Path: EDNTaiwan電子技術設計 >> 設計中心 >> 工業/軍事/航太 >> 垂直霍爾技術實現高效磁干擾檢測
工業/軍事/航太 Share print

垂直霍爾技術實現高效磁干擾檢測

2016年01月27日  | Joseph Hollins、Ryan Metivier/數位位置感測器 IC 系統工程師、產品經理

Share this page with your friends

許多機械和電子系統都面臨磁干擾的威脅。不法分子還可能攻擊已啟用的電子設備,如智慧電錶ATM 機、賭博機/遊戲機、自動售票機或電子鎖等等,意圖篡改或干擾它們,或竊取產品或服務。


本文著重介紹智慧電錶,但其中的原理也適用於其他系統。智慧電錶在全球範圍內得到廣泛應用,能更高效和更準確地顯示和監測用電資料。許多水錶、煤氣表和電錶內都含有智慧電子裝置,它們能自動收集和傳輸使用資料。根據《Navigant Research》的研究,到 2018 年,全球每年智慧電錶的配送量將達 1.31 億台。竊電行為是電力運營商和政府監管部門需要解決的首要問題。竊電者會使用磁鐵干擾智慧電錶,試圖使讀數歸零,或使用電量大幅減少。據估計,每年因干擾智慧電錶造成的竊電損失約有 900 億美元。


圖 1 典型的智慧電錶
圖 1 典型的智慧電錶

干擾電錶常用的一種方法是使用強磁鐵破壞電錶檢測耗電量的功能。這種磁鐵通常磁性很強,而且又大又沉。此類磁鐵既能從網上購買,也可從廢棄的電子產品和電腦(電子垃圾)中獲取。當這類磁鐵靠近電錶時,它們會使變流器(檢測通過電錶的電流)達到磁飽和狀態。磁芯飽和將導致電錶無法準確判斷通過的電流量。


對電錶製造商而言,雖然很難預防在使用電錶時出現的竊電行為,但它們完全能檢測干擾企圖,這樣就能及時採取應對措施,如派出工作人員或遠端禁用電錶。全球各地有許多機構正在制定智慧電錶的規範,包括電錶檢測干擾企圖的相關要求。


為確保有效運行,用於檢測干擾的磁感測器必須具有下列特徵:

  ● 高靈敏度

雖然在系統外部放置的磁鐵可能有很強的磁性,遠離磁鐵時,它的磁場強度會急劇減弱;感測器內部的磁場強度可能比磁鐵表面的磁場強度小得多;電錶內使用的特定元件可能使施加磁場扭曲,如果感測器的靈敏度不夠高,這會在感測器的檢測區產生「陰影」或「孔洞」。

  ● 較大的動態範圍

有些磁感應技術對磁場強度有上限要求。霍爾效應技術對施加磁場沒有上限要求。

  ● 全極靈敏度

企圖干擾電錶的壞人不會在意磁鐵的具體極性,他們會嘗試所有磁極,最後找到有效的磁極;所以感測器在檢測磁場時,應不受磁鐵朝向的限制。

  ● 全向靈敏度

許多老舊的磁感測器只能沿一個方向或平面感應磁場;由於外部磁鐵可能沿任何方向對電錶外部(正面、頂部、底部或兩側)的暴露點施加磁場,因此感測器應在三個方向(X 軸、Y 軸和 Z 軸)具有相同的靈敏度。

通常,當我們遠離磁鐵時,它的磁場強度會急劇減弱。例如,一塊表面磁場強度為 6,000G(600mT)的大稀土磁鐵(50mm×50mm×50mm)在距其 50mm(厚度的一倍)的位置測量時,磁場強度只有約600G(60mT)。圖 2 顯示這種現象。與較大的磁鐵相比,較小的磁鐵具有更小的影響範圍。根據經驗, 在與磁鐵厚度相等的距離測得的磁場強度只有原磁場強度的10分之1。


圖 2 50mm×50mm×50mm N45磁鐵磁極(mm)磁場強度與距離的對比。
圖 2 50mm×50mm×50mm N45磁鐵磁極(mm)磁場強度與距離的對比。

如果感測器安裝在電錶內部,在確定感測器對外部磁鐵(放在電錶外面的任何位置)的感應靈敏度時,必須考慮與電錶兩側和表面的距離。


以前最常用的磁感應解決方案是霍爾效應感測器 IC。這些 IC 能利用霍爾效應檢測磁場,霍爾效應是根據愛德溫˙霍爾命名。他在 1879 年發現,當磁場沿垂直於導電板平面的方向通過導電板時,載流導電板上會產生電勢差。如圖 3所示,在導電板上施加電流。與導電板(電流)垂直的磁場會產生沿導電板分佈的差分電壓。感測器測量到此電壓時,說明存在外加磁場。注意,傳統的平面霍爾效應感測器只能測量與感應導電板或表面垂直的磁場。如果是表面貼裝的 IC,導電板通常要與安裝感測器的 PCB 的平面平行。不管感測器的朝向/轉向如何,它只能有效感應 Z 軸方向的磁場。


有效感應 X 軸和 Y 軸磁場需要在單獨的 PCB 上另外安裝感測器,這些感測器不僅要互相垂直,而且要與主機板或安裝的含鉛感測器垂直,還可能進行引線成型處理,這樣就能確保霍爾板的朝向正確。這兩種方法都會增加元件數量和成本、系統複雜性和組裝成本。還可安裝大量傳統的平面霍爾感測器,並依靠「邊緣」磁場啟動它們,但這樣仍會增加系統的成本和複雜性。


人們已採用各種磁阻技術來創建磁感測器 IC。這些感測器通常具有平面回應能力,也就是說,它們能檢測 X-Y 軸平面內的磁場,但對 Z 軸磁場的回應能力有限。此外,超強磁場還會導致感測器出現磁飽和,進而發生故障(動態範圍有限)。由於干擾時通常會採用強磁場,所以這是一種明顯的局限。


圖 3 平面霍爾效應感測器。
圖 3 平面霍爾效應感測器。

霍爾效應傳感技術最近取得的突破使我們能創建符合所有干擾檢測要求的全向磁感應感測器 IC。隨著 IC 設計和 製造工藝的進步,我們現在能生產垂直霍爾感測器(圖 4)。垂直和平面感測器以相同的物理現象為依據,但採用了不同的構建方法:


  ● 平面

沿晶片的寬度和長度方向排列;不管朝向如何,只感應 Z 軸磁場。

  ● 垂直

沿晶片的深度方向從頂部向底部排列;可感應 X 軸、Y 軸或其他方向的磁場。

圖 4 垂直霍爾感測器。
圖 4 垂直霍爾感測器。

平面霍爾元件能感應與 IC 封裝的平面垂直的磁場,而垂直霍爾元件能沿與模具平行的軸(如 X 軸或 Y 軸)感應磁場。圖 4 顯示垂直霍爾板的構建詳情。兩個垂直霍爾感測器在單獨 IC 內與平面霍爾感測器組合構成的磁感測器能感應任意方向(X 軸、Y 軸和 Z 軸)的磁場,而且能經受超強磁場強度的影響。過去,這種解決方案需要使用三個獨立 IC,所需 PCB 面積最高為 56mm2。Allegro MicroSystems最近推出的 A1266 就是此類器件的一個實例(圖 5),這種小型表面安裝SOT-23W封裝只需 9mm2的 PCB。A1266還具有極高的靈敏度(工作點,BOP),所以它能在更大的面積或體積範圍內檢測干擾企圖。表 1顯示了目前可用技術的對比。


圖 5 A1266 具有適合檢測干擾的 3D 全向回應功能
圖 5 A1266 具有適合檢測干擾的 3D 全向回應功能

表 1 磁感測器 IC 可用技術的對比
表 1 磁感測器 IC 可用技術的對比

不同感測器的回應圖清楚顯示了高靈敏度、全向、全極感測器的優勢。下列圖表假設有一個正面尺寸最大290mm×165mm的矩形電錶和一塊50mm×50mm×50mm的N45磁鐵(圖 6 和 圖 7)。


圖 6 假設電錶尺寸和感測器氣隙。
圖 6 假設電錶尺寸和感測器氣隙。

圖 7 磁鐵朝向(磁南極對電錶正面)。
圖 7 磁鐵朝向(磁南極對電錶正面)。

待測試的感測器位於電錶中間的正面下方35mm的位置。使用自動繪圖器使磁鐵在電錶外表面的上方10mm沿電錶正面的長度和寬度方向移動。圖 8顯示設置繪圖器對感測器的回應進行繪圖。


圖 8 自動繪圖器
圖 8 自動繪圖器

圖 9 顯示使用在 Z 軸方向具有最高靈敏度的傳統平面霍爾感測器檢測磁場時,這種假設電錶的繪圖結果。藍色區域是磁鐵位置,待測試的感測器在此能檢測磁鐵的存在。當磁鐵位於感測器正上方時,感測器很容易就能檢測到它。當磁鐵沿X-Y軸平面移動時,氣隙增大,磁場方向不再沿靈敏度最高的軸(Z)分佈。但感測器能在148mm×148mm的區域內檢測磁鐵。


圖 9 採用1D平面霍爾感測器的干擾覆蓋範圍(43%)(藍色表示檢測區域)。
圖 9 採用1D平面霍爾感測器的干擾覆蓋範圍(43%)(藍色表示檢測區域)。

圖10顯示使用由2個垂直霍爾元件和1個平面霍爾感應元件組成的單個IC封裝全向(3D)霍爾感測器檢測磁場時,相同的假設電錶的繪圖結果。藍色區域是磁鐵位置,待測試的感測器在此能檢測磁鐵的存在。當磁鐵位於感測器正上方時,感測器很容易就能檢測到它。當磁鐵在X-Y軸平面內移動時,氣隙增大,但由於磁鐵偏離軸,所以影響減弱。在此情況下,感測器能在接近假設電錶整個表面的更大範圍(約覆蓋區域的280mm×165mm)內檢測磁鐵。


圖 10 採用3D霍爾感測器的干擾覆蓋範圍(92%)~藍色表示檢測區域)。
圖 10 採用3D霍爾感測器的干擾覆蓋範圍(92%)~藍色表示檢測區域)。

無論在哪種情況下,都可使用多個感測器覆蓋更大的面積或體積範圍。但需要很少的3D感測器覆蓋較大的面積/體積範圍。在顯示的實例中,磁鐵的朝向有利於被傳統的平面霍爾(1D)感測器檢測到。當磁鐵的朝向改變或正對電錶側面時,圖 9 顯示的性能會下降。


這實現3D感測器的另一個優勢,即它能檢測在電錶外部隨機施加的磁場。如果是更小的電錶,如常見的單相家用電錶,使用單個3D感測器IC就足以覆蓋整個電錶。像Allegro MicroSystems,推出的將平面和垂直霍爾元件融為一體的元件能在較大的面積/體積範圍內檢測磁場干擾,而且完全不受磁鐵朝向的影響。這不僅極大簡化系統設計,而且還允許使用數量最少的感測器,進行最靈敏的干擾檢測。


智慧電錶標準

全球各地有許多機構正在制定智慧電錶的標準和規範。這些標準中對電錶檢測干擾的要求越來越多。這些機構有些是政府組織,有些是專門成立的行業團體。獨立電力運營商也能為其購買和部署的電錶制定相應的標準。當涉及磁干擾時,不同標準關於具體規範和檢測方法的細節可能千差萬別。表 2 列出為智慧電錶制定標準的一些機構。


表 2 行業標準
表 2 行業標準




想要免費接收更多的技術設計資訊嗎?

馬上訂閱《電子技術設計》郵件速遞,透過郵箱輕鬆接收最新的設計理念和產品新聞。

為確保您的資訊安全,請輸入右方顯示的代碼.

啟動您的訂閱申請

我們已給您的註冊郵箱發送了確認信,請點擊信中的連結啟動您的訂閱申請。

這將有助於我們很好地保護您的個人隱私同時確保您能成功接收郵件。


添加新評論
遊客 (您目前以遊客身份發表,請 登入 | 註冊)
*驗證碼:

新聞 | 產品 | 設計實例