1 應用簡報

用于家用電器的三種位置感測解決方案

包含活動器件的消費類產品已經從純機械產品轉變成通過集成電路 (IC) 實現電子控制的機電產品。以逐步改進的洗衣機為例，它最初非常簡單，就是一根棍棒，或者說一根槳狀的棍棒，通過在河中的巖石上捶打衣物來去除衣物上的污垢。中世紀以來，洗衣機已經從棍棒演變成了洗衣桶和洗衣板，后來又增加了絞水桶，接著洗衣桶和絞水桶又實現了電動化，最終在 1947 年轉變為類似于現今產品的自動洗衣機。

現今的電器使用許多類型的傳感器來測量水位、旋鈕選擇器和溫度等。自 1990 年微控制器 (MCU) 問世后，人們可以收集電器上的傳感器信息，并根據這種新數據集做出明智的決策。例如，在旋轉周期，當振動導致衣物轉移到內筒一側時，MCU 以振蕩運動緩慢地轉動內筒，直到衣物均勻分布，然后再繼續高速旋轉。這樣可防止洗衣機及周圍物件受到損壞。

本文介紹了借由霍爾效應和電感式位置傳感器實現的三種感測創新技術，可以提升功能、可靠性、精確度和系統靈活性。

感測解決方案 1 – 增加布局靈活性的旋轉編碼

在洗衣機和烘干機中，旋轉編碼決定轉筒的速度和方向，這些信息對于 MCU 管理不同的洗衣模式和旋轉周期非常重要。與采用兩個霍爾效應鎖存器的傳感器相比，通過集成了真正 2D 鎖存器的單一器件來實現旋轉編碼，可以實現更靈活的傳感器布局。2D 鎖存器能夠監視所有三個靈敏度軸，使設計人員可根據磁體方向選擇具有兩個方向靈敏度的特定器件。如果沒有上述功能，兩個單獨的傳感器會給系統設計帶來挑戰，因為在一些情況下，需要將一個傳感器朝向一個方向，另一個傳感器朝向另一個方向。

盡管旋轉編碼并不是什么新的概念，但是能夠將 IC 放置在最方便的位置仍舊是很多雙鎖存器霍爾效應傳感器所不具備的一項優勢。此外，通過板載 2D 鎖存器可以進一步提高環形磁極寬度的靈活性，如圖 1 中所示。請查看 TMAG5110 和 TMAG5111，這些雙路 2D 鎖存器可以輕松靈活地提供數字正交簽名。

圖 1 采用環形磁體和各種傳感器布局實現的旋轉編碼

感測解決方案 2 – 具有力檢測功能的觸控按鈕

通常情況下，家用電器的工作環境不太干凈。對于容易發生食物溢濺（爐灶臺面）和油脂堆積（抽油煙機）的環境，密封的觸控按鈕將是理想的設計。電感技術間接且非常準確地測量傳感器線圈到金屬觸控按鈕的距離，是此用例的理想選擇，因為它可以使用實心金屬片來制作觸控按鈕，從而將外界環境與傳感器隔離開來。這項技術具有能夠測量微米范圍內目標的固有功能，因此可以實現非常精確的力檢測，除了簡單的開/關之外，還提供其他按鈕功能。圖 2 顯示了如何利用電感技術實現無縫界面。

圖 2 用于觸控按鈕
的電感式感測技術

電感式感測技術 (LDC3114) 提供以下優勢：

與惡劣的外部環境完全隔開
非接觸式感測，可靠性高
防油液、油脂和水滲透，性能不打折扣
即使用戶佩戴手套，功能體驗始終如一
經久耐用，因為傳感器會自主調節來適應磨損、誤觸和環境變化
能夠使用一片不銹鋼實現多個觸控按鈕
通過壓感觸控來實現額外的觸控按鈕功能

表 1 開關和傳感器的優缺點

	機械開關	簧片開關	DRV5032 霍爾效應傳感器	TMAG5124 霍爾效應傳感器
優點	成本最低的方案	對 MCU 通用 I/O 進行脈沖將為器件供電，從而實現可變采樣操作。	低功耗方案（功耗為幾 mA）批量購買時的系統總成本為幾美分半導體 IC 固有的高可靠性。	半導體 IC 固有的高可靠性電流輸出具備以下優勢：由于固有的噪聲抑制功能，布線距離更長雙線連接可降低布線成本（只需 V_CC 和 GND 引線）
缺點	會因連續使用而出現磨損，可能導致過早損壞。	需要磁體，因此會增加成本需要小心處理和非標準組裝，這會增加系統總成本	需要磁體，因此會增加成本（與簧片開關的方向不同）需要小型印刷電路板 (PCB) 來安裝傳感器

機械開關

簧片開關

DRV5032 霍爾效應傳感器

TMAG5124 霍爾效應傳感器

優點

成本最低的方案

對 MCU 通用 I/O 進行脈沖將為器件供電，從而實現可變采樣操作。

低功耗方案（功耗為幾 mA）
批量購買時的系統總成本為幾美分
半導體 IC 固有的高可靠性。

半導體 IC 固有的高可靠性
電流輸出具備以下優勢：
- 由于固有的噪聲抑制功能，布線距離更長
- 雙線連接可降低布線成本（只需 V_CC 和 GND 引線）

缺點

會因連續使用而出現磨損，可能導致過早損壞。

需要磁體，因此會增加成本

需要小心處理和非標準組裝，這會增加系統總成本

需要磁體，因此會增加成本（與簧片開關的方向不同）

需要小型印刷電路板 (PCB) 來安裝傳感器

感測解決方案 3 – 具有擴展布線功能的開合檢測

機械開關或非接觸式磁性開關可檢測冰箱、洗衣機和烘干機等家用電器的蓋門開合情況。經濟實惠型電器由于價格較低，通常采用機械或磁性簧片開關。這類開關已經使用了幾十年，但它們也面臨挑戰（請參閱表 1）。

高端電器通常采用磁性霍爾效應傳感器，因為這些傳感器具有多項優勢（請參閱表 1，其中包括兩款 TI 的霍爾效應傳感器）。DRV5032 被認為是一種低功耗器件，因為該器件以低至 5Hz 的速率由內部占空比控制工作。TI 產品系列中的其他器件能夠以更低的速率進行下電上電，但需要注意的是，設計人員必須等待開通時間過后才能開始采樣。

采用 TMAG5124 等雙線電流輸出器件比電壓輸出器件具有顯著的優勢，如表 1 中所示。圖 3 顯示了 TMAG5124 的高側配置連接方式以及小型 PCB 實現方式。需要注意的是，盡管雙線霍爾效應傳感器確實需要 PCB，但它們的體積通常不大也不笨重。

圖 3 TMAG5124 雙線連接和小型 PCB 實現

本應用簡報中提供的位置感測設計展示了如何在家用電器中使用霍爾效應傳感器和電感式傳感器。如需了解具體的家用電器信息，請參閱表 2。該表列出了可使用 TI 位置感測器件實現的一些家用電器以及功能。如需了解如何在設計中使用這些功能的更多信息和資源，請訪問表中的鏈接。參考文獻 一節提供了其他一些資源，其中包括開始設計工作所需的重要文檔。

表 2 主要功能和其他資料

設備	功能	鏈接
爐灶臺面	旋轉撥盤和旋鈕	E2E? 常見問題解答
烤箱	觸控按鈕、旋轉撥盤和旋鈕	E2E? 常見問題解答
抽油煙機	觸控按鈕和翹板開關	E2E? 常見問題解答
冰箱	開合檢測和制冰控制桿	E2E? 常見問題解答
洗碗機	開合檢測和觸控按鈕	E2E? 常見問題解答
洗衣機和烘干機	開合檢測、滾筒速度檢測、水位和觸控按鈕	E2E? 常見問題解答

參考文獻

德州儀器 (TI)，利用 2D 霍爾效應傳感器減少增量旋轉編碼的正交誤差 應用手冊
德州儀器 (TI)，BOOST-LDC3114EVM LDC3114 電感式感測評估模塊 工具頁面
德州儀器 (TI)，LDCTOUCHCOMCOILEVM 電感觸控傳感器線圈評估板 工具頁面