【導(dǎo)讀】與機械開關(guān)相比，鎖存器和開關(guān)芯片在眾多應(yīng)用中發(fā)揮著更為關(guān)鍵的作用。它們可以提高終端裝配的靈活性、可靠性、功能安全性、可重復(fù)性、準(zhǔn)確性并優(yōu)化尺寸。本文主要介紹鎖存器和開掛的工作原理、不同類型以及 Melexis 鎖存器和開關(guān)芯片產(chǎn)品組合。
智能和互聯(lián)始于鎖存器和開關(guān)芯片
與機械開關(guān)相比，鎖存器和開關(guān)芯片在眾多應(yīng)用中發(fā)揮著更為關(guān)鍵的作用。它們可以提高終端裝配的靈活性、可靠性、功能安全性、可重復(fù)性、準(zhǔn)確性并優(yōu)化尺寸。本文主要介紹鎖存器和開掛的工作原理、不同類型以及 Melexis 鎖存器和開關(guān)芯片產(chǎn)品組合。
什么是鎖存器和開關(guān)芯片？
磁性鎖存器和開關(guān)芯片基于霍爾效應(yīng)原理，將磁鐵的磁場強度信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號（1 或 0）。因此，其輸出為 On（開）或 Off（關(guān)），具體取決于所施加的磁場。通過磁鐵的位置，鎖存器和開關(guān)芯片可以確定物體的實際位置。
開關(guān)原理
輸出在達(dá)到定義的閾值時發(fā)生變化。
鎖存器原理
這是基于兩個相反的閾值進(jìn)行動作的咖甘。輸出首先在達(dá)到定義的一個閾值（例如北極磁場值）時發(fā)生變化，然后在達(dá)到相反的閾值（例如南極磁場值）時再次發(fā)生變化。在這兩個閾值之間，輸出處于鎖定狀態(tài)（保持不變）。
鎖存器和開關(guān)芯片主要有哪些類型？
鎖存器和開關(guān)芯片分為三大類。對于這三類，關(guān)鍵參數(shù)都是兩個開關(guān)閾值：BOP，磁場工作點；BRP，磁場釋放點。
第一類是單極開關(guān)芯片。
此類芯片只在一個磁場范圍中激活，可以是北極磁場或南極磁場。如果施加的磁場強度高于 BOP 閾值，開關(guān)芯片將啟用輸出。移除磁鐵后，磁場強度將低于 BOP 閾值，開關(guān)芯片將禁用輸出。這種開關(guān)芯片主要用于位置檢測。
第二類是雙極開關(guān)芯片，也稱為鎖存器。
鎖存器可以在一個磁場范圍內(nèi)激活，在施加相反的磁場時停用。在這種情況下，BOP 定義輸出驅(qū)動器何時激活（On（開）），而 BRP 定義輸出驅(qū)動器何時停用（Off（關(guān)））。鎖存器通常用于 PLC 控制的無刷直流電機換向或直流電機索引計數(shù)。
第三類是全極開關(guān)芯片。
功能與雙極開關(guān)芯片相同，但可以同時在兩個磁場范圍內(nèi)工作。換言之，這類開關(guān)芯片在南北極磁場中都能激活，用于檢測兩個磁場范圍的變化。
鎖存器和開關(guān)芯片應(yīng)用在哪些領(lǐng)域？
鎖存器和開關(guān)芯片無處不在，可應(yīng)用于各種設(shè)備，簡化我們的生活。這些“開-關(guān)”切換器件廣泛應(yīng)用在汽車的制動系統(tǒng)、變速箱、車門鎖以及安全帶等組件。在電動自行車中，這些器件用于踏板輔助系統(tǒng)、速度計和電機換向，而在電動摩托車中，這些器件還用于觸發(fā)控制器。
在居家環(huán)境中，鎖存器和開關(guān)器件廣泛應(yīng)用于各種智能家電。這些器件用于確保洗衣機的門已關(guān)閉；顯示咖啡機的水位和水流量；檢測打印機紙張負(fù)載以及機蓋是打開還是關(guān)閉；并且可用于各種電動工具（電機換向、位置檢測器等）。
其他應(yīng)用包括智能樓宇（HVAC 電機換向）、機器人技術(shù)（開/關(guān)檢測、無刷直流電機換向、終點位置檢測等）、能源管理（門開/關(guān)檢測等）和數(shù)字健康（健康管理設(shè)備電機換向、溫度計防水開關(guān)等）等。
如何選擇正確的輸出功率?
為選擇適合特定應(yīng)用的鎖存器和開關(guān)芯片，首先需要選擇正確的輸出功能。這取決于具體模塊以及用于連接另一個系統(tǒng)的電線數(shù)量。標(biāo)準(zhǔn)配置為 2 線制、3 線制或 4 線制。這意味著您可以選擇輸出由電源電流表示的 2 線制傳感器芯片；具有開漏輸出的 3 線制傳感器芯片；以及輸出速度（或脈沖）和方向兩個信號的 4 線制傳感器芯片。
在某些消費類應(yīng)用中，還可以選擇推挽輸出類型，而不采用開漏輸出。在這種情況下，無需額外使用外部元件（上拉電阻），從而進(jìn)一步簡化模塊裝配。
2 線制
這類芯片通常用于遠(yuǎn)程傳感器應(yīng)用。其主要優(yōu)勢在于，可以替換 2 線制機械開關(guān)，同時仍然使用相同的線束。芯片的電流用于識別傳感器芯片是否已達(dá)到工作點或釋放點。
根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：
IDD_LO
當(dāng)磁場強度等于或低于 BRP 時產(chǎn)生的電流。部件消耗的電流通常為 3.3 mA 或 6 mA，具體取決于所選的傳感器芯片。
IDD_HI
磁場強度達(dá)到 BOP 閾值時部件消耗的電流。該值通常為 14 mA。
電流水平在整個 VDD 范圍內(nèi)保持不變，即使出現(xiàn)一些波動，也能確保讀數(shù)穩(wěn)定。檢測電阻 RSENSE 所在的回路可將電流輸出轉(zhuǎn)換為電子控制單元的邏輯輸入。
3 線制
這類芯片配有開漏輸出。為形成 3 線制，阻性負(fù)載必須連接到 VDD 線。典型負(fù)載介于 10 kΩ 和 100 kΩ 之間。該負(fù)載可以連接在模塊側(cè)或電子控制單元側(cè)。達(dá)到 BOP 閾值時，輸出將接近 0 V。在這種情況下，輸出將被禁用并通過上拉電阻連接到 VDD。
4 線制
這類芯片輸出兩個信號：速度（或脈沖）和方向。速度是鎖存?zhèn)鞲衅鞯恼］敵觯较蜉敵霰硎拘D(zhuǎn)方向是順時針還是逆時針。這類芯片配有兩個霍爾元件，通過使用 CMOS 工藝確保板間寬度固定。
根據(jù)鎖存磁特性，速度 (SP) 輸出會在面向封裝頂部的南極或北極磁場強度足夠強時分別變?yōu)榈碗娖交蚋唠娖健４艌鋈コ螅骷３种暗臓顟B(tài)。
當(dāng)兩個霍爾板上存在特定的磁脈沖序列時，方向 (DIR) 輸出會根據(jù)所施加磁場的運動方向鎖存為低電平或高電平。
Melexis 鎖存器和開關(guān)芯片有哪些特性？
側(cè)向感應(yīng)選項
側(cè)向感應(yīng)僅需一個開關(guān)即可實現(xiàn)速度檢測，適用于摩托車輪速傳感器等背向偏置應(yīng)用。側(cè)向感應(yīng)還可實現(xiàn)通常需要傳統(tǒng)通孔組件的表面貼裝器件 (SMD) 解決方案。與其他解決方案相比，回流焊可為其帶來更多優(yōu)勢。典型應(yīng)用包括鼓風(fēng)機、冷卻風(fēng)扇和泵等。
此外，側(cè)向感應(yīng)還能提高磁性設(shè)計的靈活性，從而實現(xiàn)尺寸更為小巧的電機設(shè)計，不受間距影響。典型應(yīng)用包括汽車行業(yè)的車窗升降器和天窗等。
雙芯片選項
雙芯片選項可提供另一個可編程/預(yù)設(shè)輸出，即芯片共包含兩個獨立的輸出，芯片功能更為豐富，可實現(xiàn)反向輸出、報警檢測和失磁檢測等應(yīng)用。此外，還能實現(xiàn)更為小巧的 PCB 設(shè)計。典型應(yīng)用包括變速箱、電子鎖存器和車窗升降器等。
微功率選項
傳感器芯片具有“微功率”的特點，兼具低壓運行和低電流消耗優(yōu)勢，特別適合電池供電設(shè)備。該器件采用在內(nèi)部進(jìn)行管理的休眠/喚醒策略，功耗得到顯著降低。典型應(yīng)用包括保險箱的門鎖等。
可編程選項
鎖存器和開關(guān)芯片可由客戶編程，滿足客戶的各種需求。BRP 和 BOP 可以根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整。芯片可直接編程，具有很高的靈活性和準(zhǔn)確性。
TC 選項
由于不同類型的磁鐵（鐵氧體磁鐵、釹磁鐵等）在同一溫度下的表現(xiàn)不同，熱補償 (TC) 是某些應(yīng)用的一個關(guān)鍵參數(shù)。因此，選擇具有適當(dāng) TC 或可編程 TC 的芯片非常重要。
浮動開關(guān)選項
浮動開關(guān)芯片采用隔離式輸出（SOI 技術(shù)），只需通電即可直接驅(qū)動負(fù)載。典型應(yīng)用包括液位計應(yīng)用、按鈕和負(fù)載直接驅(qū)動等。此外，浮動開關(guān)芯片也可直接替代機械簧片開關(guān)。
滿足汽車安全完整性等級 (ASIL) 要求的選項
符合 ASIL 要求的芯片依據(jù) ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。此類芯片適用于汽車安全應(yīng)用，如安全帶扣等。
不同應(yīng)用適用于哪些不同的磁性芯片？
Melexis 的鎖存器和開關(guān)芯片支持多種應(yīng)用。主要產(chǎn)品描述如下。在選擇傳感器芯片時，仔細(xì)考慮可應(yīng)用于設(shè)計的磁性芯片，為應(yīng)用選擇最合適的產(chǎn)品，實現(xiàn)最佳效果。
滑動
滑動開關(guān)芯片只在一個磁場范圍內(nèi)工作。在下方示例中，已選擇南極磁場。當(dāng)磁鐵位于芯片正前方時，磁場強度達(dá)到最大值。磁鐵只要在平行于芯片的方向上移動，就會減弱磁信號。在此配置中，建議使用單極傳感器芯片。
正面接近
接近開關(guān)芯片同樣只在一個磁場范圍內(nèi)工作。在下方示例中，磁鐵盡可能靠近芯片時，磁場強度達(dá)到最大值。磁鐵只要朝芯片方向移動，就會增強磁信號。對于這種配置，應(yīng)使用單極開關(guān)。
旋轉(zhuǎn)編碼器磁鐵
圓盤形磁鐵通常用于索引計數(shù)應(yīng)用。傳感器芯片將通過南極磁場啟用并通過北極磁場禁用。對于每個磁極對，傳感器信號將切換兩次。對于這些配置，非常適合選擇鎖存器芯片，因為這類芯片在相反的磁場下工作和釋放。在請求方向信息的情況下，方向傳感器可能是一項優(yōu)勢。
葉片中斷
亞鐵葉片可用于中斷磁信號。該葉片會使磁場強度發(fā)生變化并觸發(fā)傳感器芯片的輸出。可能仍會對傳感器芯片施加一個較弱的磁場。對于這類應(yīng)用，首選單極傳感器芯片。
背向偏置應(yīng)用
對于此配置，可以采用多種實現(xiàn)方案。第一種方案可以使用成本較高的零高斯磁鐵來實現(xiàn)，在傳感器感應(yīng)點所在的位置形成一個實際的零磁場區(qū)域。這種方案支持使用預(yù)編程芯片。
第二種方案可以使用可感應(yīng)側(cè)向磁場分量的傳統(tǒng)磁鐵來實現(xiàn)。該方案已借助 Melexis 的 IMC 技術(shù)實現(xiàn)。采用這種方案時，可以使用普通磁鐵；當(dāng)側(cè)向磁場分量接近于零時，磁鐵在整個溫度范圍內(nèi)的表現(xiàn)仍然很穩(wěn)定。對于這種配置，建議在將芯片安裝到磁鐵上后進(jìn)行簡單的編程，以確保平穩(wěn)運行。
下圖表示普通磁鐵配置的磁性分量 Bx 和 Bz。Bz（綠線）顯示應(yīng)用中出現(xiàn)大幅偏移（100 mT），說明溫度變化會產(chǎn)生很大影響，在整個溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)良好運行極具挑戰(zhàn)性。對于這類應(yīng)用，通常使用動態(tài)補償傳感器芯片，但會導(dǎo)致物料清單成本較高。
磁場的側(cè)向分量 (Bx) 在 0 mT 左右對稱，因此具有出色的溫度特性，可提高設(shè)計的穩(wěn)定性。采用這種方案（經(jīng)過 0 mT），可以使用靜態(tài)開關(guān)傳感器芯片來控制所需的占空比。芯片安裝后可進(jìn)行編程，這對于提高精度非常關(guān)鍵。對于此配置，建議使用較小的磁滯 +/- 1 mT。
浮動開關(guān)
若搭配一排浮動開關(guān)，磁鐵可用于檢測液位。此外，浮動開關(guān)芯片也可直接替代機械簧片開關(guān)。
Melexis 鎖存器和開關(guān)芯片產(chǎn)品組合
我們提供各類鎖存器和開關(guān)芯片為多種應(yīng)用提供支持
鎖存器和開關(guān)芯片的應(yīng)用越來越廣泛，這類芯片可用于各行各業(yè)的各類應(yīng)用，實現(xiàn)位置、距離、速度或定向運動檢測。此外，鎖存器和開關(guān)芯片維護(hù)成本低，設(shè)計堅固耐用，可實現(xiàn)非接觸式無磨損操作，并且可免受水、灰塵和振動的影響。Melexis 致力于設(shè)計、開發(fā)和制造高質(zhì)量的鎖存器和開關(guān)芯片。
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