霍爾器件

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?yàn)殡娮舆w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(jí)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(chǎng)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(gè)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)。

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(hào)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(shì)分布也不同?；魻栯姌O的焊點(diǎn)占一定面積，也影響電勢(shì)分布。為此引進(jìn)一個(gè)形狀因子K

UH=-KRHIxBz/d

實(shí)際上，用霍爾器件測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，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(chǎng)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(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的特點(diǎn)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(chǎng)強(qiáng)度和電流，測(cè)量霍爾電動(dòng)勢(shì)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(gè)重要參量。在不同溫度下測(cè)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(gè)重要方法。在給定的電流強(qiáng)度下，產(chǎn)生的霍爾電動(dòng)勢(shì)與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。可以利用這一原理來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度。

如果磁場(chǎng)由電磁鐵產(chǎn)生（圖3）,磁場(chǎng)強(qiáng)度與電流強(qiáng)度IB成比例,在磁場(chǎng)中的霍爾器件產(chǎn)生的霍爾電壓與兩個(gè)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(yùn)算外，還可以用作調(diào)制器、除法器、功率計(jì)等。

圖4是利用霍爾器件測(cè)量幾千安培以上的大電流的方法。圖4中1是通過(guò)大電流導(dǎo)體的截面，2是兩塊磁性材料,在兩個(gè)空氣隙中放有霍爾器件3。用霍爾器件測(cè)量磁性材料中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。此法特別適用于測(cè)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(gè)物體上，則可測(cè)量?jī)蓚€(gè)物體的相對(duì)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(hào)沿單一方向傳輸，而不能沿相反的方向傳輸。

許多人都知道，轎車(chē)的自動(dòng)化程度越高，微電子電路越多，就越怕電磁干擾。而在汽車(chē)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(kāi)關(guān)時(shí)會(huì)產(chǎn)生浪涌電流，使機(jī)械式開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)產(chǎn)生電弧，產(chǎn)生較大的電磁干擾信號(hào)。采用功率霍爾開(kāi)關(guān)電路可以減小這些現(xiàn)象。 霍爾器件通過(guò)檢測(cè)磁場(chǎng)變化，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出，可用于監(jiān)視和測(cè)量汽車(chē)各部件運(yùn)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(cè)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)?；魻柶骷伎沙惺芤欢ǖ恼駝?dòng)，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(chē)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(chǎng)為工作媒體，將物體的運(yùn)動(dòng)參量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電壓的形式輸出，使之具備傳感和開(kāi)關(guān)的功能。 迄今為止，已在現(xiàn)代汽車(chē)上廣泛應(yīng)用的霍爾器件有：在分電器上作信號(hào)傳感器、ABS系統(tǒng)中的速度傳感器、汽車(chē)速度表和里程表、液體物理量檢測(cè)器、各種用電負(fù)載的電流檢測(cè)及工作狀態(tài)診斷、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及曲軸角度傳感器、各種開(kāi)關(guān)，等等。 例如汽車(chē)點(diǎn)火系統(tǒng)，設(shè)計(jì)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(diǎn)火脈沖發(fā)生器。這種霍爾式點(diǎn)火脈沖發(fā)生器隨著轉(zhuǎn)速變化的磁場(chǎng)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(jí)電流。相對(duì)于機(jī)械斷電器而言，霍爾式點(diǎn)火脈沖發(fā)生器無(wú)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(diǎn)火正時(shí)，能夠較大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。 用作汽車(chē)開(kāi)關(guān)電路上的功率霍爾電路，具有抑制電磁干擾的作用。

在電極1，2間加恒定電壓Ui,霍爾電動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式可變換成

UH=(UiμB)(Kw/l)

式中 Ui為兩個(gè)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(zhǎng)度。恒定電壓下電極3和4之間的電壓也與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。

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

霍爾器件是一種磁傳感器，用它們可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化，可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用。霍爾器件以霍爾效應(yīng)為其工作基礎(chǔ)。

高斯計(jì)WT10A采用紫銅封裝探頭，更加堅(jiān)固耐用，延長(zhǎng)高斯計(jì)的使用時(shí)間等特點(diǎn)。

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(hào)U0可以間接反映出被測(cè)電流I1的大小，即：I1∝B1∝U0

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

電池容量計(jì)電流取樣

電流取樣的目的是將電流信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，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(dòng)車(chē)電池使用來(lái)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(diǎn)是線性程度優(yōu)于 0.1%，適于范圍較大的跟蹤，動(dòng)態(tài)性能好，響應(yīng)時(shí)間小于1μs，這樣可即時(shí)跟蹤汽車(chē)起動(dòng)的瞬時(shí)電流。另外，其尺寸小，重量輕適于在汽車(chē)上安裝。它的缺點(diǎn)是價(jià)格稍貴，但對(duì)于汽車(chē)上使用的電池價(jià)格來(lái)講完全可以忽略。由于選用可以購(gòu)買(mǎi)到的成熟產(chǎn)品，電路較簡(jiǎn)單不再列出。

電池容量計(jì)絕對(duì)值放大器

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

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

本機(jī)采用由二運(yùn)放構(gòu)成的絕對(duì)值放大器，選用低失調(diào)、低漂移的運(yùn)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(duì)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(diǎn)考慮的。這就是前面提到的，就電池容量計(jì)而言，對(duì)電池監(jiān)測(cè)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(méi)有充放電流時(shí)，放大器的輸出為零，否則經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期擱置后，容量計(jì)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(jì)完成后的樣機(jī)，滿度誤差為1mv，零度誤差小于1mv。參見(jiàn)圖2。

圖2絕對(duì)值放大器原理圖

電池容量計(jì)壓頻轉(zhuǎn)換器

壓頻轉(zhuǎn)換器是電池容量計(jì)的核心部分，負(fù)責(zé)將放大的信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，它的線性度和精度直接影響到整機(jī)。實(shí)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(jià)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(duì)可接受的價(jià)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(jià)格比的問(wèn)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(jiàn)圖3。

圖3壓頻轉(zhuǎn)換器原理圖

電池容量計(jì)可逆計(jì)數(shù)器

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

圖4可逆計(jì)數(shù)器原理圖

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

此種設(shè)計(jì)有兩大優(yōu)點(diǎn)：

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

（2）當(dāng)作加法時(shí)，4020可精確到最低位；作減法時(shí)，誤差為低十四位，但這個(gè)十四位也是一次性的最大誤差，無(wú)累加性，因?yàn)殡娐飞喜捎昧水惒?、同步?jì)數(shù)混用的方法。當(dāng)減去14個(gè)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(jì)控制電路

該部分包含有預(yù)置電路、防溢出電路、計(jì)數(shù)方向控制電路。

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

同時(shí)為防計(jì)數(shù)器雙向溢出，分別設(shè)置防溢出電路，使計(jì)數(shù)器計(jì)到零和滿值時(shí)均不再計(jì)數(shù)，以防錯(cuò)誤。

通過(guò)對(duì)電流流向的比對(duì)，輸出脈沖控制可逆計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)，構(gòu)成方向控制電路。

電池容量計(jì)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(shí)盡可能沿用普通汽車(chē)的儀表，仍采用汽車(chē)上原有指示電池電壓的電壓表。而在電壓表上設(shè)置一個(gè)開(kāi)關(guān)，通過(guò)它來(lái)切換電壓、容量的指示，這樣較為方便。

這需要將計(jì)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(jiǎn)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(dòng)電壓表指示，見(jiàn)圖5。

圖5顯示電路原理圖

電池容量計(jì)工作電源部分

電池容量計(jì)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(dòng)，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(jì)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(shí)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(dòng)時(shí)有大電流放電，使電壓波動(dòng)十分厲害，約15～30V，為適應(yīng)其變化，同時(shí)減小容量計(jì)自身功耗，提高效率，設(shè)計(jì)全部采用開(kāi)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(jì)的要求。

－12V是利用 12V為輸入，通過(guò)34063DC/DC變換器加以變換而成。這樣損失了部分功率。我們?cè)O(shè)計(jì)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(mǎi)到，只得作罷。將來(lái)如有批量，可定貨。好在－12V功率有限，損失較小。　30V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(guò)大，且磁心元件等都大為浪費(fèi)，得不償失。故我們?cè)谠O(shè)計(jì)中一直在尋找簡(jiǎn)潔的方法，最后經(jīng)試驗(yàn)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(jiàn)圖6。