在當(dāng)今的電子設(shè)備中，磁性開關(guān)和鎖存器作為重要的傳感器元件，廣泛應(yīng)用于汽車、工業(yè)和消費(fèi)電子等眾多領(lǐng)域。Allegro 擁有豐富的霍爾效應(yīng)和隧道磁阻（TMR）開關(guān)及鎖存器產(chǎn)品，為設(shè)計(jì)師提供了多樣化的選擇。本文將詳細(xì)介紹 Allegro 磁性開關(guān)和鎖存器的特點(diǎn)、選型要點(diǎn)以及常見應(yīng)用場(chǎng)景，幫助設(shè)計(jì)師更好地為具體應(yīng)用選擇適配的器件。
在磁性位置傳感領(lǐng)域，主要有開關(guān)和鎖存器兩種類型的傳感器。
開關(guān)廣泛應(yīng)用于各種非接觸式開 / 關(guān)位置感應(yīng)場(chǎng)景，如白色家電、醫(yī)療設(shè)備、便攜式電子設(shè)備和智能電表等。當(dāng)磁場(chǎng)超過(guò)工作點(diǎn)閾值（BOP）時(shí)，開關(guān)打開；當(dāng)同極性磁場(chǎng)降低到低于釋放點(diǎn)閾值（BRP）時(shí)，開關(guān)關(guān)閉。開關(guān)可分為單極性和全極性兩種類型。單極性開關(guān)的 BOP 和 BRP 具有單一磁極性（單極性南或單極性北）；全極性開關(guān)對(duì)于南北兩極磁場(chǎng)都有 BOP 和 BRP 閾值，能響應(yīng)兩種極性的磁場(chǎng)。輸出極性可以是標(biāo)準(zhǔn)的或反相的，標(biāo)準(zhǔn)極性在外加磁場(chǎng)超過(guò) BOP 時(shí)輸出為低，這種極性更為常見，可避免在沒(méi)有外加磁場(chǎng)時(shí)的輸出電流消耗；反相極性則在外加磁場(chǎng)超過(guò) BOP 時(shí)輸出為高。
鎖存器是開關(guān)的一種特殊變體，具有雙極感應(yīng)特性，常用于電動(dòng)工具、家電泵和風(fēng)扇、電動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)、工業(yè)自動(dòng)化等應(yīng)用中的無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)。與開關(guān)不同，鎖存器會(huì)一直維持其輸出狀態(tài)，直到磁場(chǎng)極性發(fā)生改變。當(dāng)磁場(chǎng)超過(guò)工作點(diǎn)閾值（BOP）時(shí)，鎖存器開啟；當(dāng)磁場(chǎng)極性反轉(zhuǎn)并低于釋放點(diǎn)閾值（BRP）時(shí)，鎖存器關(guān)閉。
Allegro 的開關(guān)和鎖存器可以在 X、Y 或 Z 平面上感應(yīng)磁場(chǎng)。大多數(shù) Allegro 的器件使用標(biāo)準(zhǔn)平面霍爾傳感器在 Z 軸（垂直于器件）上感應(yīng)磁場(chǎng)，這種平面感應(yīng)是行業(yè)內(nèi)常用的配置，易于設(shè)計(jì)，適合大多數(shù)應(yīng)用。然而，某些應(yīng)用和 PCB 設(shè)計(jì)需要感應(yīng)軸位于 X 或 Y 平面上（與器件相同的平面），此時(shí)可以使用垂直霍爾傳感器（VHT）。Allegro XtremeSense 超低功耗隧道磁阻（TMR）傳感器的開關(guān)和鎖存器適用于在 X 和 Y 平面感應(yīng)磁場(chǎng)，因?yàn)檫@是其默認(rèn)配置。如果需要同時(shí)感應(yīng)多個(gè)軸，二維（2D）和三維（3D）感應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)采用多個(gè)傳感器。終選擇哪種感應(yīng)平面取決于應(yīng)用場(chǎng)景、磁極狀態(tài)和傳感器在 PCB 設(shè)計(jì)中的位置。
Allegro 的霍爾傳感器具有各種磁性開關(guān)點(diǎn)，范圍從 10G 到 600G（1mT 到 60mT）。在使用鎖存器傳感器進(jìn)行直流電機(jī)換向的應(yīng)用中，傳感器所處的磁場(chǎng)形式類似于正弦波，由于這種波形會(huì)經(jīng)過(guò)零高斯水平，所以具有較低開關(guān)點(diǎn)的傳感器可以更好地覆蓋可能使用各種弱或強(qiáng)磁體類型的應(yīng)用場(chǎng)景。磁體越弱，產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度越低，該應(yīng)用所需的開關(guān)點(diǎn)閾值也越低。對(duì)于磁性開關(guān)來(lái)說(shuō)，開關(guān)點(diǎn)的閾值高度依賴于終應(yīng)用的具體情況。例如，開啟開關(guān)（如洗衣機(jī)門）的磁場(chǎng)強(qiáng)度必須小于關(guān)閉開關(guān)時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，但也不能太低，以免環(huán)境中可能存在的其他磁場(chǎng)導(dǎo)致誤觸發(fā)。此外，工作（BOP）和釋放（BRP）閾值之間的遲滯應(yīng)足夠高，以防止由于噪聲或雜散信號(hào)而導(dǎo)致的誤觸發(fā)。如果某個(gè)應(yīng)用需要在生產(chǎn)或工作期間調(diào)整或校準(zhǔn)磁閾值，Allegro 可提供具有可編程磁閾值的器件，允許客戶根據(jù)需要調(diào)整或者設(shè)定開關(guān)或鎖存器的磁工作和釋放點(diǎn)。
Allegro 的開關(guān)和鎖存器可設(shè)計(jì)用于三線或兩線工作。三線器件需要正確連接三根線（VCC、GND 和 OUT），通常有一個(gè)需要上拉電阻的開漏型輸出，大多數(shù)應(yīng)用更傾向于這種產(chǎn)品。兩線器件只需要連接到 VCC 和 GND，傳感器根據(jù)檢測(cè)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)供電電流進(jìn)行調(diào)制，以反映開關(guān)的開或關(guān)狀態(tài)，開關(guān)狀態(tài)的數(shù)據(jù)體現(xiàn)在 IC 供電電流（ICC）中。兩線器件的好處是能夠消除一根連接線，在從開關(guān)到中央處理器（ECU 等）所需的線路距離較長(zhǎng)時(shí)，能節(jié)省成本。但其缺點(diǎn)是整體解決方案的電流消耗更高，可能高達(dá) IC 本身電流消耗的五倍。三線（也稱為開漏）器件更為常見，因?yàn)樗鼈儽葍删€器件更簡(jiǎn)單、便宜且功耗更低。然而，對(duì)于一些特定應(yīng)用，節(jié)省一根線的好處可能更為顯著。
低壓開關(guān)和鎖存器通常可以在 1.65V 到 5.5V 的供電電壓（VCC）下工作，常用于需要低功耗的智能電表、可穿戴醫(yī)療設(shè)備、遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)（IoT）傳感器和移動(dòng)設(shè)備等應(yīng)用。高壓開關(guān)和鎖存器可以在高達(dá) 24V 或 26V（通常為 2.8V 到 3V）的供電電壓下工作，通常包含一個(gè)內(nèi)部的電壓調(diào)節(jié)器，可直接連接到汽車電池總線或其他高電壓軌，廣泛用于汽車行業(yè)和高扭矩電機(jī)控制的應(yīng)用場(chǎng)景。
上電時(shí)間（POT）定義為開關(guān)或鎖存器在供電電壓（VCC）超過(guò)器件的 VCC（VCCMIN）后可以產(chǎn)生有效輸出所需的時(shí)間。對(duì)于某些特定應(yīng)用，短上電時(shí)間至關(guān)重要。如果某類應(yīng)用需要非常短的 POT，可以選擇連續(xù)時(shí)間器件（如 Allegro A110x 或 A120x 系列），這些連續(xù)時(shí)間器件沒(méi)有采用動(dòng)態(tài)失調(diào)消除技術(shù)，POT 通常為 4μs 或更短，通過(guò)修調(diào)技術(shù)而非斬波穩(wěn)定電路來(lái)消除失調(diào)。如果不需要非常短的 POT（常見于大多數(shù)應(yīng)用），建議使用具有動(dòng)態(tài)失調(diào)消除功能的 Allegro 器件，這類器件對(duì)機(jī)械應(yīng)力或溫度漂移引起的失調(diào)不太敏感，大多數(shù) Allegro 的開關(guān)和鎖存器使用了某種形式的動(dòng)態(tài)失調(diào)消除技術(shù)，通常具有約 25μs 的 POT。
對(duì)于需要低功耗的應(yīng)用，如手機(jī)、無(wú)人機(jī)、遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)傳感器和可穿戴醫(yī)療設(shè)備等電池供電的設(shè)備，低功耗的開關(guān)或鎖存器至關(guān)重要。這些器件需要能夠直接在電池或其他低電壓軌下工作。Allegro 提供了各種可以在低至 1.65V 的供電電壓下工作且功耗非常低的器件。低壓微功耗器件通過(guò)占空比循環(huán)工作來(lái)降低功耗，僅在短暫時(shí)間內(nèi)（長(zhǎng)約 60μs）打開（喚醒）以感知外加磁場(chǎng)。微功耗開關(guān)或鎖存器的開啟和關(guān)閉（睡眠）時(shí)間比例可能因器件而異。對(duì)于需要在功耗水平下工作的設(shè)備，睡眠期的時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，范圍可以從 1.5ms 到 200ms。通過(guò)延長(zhǎng)活動(dòng)喚醒期之間的時(shí)間間隔，像 Allegro APS11753 這樣的微功耗開關(guān)可以達(dá)到低于 5μA 的連續(xù)電流消耗水平。然而，長(zhǎng)睡眠期的一個(gè)缺點(diǎn)在于 IC 處于睡眠模式時(shí)無(wú)法檢測(cè)到磁場(chǎng)變化，因此開關(guān)或鎖存器需要更多時(shí)間來(lái)響應(yīng)外部磁場(chǎng)的任何變化。對(duì)于磁場(chǎng)快速變化的高速應(yīng)用，具有長(zhǎng)睡眠期的微功耗器件可能沒(méi)有足夠的帶寬來(lái)準(zhǔn)確檢測(cè)磁場(chǎng)變化。但對(duì)于較低帶寬的應(yīng)用，如電池供電的筆記本電腦和便攜式電子設(shè)備中的蓋子開 / 關(guān)檢測(cè)，不存在這個(gè)問(wèn)題。推挽型輸出是超低功耗的低壓開關(guān)和鎖存器的另一個(gè)常見特性。與單個(gè)開漏場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）和外部上拉電阻的結(jié)構(gòu)相比，推挽型輸出使用了兩個(gè)晶體管，它們進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作以拉低或拉高輸出。雖然推挽輸出比開漏輸出的功耗更低，但推挽輸出無(wú)法提供高的輸出驅(qū)動(dòng)電流。因此需要仔細(xì)分析輸出驅(qū)動(dòng)的要求。開漏輸出可以提供高達(dá) 25mA 的驅(qū)動(dòng)電流并且可以根據(jù)外加電壓提供不同的開通和關(guān)閉輸出電壓，與此相比，推挽輸出的驅(qū)動(dòng)電路通常限制在約 1mA 以內(nèi)；然而，這對(duì)于大多數(shù)高阻型數(shù)字輸入 / 輸出（I/O）的接口來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。Allegro 的 XtremeSense TMR 開關(guān)和鎖存器產(chǎn)品（CT811x、CT812x、CT813x）通過(guò)使用隧道磁阻（TMR）傳感器代替霍爾板來(lái)檢測(cè)磁場(chǎng)，與霍爾傳感器相比，TMR 傳感器具有更高的靈敏度和更高的帶寬性能，能夠達(dá)到亞微瓦級(jí)的功耗水平。
一些汽車應(yīng)用要求開關(guān)和鎖存器具有汽車安全完整性等級(jí)（ASIL）評(píng)級(jí)，ASIL 是由 ISO 26262 定義的風(fēng)險(xiǎn)分類方案。Allegro 的產(chǎn)品組合中有各種 ASIL 評(píng)級(jí)的開關(guān)和鎖存器，涵蓋了 X、Y 或 Z 軸感應(yīng)的三線和兩線配置，如 Allegro APS12450、APS11800 和 A113x 系列，非常適合汽車應(yīng)用。
與其他應(yīng)用相比，汽車的高壓應(yīng)用通常需要能夠根據(jù)人體模型（HBM）承受更高水平的靜電放電（ESD）。低壓應(yīng)用通常具有不太嚴(yán)格的 ESD 要求。Allegro 的高壓開關(guān)和鎖存器的 HBM ESD 額定值通常在 4kV 到 6V 范圍內(nèi)，此外，Allegro 還具有一些超過(guò) 12kV ESD 承受能力的器件。
