ZHCAE25A June 2021 – May 2024 DRV5055 , DRV5056 , TMAG5170 , TMAG5170-Q1 , TMAG5173-Q1 , TMAG5273 , TMAG5328
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許多系統都具有需要計算線性位置的移動組件。過去，人們使用基于機械的設計（例如使用電位器的設計）來測量線性位置；然而，由于機械設計容易出現磨損，許多系統轉為采用非接觸式方法來進行線性位置檢測。
一種可靠的非接觸式線性位置測量方法可以通過使用磁體和線性霍爾位置傳感器以迎面配置排列來實現，如圖 1 中所示。在這種方法中，磁體放置在移動組件上，以便磁體隨組件一起移動。線性霍爾位置傳感器檢測磁體產生的磁通密度。
電動工具或其他電器中的變速觸發器就是一個需要進行線性位置測量的移動組件示例，該示例中需要測量觸發器被按下的程度并將其轉換為工具的運行速度。圖 1 具體展示了一個無繩電鉆中圓柱磁體和霍爾位置傳感器的放置示例。該無繩電鉆采用了迎面配置，用于將觸發器被按壓的程度轉換為電鉆的轉速。在該示例中，完全按下觸發器時，磁體距離霍爾位置傳感器最近，而未按下觸發器時，磁體距離最遠。借助類似于圖 1 中的方法，迎面配置還可用于洗衣機和烘干機中的液位或壓力傳感，以及掃地機器人中的物體或墻壁檢測。
圖 1 電鉆觸發器中的迎面配置在迎面配置中，霍爾位置傳感器的線性測量軸沿著行程路徑，因此如果磁體與霍爾位置傳感器的感應軸對齊，這會得到一個距離與磁通密度的獨特映射關系。
圖 2 展示了磁通密度與距離的關系圖示例，其中距離是磁體到霍爾位置傳感器的距離。磁通密度與距離的映射關系取決于多種因素，例如磁體的材質和尺寸。與使用距離很近的極小磁體相比，使用尺寸更大的磁體和距離更遠的感應距離通常可以實現更好的位置精度，因為磁通密度隨著磁體的接近而呈指數級增長。DRV5056 距離測量工具可以計算迎面配置中不同磁體規格條件下磁通密度與距離的預期映射關系。
根據磁通密度與距離的預期映射關系，系統可以將線性霍爾位置傳感器感應到的磁通密度轉換為磁體位移距離。由于磁體隨系統的移動組件而移動，因此該磁體位移距離與移動組件的線性位置位移相同。
圖 2 磁通密度與距離間的關系圖示例為迎面位移功能選擇合適的器件
必須使用線性霍爾位置傳感器來檢測磁體移動路徑上多個點的距離。通常會根據以下規格選擇合適的霍爾位置傳感器：
- 靈敏度：所選線性霍爾位置傳感器應保證磁場范圍大于系統中的最大磁通密度，同時還要確保獲得最大分辨率，以提高精度。例如，假設某款霍爾位置傳感器具有多個靈敏度型號，對應的磁場范圍分別為 20mT、39mT、79mT 和 158mT。如果系統要感應的最大磁通密度為 45mT，請選擇與 79mT 范圍相對應的靈敏度型號。79mT 范圍支持感應系統中的最大磁通密度，而 20mT 和 39mT 型號則無法做到這一點。此外，與 158mT 范圍選項相比，79mT 型號的磁通密度分辨率更高。
- 單極與雙極：雙極霍爾位置傳感器可同時檢測磁體的北極和南極，而單極傳感器只能檢測一極。迎面位移配置的磁通密度要么完全為正，要么完全為負，具體取決于最靠近傳感器的是磁體的南極還是北極。因此，單極霍爾位置傳感器可用于迎面位移配置。單極傳感器僅能感應一種極性，因此與相應的雙極器件相比，這類傳感器可能具有更高的感應分辨率；但是，雙極器件會用到磁體的兩個極，因此在放置磁體時可以不必確定磁體的磁極是南極還是北極。
- 輸出接口：線性霍爾位置傳感器可以具有模擬輸出電壓、數字 PWM 輸出，或者 SPI 或 I2C 等數字通信接口。模擬輸出電壓常見于一維 (1D) 線性霍爾位置傳感器，并需要外部 ADC，這會進一步增加系統的誤差。數字通信接口常見于三維 (3D) 霍爾位置傳感器，其內部 ADC 將感應到的磁通密度數字化為輸出代碼，以供從接口進行讀取。對于 PWM 輸出器件，輸出脈沖的占空比會根據感應到的磁通密度而變化。PWM 輸出對外部噪聲的抗擾度更高。
- 工作電壓范圍：不同的系統具有不同的可用電源電壓。如果系統的可用電源電壓均超出霍爾位置傳感器的工作電壓范圍，則需要一個額外的穩壓器來生成一個電壓軌，以便為霍爾位置傳感器供電。
- 頻率帶寬：在對信號進行采樣時，器件的最大帶寬必須大于所采樣信號的頻率。DRV5056 等一些器件將帶寬定義為 –3dB 截止頻率。此時，信號路徑的靈敏度降低了 –3dB。
- 偏移誤差和靈敏度誤差：偏移誤差是未施加磁場時的磁通密度讀數。偏移誤差可以用磁通密度、產生的輸出電壓漂移（對于電壓輸出）、產生的脈沖占空比漂移（對于 PWM 輸出）或產生的輸出代碼變化（對于數字通信接口輸出）來表示。靈敏度提供了有關器件如何將感應到的磁通密度轉換為輸出電壓、數字輸出代碼或脈沖占空比的信息。這兩個誤差是在室溫下測得的，并可以進行校準。
- 溫漂和靈敏度溫漂：溫漂顯示了偏移在溫度范圍內的漂移。同樣，靈敏度漂移顯示了靈敏度在溫度范圍內的漂移。通過在整個溫度范圍內取多個校準點并使用溫度傳感器來根據測量的溫度確定要使用的必要校正點，可以校準這兩個誤差。
- 噪聲：為了降低噪聲，可以對多個樣本求平均值，從而得到一個有效樣本。對于模擬輸出器件，如果未使用器件的全部帶寬，也可以使用低通濾波器來降低噪聲。請注意，這兩個選項都會降低器件的頻率帶寬。
- 線性誤差：衡量靈敏度傳遞函數偏離直線的程度。
- 電流消耗：當系統僅在部分時間內需要進行線性位置感應時，為了降低電流消耗，可以在這些時間內將線性霍爾位置傳感器關斷。關斷方法是使用器件上的使能引腳（如果可用）、切斷器件電源，或寫入適當的低功耗模式寄存器（如果可用）。
- 比例式架構：對于線性輸出霍爾位置傳感器，比例式架構可在外部 ADC 使用同一 VCC 作為基準時盡可能地減小 VCC 容差導致的誤差。
- 平面內與平面外磁場方向：平面內 1D 位置傳感器對磁極與芯片在同一平面內的應用敏感，類似于圖 3 中所示的 X 軸或 Y 軸磁體的應用。平面外 1D 位置傳感器對垂直于封裝內芯片的磁場分量敏感。圖 3 中的 Z 軸磁體顯示了 SOT23 表面貼裝封裝的平面外方向，而圖 1 展示了 TO-92 穿孔封裝的平面外方向。3D 霍爾位置傳感器對 X、Y 和 Z 方向的磁場分量敏感。X 方向和 Y 方向的磁場與封裝位于同一平面內，而 Z 方向的磁場與封裝頂部垂直（平面外），如圖 3 所示。
圖 3 3D 霍爾位置傳感器示例中的 X（平面內）、Y（平面內）和 Z（平面外）方向DRV5056 具有多種版本，非常適合迎面位移應用。各種具有不同靈敏度的型號可在線性位置應用中實現各種距離和磁體組合。該器件是單極器件，分辨率比雙極器件 DRV5055 高兩倍。此外，由于該器件只是一款 3 引腳模擬輸出器件，因此與具有 I2C 或 SPI 通信線路的 3D 霍爾位置傳感器相比，該器件尺寸更小。
3D 線性位置傳感器可以在所有三個方向上進行感應，因此這些傳感器支持在磁體沿 X、Y 或 Z 方向移動時測量線性位置。此外，當磁體相對于霍爾位置傳感器軸線發生偏移時，這些傳感器可以更好地測量移動組件的線性位置。除了使用不同器件型號獲得的不同磁場范圍外，一些 3D 線性霍爾位置傳感器（比如 TMAG5170、TMAG5273 和 TMAG5173-Q1）還具有額外的磁場范圍子集，用戶可通過器件的數字通信接口（TMAG5170 的 SPI 接口，TMAG5273 和 TMAG5173-Q1 的 I2C 接口）配置適當的器件寄存器來從這些子集中進行選擇。TMAG5170、TMAG5273 和 TMAG5173-Q1 還支持在內部對樣本求平均值以降低噪聲。此外，這些器件都支持睡眠模式，可用于降低器件的電流消耗。TMAG5170、TMAG5273 和 TMAG5173-Q1 也具有集成式 ADC，因此器件不需要 DRV5056 等外部 ADC。