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A32XX系列微功耗霍尔开关


摘要:
A32xx系列霍尔开关型传感器是美国Allegro Microsystems公司生产的微功耗霍尔开关芯片,文中介绍了这种霍尔开关器件的特性原理和封装形式,分析了A32xx器件的构成原理和工作特性,给出了A32xx系列器件在低功耗应用时的限制条件。
关键词:霍尔开关;微功耗;低电压;斩波调零;A32xx



1 概述

美国Allegro Microsystems公司生产有各种类型的磁敏感(霍尔)器件,其中A32xx系列是一组微功耗霍尔开关型传感器。该系列有A3209、A3210、A3212等三种器件,它们的共同特点为工作电压和功耗极低、不依赖于磁极,即任何磁极都能使其动作(开关导通)、超敏感、数字锁存输出等。特别适用于电池供电的手持设备,如手机、传呼机、无绳电话、掌上电脑等。

A32xx系列的2.5V~3.5V低工作电压和内部定时工作结构降低了器件的平均功耗。A3209的功耗为400μW、A3210为25μW、A3212为15μW。该系列中各型号产品除了平均工作电流、磁灵敏性、工作时间和休眠时间比(以下称忙闲比)有差异外,其它特性几乎一样。

该产品通过斩波调零(动态消除失调)技术来改善其稳定性,从而使残余失调电压得以降低。这些失调电压通常是由器件成型过程、温度系数和热应力产生的。该产品在一个硅晶片上集成了霍尔电压产生器、小信号放大器、斩波稳零器、锁存器和MOS-FET输出驱动器。先进的BiCMOS工艺使该产品具有低工作电压、极低功耗、极低失调误差和很小的几何尺寸等特点。

该产品有两种封装形式,一种是三脚贴片微小型封装,后缀为“LH”,如1(a);另一种是三脚直插封装,后缀为“UA”,如1(b)。



2 低功耗特点

A32xx系列产品内部有一个定时电路,其作用是定时激活(也称唤醒)霍尔传感器以使其工作一段时间后,再定时使传感器休眠一段时间。传感器的工作时间加上休眠时间为一个定时周期,如图2所示。传感器的工作时间对不同的器件是不一样的,A3209、A3210为60μsA3212为45μs。定时周期对不同的器件也是不一样的,其中A3209为480μs、A3210为60ms、A3212为 45ms。在短暂的唤醒时间内,传感器进行采样测量并在定时脉冲的下降沿将数据锁存。而在休眠时间内,器件的输出为最近一次采样的结果。该器件的电源电流不受输出状态的影响。



3 动态斩波技术

霍尔器件可以被看成类似于惠斯顿电桥的一组电阻阵列,这些电阻的匹配是造成器件失调的主要因素,而器件的成型过程、热应力和温度系数则是造成电阻不匹配的最主要因素。A32xx系列产品采用动态斩波技术消除失调,并通过内部集成的高频时钟控制CMOS开关来动态改变流过器件的电流方向和霍尔电压测量端内部采样保持电路所捕获的霍尔电压信号,然后通过低失调的双极电路进行处理,以使得电阻不匹配所造成的残余失调电压能相互抵消。该技术使A32xx器件具有极稳定的静态霍尔输出电压,而与热应力无关。



4 工作特性

A32xx系列与一般的霍尔开关不一样,该系列无论对N极还是对S极磁场,只要垂直于器件且磁通密度达到其动作点Bopn或Bops以上,都会使器件开关导通输出为低,此时器件可以吸收1mA的电流。只要磁通密度降低到释放点Brpn或Brps以下,都会使器件开关断开输出为高。磁通密度动作点和释放点的差异称为器件的磁滞Bhys。该磁滞特性可保证即使出现外部振动和电气噪声,器件的开关过程均无抖动。给出了该系列器件的输出电压与磁通密度的关系特性。

还有一种磁性开关称为舌簧开关,该开关有两大特点,一是基本无功耗,二是其开关动作不依赖于磁场磁力线的方向,即只要有磁力线穿过舌簧开关,无论其方向是从左到右还是从右到左,都会使舌簧开关动作。由于舌簧开关本质上是一种机械开关,其速度、可靠性和寿命都难以与电子开关相比。而A32xx系列器件本质上是一种电子开关,它的动作(导通)不依赖于磁极性,同时极低的功耗使得该产品能够方便地取代舌簧开关且具有更高的可靠性。

A32xx系列产品的内部结构。X为霍尔传感器。电路工作时,霍尔传感器、动作失调消除电路、小信号放大器、采样保持器电路共同完成测量与稳零,而后经过放大后进行施密特整形,并在唤醒脉冲的下降沿将整形结果锁存,再经MOS-FET驱动输出。定时逻辑用于实现器件的唤醒和休眠周期的控制。在休眠阶段,开关断开,此时除定时逻辑和锁存器外,其它电路均不工作,降低了功耗。



5 应用提示

在实际使用时,建议在器件的电源端加上0.1μF的旁路电容,以便对外部噪声和器件内部时钟噪声进行抑制,其典型连线方式。

由于A32xx器件本身带有唤醒测量和休眠停止工作方式,因此,A32xx系列器件通常不能用于较高速度的测量。设忙/闲定时周期为T,理论上速度小于1/T的测量均可使用,实际中往往在速度小于1/2T~1/3T的场合使用。因此,A3209适用于小于等于1kHz速率的测量,A3210适用于不大于8Hz速率的测量,A3212适用于11Hz速率的测量。表1和表2分别列出了A32xx系列器件的电气参数和磁特性参数指标,以供使用时参考。

表1 A32xx系列器件的电气参数

特    性符    号测试条件范        围
最 小典 型最 大单 位
电源电压VDD动作过程2.52.753.5V
输出漏电流IOFFVOUT=3.5、BRPN<B<BRPS-<<1.01.0μA
输出接通电压VOUTIOUT=1mA/VDD=2.5V-100300mV
唤醒时间tawakeA3209Ex、A3210Ex306090μs
A3212Ex-4590μs
忙闲时间tperiodA3212Ex240480720μs
A3209Ex306090ms
A3210Ex-4590ms
忙闲比d.cA3209Ex-12.5-%
A3210Ex-0.1-%
A3212Ex-0.1-%
斩波频率fc-340-kHz
电源电流(2.5V≤VDD
≤3.5V)
IDD(EN)芯片唤醒A3209Ex、A3210Ex0.1-3.0mA
A3212Ex--2.0mA
IDD(DIS)芯片休眠A3209Ex、A3210Ex1.01050μA
A3212Ex--8μA
IDD(AVG)平均电流A3209Ex、VDD=2.75-145425μA
A3210Ex、VDD=2.75-8.82.5μA
A3212Ex、VDD=2.75-4.210μA
A3209Ex、VDD=3.5V-195425μA
A3210Ex、VDD=3.5V-1360μA
A3212Ex、VDD=3.5V-4.810μA


表2 A32xx系列器件的磁特性

特  性符  号测试条件范      围
最小典型最大单位
动作点BOPSA3209、A3210-3060G
A3212--55G
BOPNA3209、A3210-60-35-G
A3212-55--G
释放点BRPSA3209、A32105.022-G
A321210--G
BRPNA3209、A3210--2.7-5.0G
A3212---10G
滞后Bhys(BOPX-BRPX)A3209、A3210-7.7-G
A3212-8-G