簡介

Allegro 擁有豐富的霍爾效應和隧道磁阻（TMR）開關及鎖存器產品，可廣泛應用于汽車、工業和消費電子等領域。本應用筆記旨在提供分步選型流程，協助設計師為具體應用場景選擇適配的 Allegro 開關或鎖存器器件。文中詳細闡釋了區分 Allegro 開關與鎖存器的關鍵參數，以助力設計師精準定位符合需求的器件。結論部分總結了選型流程要點，并梳理了 Allegro 開關和鎖存器的常見應用場景。

開關還是鎖存器？

在磁性位置傳感中，主要有兩種類型的傳感器——開關和鎖存器。開關廣泛存在于各種應用中，用于檢測白色家電、醫療設備、便攜式電子設備、智能電表以及許多其他非接觸式開/關位置感應應用的開啟或關閉狀態。這類傳感器通常在磁場存在時進入閉合狀態，在磁場移除時進入開路狀態。

鎖存器是開關的一種特殊變體，具有雙極感應特性。鎖存器常用于電動工具、家電泵和風扇、電動移動平臺、工業自動化等應用中的無刷直流（BLDC）電機。與開關不同，鎖存器會一直維持其輸出狀態，直到磁場極性發生改變。

圖 1: Allegro的開關和鎖存器產品系列

磁性開關

當磁場超過工作點閾值 (BOP) 時, 開關打開；當同極性磁場降低到低于釋放點閾值 (BRP) 時，開關關閉。

開關可以是單極性的或全極性的：

? 單極性開關的 BOP和 BRP具有單一磁極性（單極性南或單極性北）。

? 全極性開關對于南北兩極磁場都有 BOP和 BRP閾值，因此可以響應兩種極性的磁場。

輸出極性可以是標準的或反相的：

? 標準極性外加磁場超過 BOP時輸出為低。這種極性更為常見，因為在沒有外加磁場的情況下，避免了輸出電流的消耗。

? 反相極性為在外加磁場超過 BOP時輸出為高。

為了選擇最適合設計的磁性開關：

? 確定該應用中采用什么輸出極性最優

? 確定磁性閾值應該是正的（單極性南）、負的（單極性北）還是兩者都有（全極性）。

因為全極性開關可以感應南北兩極，所以它在磁體放置方面具備額外的優勢：磁體可以系統中放置在朝向傳感器的北極或南極。然而，為了避免來自雜散磁場的誤觸發，在一些應用中使用單極性器件更優。

圖 2: 霍爾開關輸出狀態 vs. 磁場

圖 3: 使用單極性開關的應用：換擋過程中，

當磁體（紅色和藍色圓柱體）經過IC時，開關動作

磁性鎖存器

鎖存器是一種特殊形式的開關電路，其中 BOP和 BRP閾值受不同的極性觸發；這意味著需要極性相反的磁場來改變器件的輸出狀態。因此，如果 BOP閾值是正極磁場，則 BRP閾值為負極磁場。

圖 4: 霍爾鎖存器輸出狀態 vs. 磁場

對于鎖存器來說，可以根據外加磁場超過 BOP時所需的狀態來選擇輸出極性：

? 標準極性輸出為低 (Vsat)。

? 反相極性輸出為高。

圖 5: 典型的無刷直流電機鎖存器應用，使用三個鎖存器進行電機線圈換向

什么是感應平面？

Allegro 的開關和鎖存器可以在 X、Y 或 Z 平面上感應磁場 (見圖 6)。

大多數 Allegro 的器件使用標準平面霍爾傳感器在 Z 軸（垂直于器件）上感應磁場。平面感應是行業內最常用的配置，也是易于設計的。Z 軸感應適合大多數應用。然而，某些應用和 PCB 設計需要感應軸位于 X 或 Y 平面上（與器件相同的平面）。對于 X 或 Y 軸感應，可以使用垂直霍爾傳感器（VHT）。Allegro XtremeSense 超低功耗隧道磁阻（TMR）傳感器的開關和鎖存器的解決方案適用于在 X 和 Y 平面感應磁場，因為這是其默認配置。

圖6: Allegro的開關和鎖存器的感應平面

要同時感應多個軸，二維（2D）和三維（3D）感應的其他應用場景采用了多個傳感器。

關于感應平面的最終選擇取決于應用場景、磁極狀態和傳感器在 PCB 設計中的位置。

圖 7: 具有兩個用于X和Y軸感應的垂直霍爾板（綠色和藍色矩形）和一個用于Z軸感應的平面霍爾板（紅色方塊）的器件示例

圖 8: 使用XtremeSense TMR傳感器的開關或鎖存器進行X或Y平面感應

什么是磁性開關點？

Allegro 的霍爾傳感器具有各種磁性開關點，范圍從10G 到 600G (1mT 到 60mT)。

在使用鎖存器傳感器進行直流電機換向的應用中，傳感器所處的磁場形式類似于正弦波。由于這種波形會經過零高斯水平，所以具有較低開關點的傳感器可以更好地覆蓋可能使用各種弱或強磁體類型的應用場景。磁體越弱，產生的磁場強度越低，該應用所需的開關點閾值也越低。

對于磁性開關來說，最佳開關點的閾值高度依賴于最終應用的具體情況。例如，開啟開關（如洗衣機門）的磁場強度必須小于關閉開關時的磁場強度，但也不能太低，以免環境中可能存在的其他磁場導致誤觸發。此外，工作 (BOP) 和釋放 (BRP) 閾值之間的遲滯應足夠高，以防止由于噪聲或雜散信號而導致的誤觸發。例如，如果沒有適當的遲滯，洗衣機門（及其磁體）在正常操作期間的機械移動可能會產生錯誤的開門信號。

如果某個應用需要在生產或工作期間調整或校準磁閾值，Allegro 可提供具有可編程磁閾值的器件，允許客戶根據需要調整或者設定開關或鎖存器的磁工作和釋放點。

圖 9: BOP, BRP和 HY 展示

兩線還是三線輸出？

Allegro 的開關和鎖存器可設計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）。這些器件通常有個需要上拉電阻的開漏型輸出。大多數應用更傾向于這種產品。

? 兩線器件只需要連接到 VCC 和 GND。受益于更少線數的應用可能更傾向于這種產品。對于兩線器件，傳感器根據檢測到的磁場強度對供電電流進行調制，以反映開關的開或關狀態。因此，在兩線設備中，開關狀態的數據體現在 IC 供電電流（ICC）中。

兩線器件顯而易見的好處是能夠消除一根連接線，從開關到中央處理器（ECU等）所需的線路距離越長，所能節省的成本就越高。兩線器件的缺點是整體解決方案的電流消耗更高，可能高達 IC 本身電流消耗的五倍。

三線（也稱為開漏）器件更為常見，因為它們比兩線器件更簡單、便宜且功耗更低。然而，對于一些特定應用，節省一根線的好處相比于這些缺點更為顯著。

圖 10: 三線接口電路

圖 11: 兩線接口電路

圖 12: 兩線數字電平

低電壓還是高電壓？

低壓開關和鎖存器通常定義為可以在最低 1.65V 到最高 5.5V 的供電電壓(VCC)下工作的器件。高壓開關和鎖存器定義為可以在高達 24V 或 26V（通常最低為 2.8V 到 3V）的供電電壓下工作的器件。根據終端應用的需求來確定高或低的供電工作電壓。

低壓器件通常連接到外部低電壓電源軌或直接連接到電池供電應用中的低電壓電池上。低壓開關和鎖存器常用于需要低功耗的智能電表、可穿戴醫療設備、遠程物聯網（IoT）傳感器和移動設備等應用。

高壓開關和鎖存器通常包含一個內部的電壓調節器，因此可以將這些器件直接連接到汽車電池總線或其他高電壓軌，而無需外部的調節器。高壓開關和鎖存器廣泛用于汽車行業和高扭矩電機控制的應用場景。

圖 13: 內部集成電壓調節器的高壓鎖存器

上電時間重要嗎？

上電時間（POT）定義為開關或鎖存器在供電電壓 (VCC)超過器件的最小 VCC (VCCMIN) 后可以產生有效輸出所需的時間。對于某些特定應用，短上電時間至關重要。

如果某類應用需要非常短的 POT，可以選擇連續時間器件（如 Allegro A110x 或 A120x 系列）。這些連續時間器件沒有采用動態失調消除技術，因此 POT 更短——通常為 4μs 或更短。連續時間器件通過修調技術而非斬波穩定電路來消除失調。

如果不需要非常短的 POT（常見于大多數應用），建議使用具有動態失調消除功能的 Allegro 器件。采用了動態失調消除技術的器件無需進行修調，因此它對機械應力或溫度漂移引起的失調不太敏感。大多數 Allegro 的開關和鎖存器使用了某種形式的動態失調消除技術。這些器件通常具有約 25μs 的最大 POT。

圖 14: 開關的上電時間 (POT) 的定義

圖 15: 斬波穩定電路

功耗重要嗎？

如果某個應用需要低功耗，例如，手機、無人機、遠程物聯網傳感器和可穿戴醫療設備等電池供電的設備，那么低功耗的開關或鎖存器至關重要。這些器件還需要能夠直接在電池或其他低電壓軌下工作。針對這類應用，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占空比循環工作來降低功耗，僅在短暫時間內（最長約 60μs）打開（喚醒）以感知外加磁場。微功耗開關或鎖存器的開啟和關閉（睡眠）時間比例可能因器件而異。對于需要在最低功耗水平下工作的設備，睡眠期的時間會更長，范圍可以從 1.5ms 到 200ms。通過延長活動喚醒期之間的時間間隔，像 Allegro APS11753 這樣的微功耗開關可以達到低于 5μA 的連續電流消耗水平。

然而，長睡眠期的一個缺點在于 IC 處于睡眠模式時無法檢測到磁場變化，因此開關或鎖存器需要更多時間來響應外部磁場的任何變化。對于磁場快速變化的高速應用，具有長睡眠期的微功耗器件可能沒有足夠的帶寬來準確檢測磁場變化。然而，對于較低帶寬的應用，如電池供電的筆記本電腦和便攜式電子設備中的蓋子開/關檢測，不存在這個問題。

圖 16: 微功耗工作原理

推挽型輸出是超低功耗的低壓開關和鎖存器的另一個常見特性。與單個開漏場效應晶體管（FET）和外部上拉電阻的結構相比，推挽型輸出使用了兩個晶體管，它們進行開關動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，但推挽輸出無法提供高的輸出驅動電流。因此需要仔細分析輸出驅動的要求。開漏輸出可以提供高達 25mA 的驅動電流并且可以根據外加電壓提供不同的開通和關閉輸出電壓，與此相比，推挽輸出的驅動電路通常限制在約 1mA以內；然而，這對于大多數高阻型數字輸入/輸出（I/O）的接口來說已經足夠了。

圖 17:推挽型輸出配置

Allegro 的 XtremeSense TMR 開關和鎖存器產品（CT811x、CT812x、CT813x）通過使用隧道磁阻（TMR）傳感器代替霍爾板來檢測磁場。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，這使得這些器件能夠達到亞微瓦級的功耗水平。

圖 18: XtremeSense TMR 開關和鎖存器位置傳感器

圖 19: 更高帶寬和靈敏度的TMR傳感器

是否需要ASIL評級？

一些汽車應用要求開關和鎖存器具有汽車安全完整性等級（ASIL）評級。ASIL 是由 ISO 26262 定義的風險分類方案。Allegro 的產品組合中有各種 ASIL 評級的開關和鎖存器，因此非常適合汽車應用。這些產品中涵蓋了 X、Y 或 Z 軸感應的三線和兩線配置，如 Allegro APS12450、APS11800 和 A113x 系列。

ESD重要嗎？

與其他應用相比，汽車的高壓應用通常需要能夠根據人體模型（HBM）承受更高水平的靜電放電（ESD）。與此相反，低壓應用通常具有不太嚴格的 ESD 要求。Allegro 的高壓開關和鎖存器的 HBM ESD 額定值通常在 4kV 到 6V 范圍內。然而，Allegro 還具有一些超過 12kV ESD 承受能力的器件。

快速選型指南

下表展示了本應用筆記中討論的具有代表性的不同選項的 Allegro 器件。如需獲取更詳盡的 Allegro 產品列表與數據手冊，請點擊【閱讀原文】或訪問下方鏈接:

https://www.allegromicro.com/en/products/sense/switches-and-latches

Allegro 的開關和鎖存器器件選型