电池供电电子产品中的位置编码 电子产品, 电池

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关键字：位置编码   单芯片   霍尔传感器  



在所有的传感器技术领域中，超低功耗节能设计的趋势非常明显。带有无线网络和故障安全保护功能的便携式设备和传感器尤其需要对位置数据进行低功耗测量。此外，在很多应用中，即便外部电源不可用，也需要检测出位置变化。测量所需的能量可通过能量采集解决方案获得或由电池提供。使用霍尔传感器的磁性位置测量，可以集成到包含完整信号调理电路的单芯片编码器中。
集成式霍尔传感器可节省空间和节约成本，但工作期间所需的功率相对较高。这里的解决方法是让霍尔传感器短时启动。快速位置测量（像电机控制所需的位置测量）需要霍尔传感器快速评估和发送脉冲，而计量应用程序所需要的采样率较低。因此，节能工作需要采取特殊的解决方案。

如果实现微安？

霍尔传感器生成的信号电压与磁通密度和霍尔元件中的电流成比例。当使用CMOS技术实现时，传感器的性能由工艺确定。因此，只能通过减少霍尔元件的测量周期，降低电源电压以及使用超低功耗电路设计技术（ULP）来降低电流消耗。

测量频率仅设置在位置测量所需的那样高。只有在确实需要时，ULP电路设计才会启动个别功能模块。可编程的掉电和唤醒电路可确保避免不必要的启动，从而将平均电流消耗降至最低。将I/O端口的供电电压减少至3.3V或1.8V，可进一步减少电流消耗，简化电池的选择。

为减少外部磁场的干扰，一对霍尔传感器可用于一体化的霍尔编码器集成电路，适用于不同的磁场组件。磁场由在芯片上方旋转的磁铁生成。使用三相抽样法时仅需要3个霍尔传感器，而非惯用的4个传感器，这样可以减少约25%的电流消耗。切换电源线路

在某些应用中，即便在外部电源不可用的情况下，也需要进行高能效位置测量。对于机器人来说，在出现电源故障后，其由于惯性仍可继续移动，如果未能识别到位置变化，且在错误数据下重启，将会发生危险。因此，这些执行器的所有连续移动必须通过多匝编码器安全地检测出。其要么有机械齿轮，要么有带电源故障保护（如配备电池）的电子记录功能。对于消耗量测量设备，如工业水/气表，即便在没有外部供电电压的情况下，也必须能够实现采集。因此，必须能够在电池供电和外部供电之间实现自动切换。

图3显示了使用iC-PV对叶轮进行磁扫描的气表或水表的方框图。这一ULP单片霍尔编码器可在节能电池工作和正常电网工作之间自动切换。



图3：工业水/气表计量应用中的ULP编码器。


Preset预置
Meter表计
Readout读数

如果供电电压VDD降低至低于限定电平，iC-PV将自动切换至电池供电VBAT。在电源恢复后，iC-PV通过串行接口为读数器件提供计数值，用于消耗量计算。测量结果通过8位CRC核对，误差通过低电平有效NERR输出以及串行数据传输中的误差位来反映。

4个霍尔传感器以可调1至3位分辨率检测位置变化。旋转数在长度高达40位的多匝计数器中计数。iC-PV也具有3位八进制分辨率的并行输出。外部EEPROM在校准期间通过单独的I2C接口进行编程，iC-PV在上电时加载CRC所保证的配置数据。

在工作模式和待机模式下，iC-PV的ULP设计采用类似于此前描述的iC-TW11的方法来减少电流消耗。然而，iC-PV有自己独立的周期和时序控制，以在无需使用外部微控制器的情况下，周期性地启动规定的测量周期。根据设定的采样率，旋转可在12000rpm至100000rpm的速度范围内进行计数。平均电流消耗范围从仅2μA至30μA，从而使电池缓冲的工作可维持数年。

总结
如两个案例所示，使用ULP单芯片霍尔编码器进行的位置测量，可在直接电池工作或甚至是在出现电源故障的情况下有效进行。在第一个案例下，测量周期通过微控制器进行外部控制和处理。在发生电源故障的案例中，单芯片霍尔编码器iC-PV通过备份电池供电。变化能够被检测并保留，以至于在外部电源恢复时能够用于发送。由于通过ULP设计技术可实现极低电流消耗（小于10μA）的解决方案，在单芯片编码器中对霍尔传感器和模拟和数字评估电路进行集成非常有利。