高度可靠的霍耳传感器接口集成方案说明

引言

霍耳效应的原理是磁场与导体中流过的电流相垂直时，流过电流的导体两侧会出现电势差。

霍耳效应传感器基于这一原理检测磁场的变化，输出与之成比例变化的电压，可以实现无接触检测，因此能够实现可靠的封装，不受环境因素的影响。

由于在恶劣环境中具有较高的可靠性，霍耳传感器被普遍用于工业和汽车领域，从车窗升降和天窗控制电机速度的调节到车门开／关检测及钥匙点火系统。

霍耳传感器的类型

目前有各种类型的霍耳传感器，例如3线和2线数字传感器、线性传感器、电流传感器以及双极性或单极性数字开关等。2线传感器有两个连接点：电源／输出和地，3线传感器的电源和输出采用单独的连接点。

2线霍耳数字开关通常用于汽车和工业领域，在这类应用中，抗噪声能力非常关键，要求霍耳传感器与相关电子器件之间的电气隔离。霍耳传感器工作时总会吸收一定的电流，这种电流模式信号抗噪声能力较强，有助于进行简单诊断。

这些传感器提供两种不同的电流电平，具体取决于是否有磁场。电流电平会因为不同的传感器厂商而有所差异，但低电平范围一般在5mA至8mA （没有磁场），高电平范围在11mA至14mA （有磁场）。

霍耳传感器接口

MAX9921是首款用于2线霍耳数字开关与微控制器接口的集成方案。它具有两个独立通道，为两个传感器提供电流通路，监测电流电平，每个通道通过开漏输出为微控制器产生一路数字输出，图1所示为器件结构图和典型应用电路。

图1． MAX9921结构图和典型应用电路

作为一款高靠性IC，MAX9921设计用于恶劣的工作环境，例如工业和汽车等应用。器件工作在6V至18V电池电压范围，可以承受最高60V的瞬变电压（抛负载）。霍耳输入端集成了对地短路保护、电源短路保护以及高达±15kV的静电放电（ESD）保护功能。内部输入保护电路省去了外部电路，从而降低成本和空间。

MAX9921的两个通道独立工作，器件对每路输入提供诊断和故障保护。诊断模式下，诊断输出结合两个独立通道输出，提供基本的诊断信息，监视传感器的工作状态。诊断功能包括：输入开路（没有接传感器）、输入短路至地、输入短路至电池电压（VBAT）以及VBAT超出范围等。诊断功能可以识别出两路输入中的哪一路受到以上故障的影响。集成的诊断输出电路无需固件执行这一功能，也不需要微控制器的模／数转换器（ADC）测量霍耳电流。

较高的地电位差承受能力可减少连线

虽然MAX9921是面向2线霍耳传感器应用设计，但该器件也可以用于实现霍耳传感器的单线接口。其高边电流检测拓扑使其能够承受较高的传感器与MAX9921和微控制器地之间的地电位差。较高的地电位差承受力可以避免使用地连接线（例如，汽车底盘的地连接线），支持霍耳传感器的单线接口。

图2所示电路用于测试MAX9921对地电位差的承受能力。电路没有使用霍耳传感器，而是使用了可编程负载，用于吸收电流，可以在较大范围内设置电流，精度达到所选满量程值的0．1％。试验中选择了10mA满量程值，精度达10μA。如图3所示，MAX9921带滞回的电流门限小于1mA，确保在恶劣环境或嘈杂环境下可靠工作。

图2． 测试MAX9921地电位差承受能力的电路

图3． MAX9921的电流阈值和滞回

在第一个试验中，流入可编程负载的电流置为9．05mA，比MAX9921输出从低电平（～0V）切换到高电平（～5V，上拉电阻接5V）的阈值低50μA。通过直流电压发生器（V），可编程负载地电位与MAX9921地电位的差。如表1所示，VBAT ＝ 12V，MAX9921的门限能够承受高达±8V的地电位差！

表1． 电流门限为9．05mA时可承受的地电位差

进行类似试验，测试8．2mA由高电平到低电平切换电流门限的可靠性。电流置为8．25mA，即使地电位相差±8V，MAX9921输出也不会发生翻转（表2）。

表2． 电流门限为8．2mA时可承受的地电位差

MAX9921的高边电流检测拓扑使该器件能够承受传感器与接口之间高达±8V的地电位差。这在霍耳传感器距离逻辑电路（MAX9921接口和微控制器）较远的应用中特别重要。在类似应用中，MAX9921可以省去器件本身与霍耳传感器之间的地连接线，从而节省了成本和空间。

结论

MAX9921较高的地电位差承受力、输入保护电路、高达60V的耐压以及诊断功能使得MAX9921成为汽车、工业等恶劣环境下霍耳传感器与微控制器接口的理想选择，提供完备、可靠的集成方案。

审核编辑：符乾江