汽車(chē)安全系統(tǒng)中霍爾傳感器的使用
霍爾傳感器技術(shù)在汽車(chē)工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，包括動(dòng)力、車(chē)身控制、牽引力控制以及防抱死制動(dòng)系統(tǒng)。為了滿(mǎn)足不同系統(tǒng)的需要，霍爾傳感器有開(kāi)關(guān)式、模擬式和數(shù)字式傳感器三種形式。
霍爾傳感器可以采用金屬和半導(dǎo)體等制成，效應(yīng)質(zhì)量的改變?nèi)Q于導(dǎo)體的材料，材料會(huì)直接影響流過(guò)傳感器的正離子和電子。制造霍爾元件時(shí)，汽車(chē)工業(yè)通常使用三種半導(dǎo)體材料，即砷化鎵、銻化銦以及砷化銦。最常用的半導(dǎo)體材料當(dāng)屬砷化銦。
座椅位置感應(yīng)
圖 1.正面和側(cè)面防撞安全氣囊需要有關(guān)座椅和乘客位置的精確數(shù)據(jù)。
乘客安全是汽車(chē)設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的要素之一。因此，必須一如既往地提高安全系統(tǒng)的可靠性，以減少并最終防止司乘人員在遭遇事故時(shí)受到傷害。
安全系統(tǒng)內(nèi)采用了座椅位置感應(yīng)技術(shù)，以確定乘客相對(duì)于方向盤(pán)的位置，從而防止安全氣囊在用力過(guò)度時(shí)意外彈出。
目前最常用的解決方案是采用雙線(xiàn)單極霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)，感應(yīng)獨(dú)立的座椅位置區(qū)域。傳感器 IC 必須以數(shù)字輸出的形式，將該信息發(fā)送到指示特定區(qū)域的控制器。當(dāng)車(chē)輛啟動(dòng)時(shí)，該信息必須正確，所以傳感器 IC 輸出必須在無(wú)用戶(hù)操作時(shí)解碼。
座椅調(diào)節(jié)導(dǎo)軌通常采用鐵類(lèi)金屬材料制成，它們能中斷霍爾效應(yīng)傳感器 IC 和磁體之間的磁場(chǎng)。座椅調(diào)節(jié)導(dǎo)軌的鐵類(lèi)金屬會(huì)通過(guò)開(kāi)關(guān)和磁體之間，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)開(kāi)啟或關(guān)閉，從而將座椅位置信息發(fā)送到控制器。傳感器 IC 的輸出狀態(tài)變化會(huì)提示控制器，座椅已進(jìn)入特定區(qū)域。
根據(jù)使用的霍爾傳感器 IC 的具體數(shù)量，可以有任意數(shù)量的區(qū)域，假設(shè)每個(gè)座椅調(diào)節(jié)導(dǎo)軌上有兩個(gè)傳感器 IC，可能存在四個(gè)區(qū)域?？刂破鲿?huì)處理霍爾傳感器 IC 提供的信息，以確定相對(duì)于方向盤(pán)的座椅位置。離方向盤(pán)較近區(qū)域內(nèi)的座椅會(huì)提示控制器，彈出安全氣囊時(shí)需要更小的外力。離方向盤(pán)最遠(yuǎn)的后部區(qū)域內(nèi)的座椅位置，需要以更大的外力彈出安全氣囊。控制器會(huì)為霍爾效應(yīng)傳感器 IC 的輸出狀態(tài)解碼，以確定座椅所在的區(qū)域。兩個(gè)傳感器 IC 將提供便捷的格雷碼輸出，如圖 2 和下表所示。
圖 2.在車(chē)輛啟動(dòng)時(shí)，位置傳感器 IC 會(huì)向控制器發(fā)送正確的座椅位置信息。乘客并不知道，汽車(chē)無(wú)需借助用戶(hù)界面，就能自動(dòng)執(zhí)行事關(guān)生死的操作。
品類(lèi)繁多的霍爾傳感器 IC 可為相同的應(yīng)用提供不同的解決方案。可能需要更高的分辨率，以隨時(shí)確定座椅的準(zhǔn)確位置。分辨率最高的解決方案采用了線(xiàn)性模擬霍爾傳感器 IC，它能產(chǎn)生與磁場(chǎng)強(qiáng)度成比例的電壓輸出。設(shè)計(jì)正確的話(huà)，采用線(xiàn)性側(cè)滑配置的雙極磁體能產(chǎn)生輸出范圍在 0 - 5 V 的電壓。
霍爾效應(yīng)技術(shù)是一種非常可靠和相對(duì)低廉的技術(shù)。用于自動(dòng)感應(yīng)的解決方案必須完全可靠。
如果需要更高的精度，可選用能編程的開(kāi)關(guān)和線(xiàn)性器件，還能通過(guò)生產(chǎn)線(xiàn)終端測(cè)試，最大限度減小疊加誤差。
使用反向偏壓的霍爾傳感器 IC 能檢測(cè)鐵類(lèi)金屬目標(biāo)。這些傳感器 IC 在一個(gè)包覆成型的組件內(nèi)集成了霍爾電路和稀土球。反向偏壓解決方案適用于開(kāi)關(guān)和線(xiàn)性設(shè)計(jì)。這些組件不僅簡(jiǎn)化了生產(chǎn)過(guò)程，還能以包覆成型的單獨(dú)封裝，提供最佳的電氣和磁場(chǎng)設(shè)計(jì)。
座椅安全帶卡扣的感應(yīng)
座椅安全帶卡扣 (SBB) 是另一個(gè)能將霍爾效應(yīng)技術(shù)應(yīng)用于安全系統(tǒng)的領(lǐng)域。這種簡(jiǎn)單的可靠的雙線(xiàn)單極開(kāi)關(guān)是當(dāng)今路面上的許多汽車(chē)常用的解決方案?；魻栃?yīng)器件 (HED) 的用途是確保搭扣正確鎖閉，以保證在發(fā)生事故或急剎車(chē)時(shí)，安全帶能將乘客固定在座位上。
與座椅位置感應(yīng)類(lèi)似，座椅安全帶卡扣也采用葉片中斷原理，進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。在此情況下，采用鐵類(lèi)金屬材料制成的卡扣可中斷磁體和霍爾效應(yīng)器件之間的磁場(chǎng)。當(dāng)磁場(chǎng)中斷時(shí)，器件輸出會(huì)開(kāi)啟，當(dāng)卡扣移開(kāi)時(shí)，器件輸出會(huì)關(guān)閉。該信息會(huì)發(fā)送至控制器，然后控制器會(huì)處理該數(shù)據(jù)、座椅位置傳感器 IC 發(fā)送的數(shù)據(jù)，以及其他輸出數(shù)據(jù)，以確保在發(fā)生事故時(shí)能可靠地彈出安全氣囊。
應(yīng)用局限
由于 SBB 傳感器 IC 的可用空間有限，所以很難使用印刷電路板。所以，最常見(jiàn)的做法是，在制作封裝的過(guò)程中，將互連線(xiàn)焊接在 HED 引線(xiàn)上，以最大限度減小尺寸。但焊接引線(xiàn)需要專(zhuān)業(yè)焊接技術(shù)，這項(xiàng)工作通常會(huì)外包給焊接加工廠(chǎng)。焊接霍爾效應(yīng)器件時(shí)最常出現(xiàn)的一個(gè)錯(cuò)誤是，IC 位置極易產(chǎn)生的高溫/過(guò)電流會(huì)徹底損壞打線(xiàn)。新焊接工藝中容易出現(xiàn)的另一個(gè)錯(cuò)誤是，引線(xiàn)固定不牢導(dǎo)致在接觸焊接噴嘴時(shí)，引線(xiàn)扭曲或拉伸。這同樣會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞打線(xiàn)。
除可用空間有限外，傳感器 IC 還易受到下列因素導(dǎo)致的強(qiáng)靜電釋放 (ESD) 和磁場(chǎng)干擾的影響：
汽車(chē)內(nèi)的乘客接觸點(diǎn)，如卡扣組件的扣舌，
由于卡扣組件的鐵類(lèi)金屬的特性，產(chǎn)生的磁場(chǎng)分流效應(yīng)對(duì)傳感器 IC 的影響
機(jī)械卡扣組件的寬容差，導(dǎo)致影響霍爾效應(yīng)傳感器 IC 的磁場(chǎng)劇烈變化。
選擇正確的傳感器 IC 對(duì)滿(mǎn)足所有應(yīng)用要求至關(guān)重要。
應(yīng)用方案
圖 3.典型的座椅安全帶卡扣機(jī)械組件，它顯示了與霍爾效應(yīng)傳感器 IC 的電氣連接。
在傳感器 IC 電源和傳感器 IC 接地端之間焊接 0.1 μF 的旁路電容能提供瞬態(tài)/ESD 保護(hù)。在應(yīng)用 PCB 時(shí)，除旁路電容外，還使用了 MOV，以防止使用底盤(pán)接地時(shí)產(chǎn)生的惡劣 EMC/ESD 工作條件影響傳感器 IC。如果傳感器 IC 能有效抗擊 EMC/ESD 的影響，使用旁路電容就足夠了。
需要使用足夠的大的磁體，以消除卡扣組件本身產(chǎn)生的分流效應(yīng)。釤鈷和釹是座椅安全帶卡扣中最常用的磁體材料。它們能產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，以補(bǔ)償機(jī)械誤差和應(yīng)用中可能出現(xiàn)的較大氣隙 (> 3 mm)。
機(jī)械組件的誤差可能導(dǎo)致影響傳感器 IC 的磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生劇烈變化(高達(dá)幾百高斯)，所以必須描述所有工作條件的特性，以確保傳感器 IC 不會(huì)進(jìn)入錯(cuò)誤工作狀態(tài)。在下列條件下，霍爾效應(yīng)傳感器 IC 不得出現(xiàn)誤開(kāi)關(guān)：
推薦的器件
扣舌就位時(shí)的正常扣緊位置。
扣舌取出時(shí)的正常松脫位置。
扣入時(shí)，扣舌超出行程，并被就座的乘客或卡扣組件上固定的兒童座椅拉住。
扣舌以外的物體(冰棒棍、玩具等)扣入時(shí)，出現(xiàn)誤鎖閉狀態(tài)，并在誤鎖閉條件下固定卡扣。
本文作者來(lái)自微信公眾號(hào) 電力電子技術(shù)與應(yīng)用，作者 Christine Graham，系統(tǒng)工程師
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