【導讀】本文重點介紹基于霍爾效應開關的主要反饋系統，提供關于一般工作原理和傳感器要求的說明，展示了英飛凌 BLDC 應用專用霍爾效應開關。
圖 1 顯示了霍爾效應開關反饋的最簡單的應用示例。三個霍爾傳感器被 120°相角隔開，通過轉子磁體觸發。這些傳感器每 60°獲得一個新的數字狀態，并據此產生圖 2 所示的開關樣式。因此，可以知曉轉子位置，分辨率為 60°；若將霍爾傳感器放置在合適的位置，就可以令信號轉換與線圈勵磁理想換向點精確匹配。 在這個包絡內，可以使用任意恒定的或脈寬調制 (PWM) 驅動信號為線圈供電，驅動電機運轉。
圖 1內部轉子 BLDC 電機
圖 2霍爾開關 S1 至 S3 在轉子旋轉一周過程中的開關模式
在許多無刷直流電機中，霍爾傳感器直接檢測轉子磁體的磁場。其結果是，傳感器安裝在電機內部，暴露在高溫和振動中，缺乏密封保護，氣體和液體可能對部件造成影響。此外，安裝新的傳感器，尤其是更換故障部件是非常細致的工作，費用很高。有些電機在軸上加裝一個磁環，通過這個磁環來觸發霍爾開關，從而允許霍爾開關遠離加熱部件。圖 3 顯示的就是這類應用示例。這個解決方案的好處是溫度更低、更便于接觸并且提高了設計的靈活性，但這些優勢也是有代價的：增加了加裝磁碼盤的費用。在這類設計中，霍爾開關模式中的角度傳感器別具吸引力。
圖 3BLDC 電機，帶外部霍爾開關磁體
1、傳感器類型
霍爾效應開關在兩種邏輯狀態之間切換，這兩個開關點之間有一定的滯后。人們通常將這類器件分成兩個大類：單極開關，雙極鎖存。 這里不考慮全極開關和雙極開關。
圖 4單極開關與雙極開關
單極開關
圖 4 介紹了單極開關的工作原理。當外加磁場穿過工作點 BOP 時，器件輸出開啟。若磁場被釋放，在 Brp 達到零場之前，器件切換回關閉狀態。通過一些滯后 Bhys 來避免兩種狀態之間發生瞬態快速切換事件。
雙極鎖存器
與單極開關相似，雙極鎖存器也在磁場穿過 Bop 后開啟。不過，釋放磁場之后，雙極鎖存器即使在零場中也會保持其狀態。只有當極性反轉的磁場通過 Brp 后，器件才會返回到關閉狀態，如圖 4 所示。因此這些器件名副其實，能夠有效地鎖存其狀態。
1、霍爾效應開關的要求
接下來，讓我們來看一些關于 BLDC 電機換向用霍爾效應開關的具體要求：
單極與雙極
傳感器的任務是準確地檢測轉子的位置。理想的情況是，轉子位置每次正好改變 60°時傳感器就提供一個換向信號，不考慮電機速度和施加的扭矩，每個傳感器每 180°切換一次輸出。圖 5 顯示了一個傳統的單極開關和兩個不同的雙極鎖存器的行為。可以看出，單極開關會帶來不平衡的占空比，而雙極鎖存器在 Bop 和 Brp 絕對值相等時，占空比正好為 50％。靈敏度越高，延遲就越小，這就是首選接近 0mT 的開關點的原因。因此，高靈敏度的雙極鎖存器是這個應用的最佳選擇。
圖 5不同霍爾開關的開關圖。高靈敏度的雙極鎖存器延遲最低，占空比平衡
開關點精度
很遺憾，由于半導體制造過程中有過程差異，所以無法創造出相同的傳感器。每個傳感器都有其個性，并且事實證明，磁開關點是一個嚴重受工藝差異影響的參數。此外，環境的影響，例如因二次成型或濕度導致的機械應力等，也會導致開關點在器件壽命期間發生偏移。為了減少這些影響，一些霍爾效應開關采用斬波原理，通過一個巧妙的方法來消除霍爾探頭和輸入放大器級的偏移。此技術允許用戶在僅具有小差異的狹窄窗口內指定開關點。由此帶來的機械應力高抗性能也是 TLE49x6 系列的另一大優勢。
圖7是顯示了有不同開關點差異的兩個雙極鎖存器之間的對比情況。可以看出，在最壞的情況下，如果Bop和Brp正好在指定開關點范圍的任一端上，占空比可能很不平衡。 部分器件采用上述斬波原理，開關點的差異更小，因此對占空比的影響非常小，旋轉一整周過程中電機可以實現平衡致動。
圖 6開關點差異對占空比的影響較小的差異可以帶來平衡的占空比
延遲
磁場過零點后立刻換向，不應傳感器內部處理而被延遲。英飛凌的霍爾開關是基于一個輸入與輸出只有微小延遲的快速信號路徑。
抖動
開關樣式的重復性是電機換向應用的另一個重要標準。用抖動參數來識別常規操作過程中開關點的變化幅度有多大。
圖 7固定式開關點與溫度補償式開關點
2、霍爾開關模式的角度傳感器
針對可以使用如圖 3 所示外部霍爾磁體的應用，有只要一個傳感器就可以創建霍爾效應開關的開關模式，基于獲諾貝爾獎的巨磁阻 (GMR) 效應原理，將標準硅處理工藝融入其成功的 iGMR 技術中。如圖 8 顯示，在電機軸上安裝一個簡單的圓柱形磁體，用于創建通過2、3、4、6、7、8、12 和16 個極對驅動轉子所需的開關模式。憑借自動校準算法，在溫度范圍和工作壽命期間可以獲得小于 1°的角度誤差（機械），其開關模式通常可以比最精確的霍爾開關提供的開關模式更準確。
對一些要求更高轉矩平滑性的電機來說，只使用在大多數無刷直流電機中采用的塊換向是不夠的，它們需要使用特殊的繞組設計和適配的驅動算法來同步驅動電機。這些永磁同步電機 (PMSM) 通常需要更精確的反饋。
圖 8安裝霍爾傳感器，軸上有一塊徑向磁體
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