英飛凌科技在TLE 4921-3U上集成了兩個霍爾傳感器、一個差分放大器以及評估電路，該器件只評估場強(qiáng)差異值，而不是絕對的場強(qiáng)值，這意味著溫度漂移、制造容差和磁場環(huán)境等因素對測量結(jié)果的影響可以降到最低。如果采用一個帶外部電容的高帶通濾波器對測量信號進(jìn)行動態(tài)處理，將可進(jìn)一步減小干擾影響。
該器件目的是在惡劣的汽車環(huán)境中應(yīng)用。一個小的永久偏磁體需要用來感應(yīng)各種形狀的鐵磁齒輪，正確的切換能確保檢測出輪齒和齒隙之間的最小場強(qiáng)差異。對于一個470nF的濾波電容來說，典型的較低切換頻率大約為10Hz。TLE 4921-3U器件的封裝厚度為1毫米，只有四個引腳。
功能設(shè)計
當(dāng)該霍爾器件處在任何極性的恒定磁場中時，其上的兩個霍爾傳感器將產(chǎn)生同樣的輸出信號。無論該磁場的絕對強(qiáng)度有多大，它們之間的差值總為零。然而，由于一個單元面向磁場集中的輪齒，另一個單元則面向一個齒隙，如果兩個霍爾單元之間存在磁場梯度，那么將產(chǎn)生一個差值信號，并在芯片上放大。實際上，這個差值體現(xiàn)了一個小偏移，它可由相應(yīng)集成的控制機(jī)制來修正。這種動態(tài)差分原理使傳感器表面與齒輪之間存在較大氣隙的條件下能保持高靈敏度。
如圖1所示，一個施密特觸發(fā)器用來對該信號進(jìn)行數(shù)字化，一個開集電極輸出電路提供輸出信號。芯片上還集成了過壓保護(hù)、反極性保護(hù)和抗電磁干擾功能，因而可以應(yīng)用在汽車中常見的惡劣環(huán)境。
工作方法
對于差值信號的生成和評估，這里可以一個感應(yīng)鐵磁齒輪這樣的典型應(yīng)用來解釋。安裝在器件背面任何一端的一個永久磁體產(chǎn)生一個恒定的偏置磁場，器件內(nèi)的兩個霍爾傳感器相隔2.5毫米。如果一個傳感器暫時面對一個輪齒而另一個面對齒隙，那么該輪齒將作為一個磁通量聚集器，它通過該霍爾傳感器增加了磁通密度，由此產(chǎn)生一個差分信號。隨著齒輪的轉(zhuǎn)動，該差分信號的極性將改變，改變的速度同輪齒與齒隙之間變換的速度一樣。
當(dāng)過零點直接出現(xiàn)在該輪齒或齒隙的中心時，該輪齒的邊緣就會產(chǎn)生最大的差值。當(dāng)該差值超過上限閾值時，TLE 4921-3U的輸出晶體管將關(guān)斷。這就是圖2中靠近管腳4的霍爾傳感器2感應(yīng)到該輪齒的情況。隨著差值降到下限閾值，晶體管打開，這就是靠近管腳1的霍爾傳感器1感應(yīng)到輪齒。
其上集成的高通濾波器利用一個時間常數(shù)來調(diào)節(jié)該差值信號到零，該時間常數(shù)可由一個外部電容來設(shè)定。這種方式只對那些以最低速率變化的差值進(jìn)行評估(最低速率取決于電容值)。輸出信號在穩(wěn)態(tài)下沒有限定，它所達(dá)到的精度將允許存在小的切換磁滯和較大氣隙(最大3.5毫米)。
齒輪、感應(yīng)距離和角精度
一個齒輪可由其模數(shù)來表征：m=d/z。其中d是齒徑，z是輪齒數(shù)量。輪齒到輪齒的距離為T，齒距的計算公式為T=π×m。
當(dāng)一個霍爾傳感器面對一個輪齒而另一個霍爾傳感器面對一個齒隙時，感應(yīng)到的差值最大。該器件內(nèi)兩個霍爾傳感器的間隔為2.5毫米，在模數(shù)為1，對應(yīng)的齒距為3.14毫米的條件下，該器件都可以感應(yīng)到差值。如果該模數(shù)大于3或者齒輪不規(guī)則，將可能在一段較長時間內(nèi)檢測不到足夠的差值，這意味著輸出信號將不確定。
傳感器和齒輪之間允許的最大距離是溫度、模數(shù)、磁體和速度的一個函數(shù)，速度可以用每次輪齒/齒隙轉(zhuǎn)變時在輸出端出現(xiàn)一個脈沖來表征。
如果減小距離，將產(chǎn)生較大的有用信號。因此，切換精度可以隨傳感器低/高轉(zhuǎn)變次數(shù)的增加而增加，這種低/高轉(zhuǎn)變可以代表齒輪的一個旋轉(zhuǎn)角度。
