差分传感技术加持 双像素MPS摆平磁场干扰

磁性位置传感器(MPS)是电机控制应用中的重要组件；传统MPS易受杂散磁场干扰，造成安全疑虑。新一代双像素MPS采用差分传感技术设计，可有效阻绝杂散磁场干扰，达到更精密准确的电机控制，并满足日益严格的功能安全标准要求。

在工业及汽车市场，磁性位置传感于各种电机及电机控制应用中已日益的普及，而用来测量通量密度的各种方法也持续进步，促成完全集成型传感IC或磁性位置传感器(Magnetic Position Sensor, MPS)的发展。这类传感器在单一芯片中集成磁性传感、信号调节及信号处理功能，如奥地利微电子(ams)推出的最新一代3D MPS，能从三个方向传感磁性通量，这让它们的应用范围比起以前更为宽广(图1)。 


图1　3D MPS周围磁场三个向量的图示

就位置传感而言，无论是采用哪种磁性传感方法，都比光学传感或接触式传感(电位器)来得稳定和可靠，这是因为磁性技术不会受到尘土、油污、震动及潮湿的影响，而这些因素在严苛的汽车和工业应用中是很常见的。

在汽车领域中，产品设计必须符合ISO26262功能性安全标准所规定的严格风险管理要求。然而，使用传统MPS的设计工程师愈来愈常遇到一个问题，就是来自杂散磁场的干扰，这会破坏MPS的输出，或是将信噪比(SNR)降至让人无法接受的程度。甚至是肇因于杂散磁场的已知风险，也会对重视安全的设计造成损害。

随着汽车电气化程度的扩大，这样的风险日益增加。特别是携带高电流的电机及电线，正是杂散磁场的强大来源；这在许多工业应用中也同样是存在的。保护脆弱的MPS不受杂散磁场的影响，现有的对策既麻烦又昂贵。如同这篇文章所言，较佳的方法是提高MPS对于杂散磁场的免疫力。

传感器远离杂散磁场干扰常见方法

因应杂散磁场的常见方法之一是屏蔽传感器IC。这不是一个好方法，这样的说法是基于两个理由。首先，所使用的屏蔽材料不只是会和杂散磁场产生作用，还会和这个MPS的匹配磁场产生作用。(这个配对的磁铁附着于要被测量的移动对象上。当这个配对磁铁往前或往后移动远离传感器时，静态MPS会将磁通量的变化，转换为精确的位移量测。)屏蔽材料本身会被磁化，而且它的特性也容易随着温度变化而改变。

此外，屏蔽材料会表现出磁滞行为，这可能会将配对磁铁的磁力线重新导向为远离传感器。为避免屏蔽的寄生特性会中断系统的运作，所以必须把它放在距离磁铁较远处。这就限制了系统设计工程师在布局、布线及放入传感器模块组件的自由度。这也会让系统更大、更重、更复杂、更难组装及更昂贵。

另一种截然不同的方法则不须要屏蔽，而是让MPS和具有极高剩磁(Br)的磁铁配对，将它放置在靠近MPS的位置。此种做法的效果是要让讯号对杂散场比 (Signal-to-stray-field Ratio)较有利；这对于整体SNR也有同样的效果。不幸的是，像是钕铁硼磁石(NdFeB)或钐钴磁石(SmCo)这些类型的强力磁铁，价格约是便宜的永磁铁氧体或塑料连联结磁铁的十倍之多，这就破坏了MPS在许多应用中的成本优势。此外，这样的方式对许多应用而言并不适合，因为它们无法将磁铁放在靠近IC的地方。        

借力双像素传感器IC MPS增强杂散磁场干扰免疫力

比起这些方法都来得更好的方法，是让传感器免疫于杂散磁场。事实上，一个基本的数学运作就能让来自杂散磁场的噪声消失，传感器的硬件可支持此技术。此外，高明的布局方法，让配对磁铁尽可能靠近IC，也有助于增加传感器模块对于杂散磁场的容忍度。然而，唯一能达到免疫于杂散磁场的方法，就只有使用内建此功能的MPS。

具有杂散磁场免疫力的MPS，关键硬件特性在于双像素(Dual-pixel)磁性传感元素(图2)。不像传统的3D磁性位置传感器，双像素传感用两个像素单元来取代一个单元，以此来测定磁铁的位置。这种双像素架构可以被用来执行差分量测(Differential Measurement)。 


图2　AS54xx双像素传感器IC架构

每一个像素单元都可以量测磁场的三个向量：Bx、By及Bz。在奥地利微电子所提供的AS54xx传感器系列产品中，这两个像素单元相距2.5毫米 (mm)。为了要简单地说明数学运作，以下对于传感器工作原理的说明将集中于线性应用(图3)。在这里，此装置仅测量Bx及Bz向量。 


图3　利用MPS及双极磁铁测量线性电机

此传感器IC测量以下的数值，以决定磁铁的位置：

Bx_Pix0... 磁场的x向量，由Pixel0测量
Bx_Pix1... 磁场的x向量，由Pixel1测量
Bz_Pix0... 磁场的z向量，由Pixel0测量
Bz_Pix1... 磁场的z向量，由Pixel1测量

图4显示磁铁在-15mm至+15mm的范围内移动时，此应用的输出曲线。当磁铁位置=0，这个磁铁就位在IC封装体的正中间。在这个位置上，这个磁铁的北至南极磁极过渡带(Pole Transition)就落在两个像素之间。由于两个像素相距2.5mm，所以Pix0和Pix1曲线间存在着±1.25mm的相移(Phase Shift)。 


图4　双像素传感器IC的输出测量

从这四个数值，传感器IC会计算两个差分讯号，被称为Bi(针对x向量)以及Bj(针对z向量)：

Bi=Bx_Pix0–Bx_Pix1
Bj=Bz_Pix0–Bz_Pix1

然后，让我们想象一个作用于被测量装置的杂散磁场Bs。这个杂散磁场的来源，通常比它配对的磁铁离传感器IC更远。这也就意味设计师可以假定相同的杂散磁场向量被作用于两个像素单元。

于是，Bi和Bj公式是相同的，但是有着杂散磁场Bs作用于它们身上：



很明显可以看到Bs数值不会影响Bi和Bj的数值。我们轻易就能将Bs从计算中移除，能在完全没有来自杂散磁场的干扰的情况下进行精确的位置测量(图5、图6)。


图5　传感器IC计算的sin, cos信号


图6　传感器IC计算出的磁铁位置

于是，磁铁的位置(MPos)就能利用Bi和Bj数值，透过一个ATAN2函数计算出来。 MPos=ATAN2(-Bj；Bi)