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如何使用垂直霍尔技术对速度和方向的测量
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霍尔器件
霍尔器件通过检测磁场变化，转变为电信号输出，可用于在汽车等应用中监测位置、位移、角度、角速度、转速等运行参数的变化。随着对于能效的要求越来越高，需要对这些参数进行更精准地测量。Allegro公司的A1262 2D 双通道霍尔效应传感器 IC 采用 5 引脚 SOT23W 表面安装型封装，或者4 引脚 SIP 通孔封装，可在传统平面磁场方向以及垂直磁场方向运行（见图1），中心位置平面和垂直霍尔
元件
的双重操作有下述优势：
回帖
（1）
张建军
2020-5-15 15:20:08
正交
输出间固有的 90° 相差使正交磁极距和气隙独立 较小的封装尺寸降低了PCB 尺寸以及有效总气隙 (TEAG) X-Z 选项提供更小的有效总气隙 (TEAG) 尺寸感应 机械设计灵活性，可根据可用性和 / 或成本自由选择环形磁体 由于使用 SMT 器件可实现面内传感，通孔器件有可能被替代。
图 1：A1262LLH X/Y 和 Z 轴的 2D 传感方向（只限 X-Z 轴或 Y-Z 轴，取决于
所选零件号）
两种可用选项可通过在 Y-Z 轴或 X-Z 轴传感，赋予系统设计更高灵活性。相较磁体，这赋予了传感器 IC 在不同方向的安装灵活性，其安装的载体 PCB 也因此获得了相同的优势。A1262 是A1230 和 A3425等前代器的替换解决方案，前代器件的 1D（双平面）设计需对环磁极间距进行优化，且只提供一个传感方向。但是，A1262 无需优化环磁体，并可以配置为四个不同的传感方向（见传感配置部分）。此外，A1262 采用更小型 (SOT23W) 封装。2D A1262 与双平面 A1230 及 A3425 的对比请详见表 1。
表 1：2D 与 1D （双平面）对比
特性
器件
A1262
A1230
A3425
霍尔元件间距
不适用
1.0 mm
1.0 mm
固有的正交输出
是
否
否
传感配置
4
1
1
可用封装
LH (SOT23W)、K (SIP)
L (SOIC)、K (SIP)
L (SOIC)、K (SIP)
BOP / BRP （最大值）
±40 G
±30 G
±30 G
输出极性，B > BOP
低
低
低
垂直霍尔元件和平面霍尔元件
IC 设计与制造技术的改进使垂直霍尔元件与 平面型元件具有类似的灵敏度。平面霍尔元件只对于垂直 IC 平面的磁场具有灵敏度，垂直霍尔元件也遵循相同的原理。由于Z 轴灵敏度不受传感器 IC 方向或转动的影响，因此，使用只含一个平面霍尔元件的表面贴装器件无法实现面内传感。
平面霍尔元件按晶片（面内）长度和宽度制造，如图 2 所示。垂直霍尔元件从顶部至底部根据芯片深度制造，如图 3 所示。通过旋转 IC，或改变晶片上垂直霍尔感应元件方向，传感器 IC 就可分辨磁场方向和振幅，在多个空间维度真正传感。A1262中，X 轴和 Y 轴为垂直霍尔传感轴，Z 轴为平面霍尔传感轴（见图 4）。
A1262 有两种不同的传感配置可选为排序选项。区别在于垂直霍尔元件朝向不同。X-Z 选项中，X 轴方向的垂直霍尔元件与 Z 轴的平面霍尔元件协同工作。Y-Z 选项中，垂直霍尔元件需旋转以达到 Y 轴灵敏度。这就使得用户可根据环形磁体选择如何定位传感器 IC。该内容会在传感配置部分作进一步解释。
图 2：平面霍尔元件
图 3：垂直霍尔元件
图 4：感应轴
传感配置
A1262 可提供环磁体独立正交输出的双通道传感。其采用两种不同的 2D 传感轴配置选项，X-Z 轴和 Y-Z 轴。同时使用垂直霍尔元件和平面霍尔元件以生成正交双重输出，类似于使用双平面传感器 IC，如A1230 或 A3425（但是，双平面型传感器只有一个敏感度配置）。定位在环形磁体正面的平面霍尔元件可感应磁极，而垂直霍尔元件可感应磁极间转换（如图 12 所示）。
X-Z 配置（图 5）中，安置霍尔元件用于检测平行于封装面的磁场，横跨 / 垂直于无引线侧（X 轴）和垂直于封装面（Z 轴）的磁场，如图 2 所示。配置垂直霍尔以感应磁极（正面）。
在需要 IC 面向位于磁体正面的垂直元件的应用中（参见图 7），由于传感器 IC 在无引线侧敏感，IC 可安置于近目标处（相对于 Y-Z 组合）。
图 5：A1262LLH-X 传感使用 X 方向垂直霍尔元件与 Z 平面霍尔元件协同工作。
Z 轴平面霍尔（红色显示）正面可使用（A 图）。
X 轴垂直霍尔（绿色显示）正面可使用（B 图）。
Y-Z 配置（图 6）中，安置霍尔元件用于检测平行于跨引线侧（Y 轴）封装面的磁场和垂直于封装面（Z 轴）的磁场。配置垂直霍尔以感应磁极（正面）。传统双通道器件，如 A1230 和 A3425，采用图 6 中任何配置（A 或 B）都无法感应环形磁体。
图 6：A1262LLH 感应使用 Y 方向垂直霍尔元件与 Z 平面霍尔元件协同工作。
Z 轴平面霍尔（红色显示）正面可使用（A 图）。
Y 轴垂直霍尔（蓝色显示）正面可使用（B 图）。
小气隙性能
已有的 X-Z 选项可使磁体传感器采用极小气隙安置，用于需要 PCB 垂直于环磁体的应用。这是由于感应边缘为无引线侧。
图 7 说明了无引线侧传感的优势。无引线侧传感使 IC 无需容纳器件引线和相关的 PCB 焊盘和走线，就可安置于 PCB 边缘。这造成了有效总气隙 (TEAG) 明显减小。Y-Z 选项中，传感器必须位于 PCB 下一层内板。
图 7：X-Z（A 图）与 Y-Z（B 图）配置的有效总气隙优势。
双输出
A1262 是双输出传感器，其输出时采用垂直霍尔元件（X 或 Y）和平面霍尔元件 (Z)，位于两处独立输出引脚（分别是 OUTPUTA 和 OUTPUTB）。这是用过信道的时分多路复用实现的。参阅图 8 方框图。各信道每隔约 16 μs（典型值）采样，以便信道趋稳，因此两个信道大约每 32 μs 可进行更新。参阅图 9。
A1262 采样率采用相对较快的时分多路复用，可承受高磁输入频率，可适用于大多数应用。请联系您的 Allegro 代理获取更多有关高频应用适应性的信息。
图 8：A1262 结构框图
图 9：时分多路复用的耗时。
各输出更新前信道趋稳时间。
固有正交
平面元件和垂直元件本质上位置相同，这种传感技术减少了环磁体为实现正交（输出信道间 90° 相差）的目标优化需求。
双平面传感器 IC 只含两个正交信道，而环磁体极对间距是霍尔元件间距的 4 倍。
图 10：小间距环形磁体的正交
据上方图 10 显示，环形磁体为适应双平面传感器 IC，对磁极距尺寸优化后，造成输出信号产生 90° 相差。而下方图 11 中显示了磁极距明显较大的环形磁体。较大的磁极距无法起到优化并适应双平面传感器 IC 的霍尔元件间距的作用，而是产生明显较小的输出信号相差。由于 2D 传感器 IC 不受磁极距影响，输出信号仍保持正交（90° 相差）。图 12 显示了 2D 传感器阵列如何实现不受磁铁尺寸影响的正交传感。
图 11：大间距环形磁体的正交
图 12：垂直输入信号和平面输入信号的（磁通密度）与环磁体位置
IC 位于南磁极。该处的垂直磁通在 Z 轴，只通过平面霍尔元件，而 X 轴处无垂直磁通。因此，各输出信道将输出与垂直磁通成正比的电压。Z 信道将输出正电压，而 X 信道为零伏特。 IC 位于南 - 北磁极转变处。现在的 Z 信道输出为零，而 X 信道输出正电压。 IC 位于北磁极，造成 Z 信道输出负电压，而 X 信道重回零电压。 IC 位于北 - 南磁极转变处。Z 信道输出重新归零，而 X 信道输出负电压。
相差
无论磁极距为多少，A1262 固有相差为 90°。但是，机械位置可影响相差。
如图 13 所示，传感器 IC 与旋转轴不对齐时（切向偏移），相差相较 90° 会偏离几度。相差转变的幅度取决于的机械偏移量。该示例中，由于偏移量较大、环形磁体直径小，影响被放大了。
图 13：相差随切向偏移变化
结论
A1262 包含新型垂直霍尔传感技术，为转动环形磁体和电机的应用提供理想解决方案。相比现有的双通道霍尔锁存器 IC，采用 A1262 进行设计就容易得多，整体系统配置和机械封装的限制更少、选择更多。二维双通道磁感应器 IC 提供绝无仅有的灵活性，减少了环形磁体目标输出正交的优化需求，同时，可选择两种不同的垂直感应轴，为 IC 和 PCB 安装提供更多选择。
设计者可在四种传感方向中任意选择，也可在表面贴装 (LH) 或通孔封装 (K) 之间选择。 无论环磁体如何设计，2D 传感提供固有的输出信号正交，可选择使用其他应用中现有的环磁体，或选择现成的环磁体。 与旧式双通道器件（包括采用 SOT 封装的器件）相比，X-Z 选项提供的是改进版 TEAG。 相较使用通孔 (SIP) 封装传感器的旧式器件，表面贴装器件面内传感功能的使用造就了更加小巧的设计、更轻质的系统和更精简的装配步骤。
作者 Allegro MicroSystems, LLC 公司：Marvin Ng
正交
输出间固有的 90° 相差使正交磁极距和气隙独立 较小的封装尺寸降低了PCB 尺寸以及有效总气隙 (TEAG) X-Z 选项提供更小的有效总气隙 (TEAG) 尺寸感应 机械设计灵活性，可根据可用性和 / 或成本自由选择环形磁体 由于使用 SMT 器件可实现面内传感，通孔器件有可能被替代。
图 1：A1262LLH X/Y 和 Z 轴的 2D 传感方向（只限 X-Z 轴或 Y-Z 轴，取决于
所选零件号）
两种可用选项可通过在 Y-Z 轴或 X-Z 轴传感，赋予系统设计更高灵活性。相较磁体，这赋予了传感器 IC 在不同方向的安装灵活性，其安装的载体 PCB 也因此获得了相同的优势。A1262 是A1230 和 A3425等前代器的替换解决方案，前代器件的 1D（双平面）设计需对环磁极间距进行优化，且只提供一个传感方向。但是，A1262 无需优化环磁体，并可以配置为四个不同的传感方向（见传感配置部分）。此外，A1262 采用更小型 (SOT23W) 封装。2D A1262 与双平面 A1230 及 A3425 的对比请详见表 1。
表 1：2D 与 1D （双平面）对比
特性
器件
A1262
A1230
A3425
霍尔元件间距
不适用
1.0 mm
1.0 mm
固有的正交输出
是
否
否
传感配置
4
1
1
可用封装
LH (SOT23W)、K (SIP)
L (SOIC)、K (SIP)
L (SOIC)、K (SIP)
BOP / BRP （最大值）
±40 G
±30 G
±30 G
输出极性，B > BOP
低
低
低
垂直霍尔元件和平面霍尔元件
IC 设计与制造技术的改进使垂直霍尔元件与 平面型元件具有类似的灵敏度。平面霍尔元件只对于垂直 IC 平面的磁场具有灵敏度，垂直霍尔元件也遵循相同的原理。由于Z 轴灵敏度不受传感器 IC 方向或转动的影响，因此，使用只含一个平面霍尔元件的表面贴装器件无法实现面内传感。
平面霍尔元件按晶片（面内）长度和宽度制造，如图 2 所示。垂直霍尔元件从顶部至底部根据芯片深度制造，如图 3 所示。通过旋转 IC，或改变晶片上垂直霍尔感应元件方向，传感器 IC 就可分辨磁场方向和振幅，在多个空间维度真正传感。A1262中，X 轴和 Y 轴为垂直霍尔传感轴，Z 轴为平面霍尔传感轴（见图 4）。
A1262 有两种不同的传感配置可选为排序选项。区别在于垂直霍尔元件朝向不同。X-Z 选项中，X 轴方向的垂直霍尔元件与 Z 轴的平面霍尔元件协同工作。Y-Z 选项中，垂直霍尔元件需旋转以达到 Y 轴灵敏度。这就使得用户可根据环形磁体选择如何定位传感器 IC。该内容会在传感配置部分作进一步解释。
图 2：平面霍尔元件
图 3：垂直霍尔元件
图 4：感应轴
传感配置
A1262 可提供环磁体独立正交输出的双通道传感。其采用两种不同的 2D 传感轴配置选项，X-Z 轴和 Y-Z 轴。同时使用垂直霍尔元件和平面霍尔元件以生成正交双重输出，类似于使用双平面传感器 IC，如A1230 或 A3425（但是，双平面型传感器只有一个敏感度配置）。定位在环形磁体正面的平面霍尔元件可感应磁极，而垂直霍尔元件可感应磁极间转换（如图 12 所示）。
X-Z 配置（图 5）中，安置霍尔元件用于检测平行于封装面的磁场，横跨 / 垂直于无引线侧（X 轴）和垂直于封装面（Z 轴）的磁场，如图 2 所示。配置垂直霍尔以感应磁极（正面）。
在需要 IC 面向位于磁体正面的垂直元件的应用中（参见图 7），由于传感器 IC 在无引线侧敏感，IC 可安置于近目标处（相对于 Y-Z 组合）。
图 5：A1262LLH-X 传感使用 X 方向垂直霍尔元件与 Z 平面霍尔元件协同工作。
Z 轴平面霍尔（红色显示）正面可使用（A 图）。
X 轴垂直霍尔（绿色显示）正面可使用（B 图）。
Y-Z 配置（图 6）中，安置霍尔元件用于检测平行于跨引线侧（Y 轴）封装面的磁场和垂直于封装面（Z 轴）的磁场。配置垂直霍尔以感应磁极（正面）。传统双通道器件，如 A1230 和 A3425，采用图 6 中任何配置（A 或 B）都无法感应环形磁体。
图 6：A1262LLH 感应使用 Y 方向垂直霍尔元件与 Z 平面霍尔元件协同工作。
Z 轴平面霍尔（红色显示）正面可使用（A 图）。
Y 轴垂直霍尔（蓝色显示）正面可使用（B 图）。
小气隙性能
已有的 X-Z 选项可使磁体传感器采用极小气隙安置，用于需要 PCB 垂直于环磁体的应用。这是由于感应边缘为无引线侧。
图 7 说明了无引线侧传感的优势。无引线侧传感使 IC 无需容纳器件引线和相关的 PCB 焊盘和走线，就可安置于 PCB 边缘。这造成了有效总气隙 (TEAG) 明显减小。Y-Z 选项中，传感器必须位于 PCB 下一层内板。
图 7：X-Z（A 图）与 Y-Z（B 图）配置的有效总气隙优势。
双输出
A1262 是双输出传感器，其输出时采用垂直霍尔元件（X 或 Y）和平面霍尔元件 (Z)，位于两处独立输出引脚（分别是 OUTPUTA 和 OUTPUTB）。这是用过信道的时分多路复用实现的。参阅图 8 方框图。各信道每隔约 16 μs（典型值）采样，以便信道趋稳，因此两个信道大约每 32 μs 可进行更新。参阅图 9。
A1262 采样率采用相对较快的时分多路复用，可承受高磁输入频率，可适用于大多数应用。请联系您的 Allegro 代理获取更多有关高频应用适应性的信息。
图 8：A1262 结构框图
图 9：时分多路复用的耗时。
各输出更新前信道趋稳时间。
固有正交
平面元件和垂直元件本质上位置相同，这种传感技术减少了环磁体为实现正交（输出信道间 90° 相差）的目标优化需求。
双平面传感器 IC 只含两个正交信道，而环磁体极对间距是霍尔元件间距的 4 倍。
图 10：小间距环形磁体的正交
据上方图 10 显示，环形磁体为适应双平面传感器 IC，对磁极距尺寸优化后，造成输出信号产生 90° 相差。而下方图 11 中显示了磁极距明显较大的环形磁体。较大的磁极距无法起到优化并适应双平面传感器 IC 的霍尔元件间距的作用，而是产生明显较小的输出信号相差。由于 2D 传感器 IC 不受磁极距影响，输出信号仍保持正交（90° 相差）。图 12 显示了 2D 传感器阵列如何实现不受磁铁尺寸影响的正交传感。
图 11：大间距环形磁体的正交
图 12：垂直输入信号和平面输入信号的（磁通密度）与环磁体位置
IC 位于南磁极。该处的垂直磁通在 Z 轴，只通过平面霍尔元件，而 X 轴处无垂直磁通。因此，各输出信道将输出与垂直磁通成正比的电压。Z 信道将输出正电压，而 X 信道为零伏特。 IC 位于南 - 北磁极转变处。现在的 Z 信道输出为零，而 X 信道输出正电压。 IC 位于北磁极，造成 Z 信道输出负电压，而 X 信道重回零电压。 IC 位于北 - 南磁极转变处。Z 信道输出重新归零，而 X 信道输出负电压。
相差
无论磁极距为多少，A1262 固有相差为 90°。但是，机械位置可影响相差。
如图 13 所示，传感器 IC 与旋转轴不对齐时（切向偏移），相差相较 90° 会偏离几度。相差转变的幅度取决于的机械偏移量。该示例中，由于偏移量较大、环形磁体直径小，影响被放大了。
图 13：相差随切向偏移变化
结论
A1262 包含新型垂直霍尔传感技术，为转动环形磁体和电机的应用提供理想解决方案。相比现有的双通道霍尔锁存器 IC，采用 A1262 进行设计就容易得多，整体系统配置和机械封装的限制更少、选择更多。二维双通道磁感应器 IC 提供绝无仅有的灵活性，减少了环形磁体目标输出正交的优化需求，同时，可选择两种不同的垂直感应轴，为 IC 和 PCB 安装提供更多选择。
设计者可在四种传感方向中任意选择，也可在表面贴装 (LH) 或通孔封装 (K) 之间选择。 无论环磁体如何设计，2D 传感提供固有的输出信号正交，可选择使用其他应用中现有的环磁体，或选择现成的环磁体。 与旧式双通道器件（包括采用 SOT 封装的器件）相比，X-Z 选项提供的是改进版 TEAG。 相较使用通孔 (SIP) 封装传感器的旧式器件，表面贴装器件面内传感功能的使用造就了更加小巧的设计、更轻质的系统和更精简的装配步骤。
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