這樣較為方便。

這需要將計數(shù)器的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為電壓。顯然用D/A轉(zhuǎn)換是可以的，但電路復(fù)雜程度上升，成本也有所提高。故為了簡化電路我們僅借用D/A轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的思想，利用權(quán)電阻T形網(wǎng)絡(luò)將4516的7位數(shù)值變換成模擬量輸出，推動電壓表指示，見圖5。

圖5顯示電路原理圖

電池容量計工作電源部分

電池容量計不同于其它儀器的是它只能使用電池作為電源，而由于電池電壓的變化及波動，直接使用顯然是不合適的，為此必須由電池引出產(chǎn)生二次電源。

首先霍爾器件需電源±12V，電路控制計數(shù)等部分也亦借用±12V，另外我們考慮到為了使容量指示更直觀清晰，其最大電壓范圍應(yīng)大些，同時也能充分利用其電壓表有效指示。其電壓表范圍為40V，而電池電壓最高為30V，故設(shè)定容量指示最大指示為28V，這就需要電源電壓為30V。

由于電池起動時有大電流放電，使電壓波動十分厲害，約15～30V，為適應(yīng)其變化，同時減小容量計自身功耗，提高效率，設(shè)計全部采用開關(guān)電源。

首先 12V的獲得是采用LM2575降壓調(diào)整器，該芯片輸入電壓可達(dá)40V，固定振蕩頻率52kHz，電壓、電流調(diào)整率較好，適應(yīng)容量計的要求。

－12V是利用 12V為輸入，通過34063DC/DC變換器加以變換而成。這樣損失了部分功率。我們原設(shè)計用M2575HV（輸入電壓60V）由電池電壓直接引入，但由于60V的LM2575HV未能買到，只得作罷。將來如有批量，可定貨。好在－12V功率有限，損失較小?！?0V一組電源，其電壓高，電流小，如采用普通DC變換器如2575或其他器件，體積過大，且磁心元件等都大為浪費，得不償失。故我們在設(shè)計中一直在尋找簡潔的方法，最后經(jīng)試驗決定利用555振蕩器升壓并采用倍壓整流的方法將12V提升至30V，效果極好，見圖6。