霍尔效应在传感器上的各种应用解析

霍尔效应

1879年，埃德温•霍尔发现，当在磁场中引入一个电流方向与磁场垂直的导体或半导体时，可以在与电流路径成直角的方向测量到电压。现已证实，霍尔效应是电子等带电粒子在电场和磁场下相互作用的结果。

霍尔效应应用在传感器上的表现为：

如果导体上存在恒定电流则可以测量电压差，或者如果导体上存在恒定电压则可以测量电流差。电压差与磁场强度成正比。这说明霍尔效应的应用方式可以分为两种，尽管这两种方式的基础效应是相同的。

相对于背景噪声，因场变化而导致的信号电平很小（范围为 μV 级），因此要想利用信号电平，必须采用相当复杂的信号路径。

这并非是在贬低埃德温•霍尔的发现，但霍尔效应实际上是对洛伦兹力应用的延伸，洛伦兹力描述了电磁场变化引起的点电荷上的电磁力之间的相互作用。

简单来说，关于霍尔效应，洛伦兹力描述了磁场对带电粒子的影响，特别是带电粒子在穿过暴露在磁场中的导体时将被迫运动的方向。这种物理运动导体截面的电荷变多或变少，从而产生称为霍尔电压的电位差。

01 霍尔效应电流检测

霍尔效应依赖于磁场，因此可以作为一种非接触技术以非侵入式的方式进行应用。而最常见的电流检测方式则与之不同，常见的电流检测方式使用一个低值电阻作为分流器以测量通过该电阻的电压差。利用霍尔效应进行电流测量在大功率应用中具有天然的优势，因为它不依赖地电位作为参考。

使用传统的霍尔效应电流传感器 IC 时，需要将传感器 IC 垂直于磁场放置，并使用一个集磁点（通常是一个环形或方形的铁磁芯），将其放置在承载待测电流的导体周围。传感器 IC 通常被固定在铁磁芯两端之间形成的一个小气隙中。

使用 IMC-Hall® 电流传感器 IC 时，传感元件应平行于电流放置，不需要配备铁磁芯，但是可能需要屏蔽罩来抗串扰。只需将传感器 IC 放置在电流母线或PCB板布线的上方即可测量其中的电流。这类传感器 IC 采用了集磁点 IMC-Hall® 技术，Melexis 开发的集磁点 （IMC） 技术详见下文。

从根本上说，基于霍尔效应可以检测电流产生的磁场，而不是检测电流本身。

02 霍尔效应位置检测

同样的原理还可用来检测磁场是否存在或正在接近的磁场。将磁铁放置在传感器 IC 上方时，磁铁运动产生的霍尔电压可以被有效地检测、放大和处理。因此可以利用霍尔效应检测物体相对于传感器 IC 的位置甚至方向。

在简单的应用场景中（例如当笔记本电脑打开或关闭时），其运用方式可能相对简单，而在检测线性运动或旋转（例如可移动对象的位置变化）时，其运用方式可能更为复杂。与霍尔效应的电流检测相比，霍尔效应的位置检测其应用范围要广泛得多。

03 集磁点 （IMC）

因为霍尔效应的工作原理，大多数霍尔效应传感器 IC 的缺点之一是用于感测场的霍尔板仅限于 1 个轴。

Melexis 开发的集磁点 （IMC） 有效解决了这个问题，使霍尔效应的应用更加灵活。IMC 使霍尔效应传感器 IC 可以在同一平面内同时检测 X、Y 和 Z 三个轴的磁场，带来多种应用优势，包括使传感器 IC 取向更加灵活。

04 霍尔效应传感IC在汽车中的应用

IMC 技术的引入意味着霍尔效应可以应用于汽车行业的许多领域。通过三维操作，霍尔效应传感器 IC 可用于检测踏板的位置、转向柱的旋转和制动杆的状态以及电动座椅的位置。

霍尔效应传感器 IC 还应用于发动机罩下，以监测泵和电机等运动部件，还可以测量动力总成带电部件（如逆变器、蓄电池监测系统 （BMS） 或车载充电器 （OBC））所消耗的电流。

本期结论

1 总的来说，霍尔效应现象可以通过多种方式加以利用，如电流检测和位置检测。

2 尽管面临着诸如低信噪比或杂散场影响等巨大挑战，电子工业已经成功地开发出基于霍尔效应的稳健、精确的传感解决方案。

3 除了 Melexis IMC-Hall® 等专有技术，再加上强大的模拟前端和数字信号路径的辅助，使霍尔效应可以应用于电流检测和位置检测，甚至在汽车行业等苛刻环境下也可应用。
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