測(ce)量(liang)所(suo)需(xu)的(de)能(neng)量(liang)可(ke)通(tong)過(guo)能(neng)量(liang)采(cai)集(ji)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)獲(huo)得(de)或(huo)由(you)電(dian)池(chi)提(ti)供(gong)。使(shi)用(yong)霍(huo)爾(er)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)磁(ci)性(xing)位(wei)置(zhi)測(ce)量(liang)，可(ke)以(yi)集(ji)成(cheng)到(dao)包(bao)含(han)完(wan)整(zheng)信(xin)號(hao)調(tiao)理(li)電(dian)路(lu)的(de)單(dan)芯(xin)片(pian)編(bian)碼(ma)器(qi)中(zhong)。

 

集成式霍爾傳感器可節省空間和節約成本，但工作期間所需的功率相對較高。這裏的解決方法是讓霍爾傳感器短時啟動。快速位置測量（像電機控製所需的位置測量）需要霍爾傳感器快速評估和發送脈衝，而計量應用程序所需要的采樣率較低。因此，節能工作需要采取特殊的解決方案。

 

 

霍爾傳感器生成的信號電壓與磁通密度和霍爾元件中的電流成比例。當使用CMOS技術實現時，傳感器的性能由工藝確定。因此
，隻能通過減少霍爾元件的測量周期
，降低電源電壓以及使用超低功耗電路設計技術（ULP）來降低電流消耗。

 

測量頻率僅設置在位置測量所需的那樣高。隻有在確實需要時
，ULP電路設計才會啟動個別功能模塊。可編程的掉電和喚醒電路可確保避免不必要的啟動
，從而將平均電流消耗降至最低。將I/O端口的供電電壓減少至3.3V或1.8V
，可進一步減少電流消耗，簡化電池的選擇。

 

為wei減jian少shao外wai部bu磁ci場chang的de幹gan擾rao，一yi對dui霍huo爾er傳chuan感gan器qi可ke用yong於yu一yi體ti化hua的de霍huo爾er編bian碼ma器qi集ji成cheng電dian路lu
，適shi用yong於yu不bu同tong的de磁ci場chang組zu件jian。磁ci場chang由you在zai芯xin片pian上shang方fang旋xuan轉zhuan的de磁ci鐵tie生sheng成cheng。使shi用yong三san相xiang抽chou樣yang法fa時shi僅jin需xu要yao3個霍爾傳感器
，而非慣用的4個傳感器
，這樣可以減少約25%的電流消耗。

 

 

為實現持久的電池供電工作
，集成單芯片ULP設計必須能夠完全自動開關。圖1顯示了基於iC-Haus公司iC-TW11的這種ULP架構。這一器件是專門為電池供電的、需要高集成度節能和精確位置測量應用而開發的。它通過SPI接口與中央微控製器（ULP設計更好）相連。隻有在真的需要時
，霍爾傳感器才會進行位置測量和采樣。

圖1：帶有微控製器的超低功耗霍爾編碼器架構。

Hall Sensors霍爾傳感器

 

From other Encoder來自其他編碼器

 

Timing and Power Control時序和電源控製

 

SAMPLE采樣

 

Angle Calculation角度計算

 

Configuration Memory配置存儲器

 

SPI Communication SPI通信

 

Micro-controller微控製器

 

它(ta)沒(mei)有(you)不(bu)必(bi)要(yao)的(de)測(ce)量(liang)周(zhou)期(qi)，因(yin)為(wei)這(zhe)樣(yang)可(ke)能(neng)會(hui)浪(lang)費(fei)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)能(neng)。在(zai)完(wan)成(cheng)測(ce)量(liang)和(he)轉(zhuan)換(huan)後(hou)
，所(suo)有(you)不(bu)需(xu)要(yao)的(de)電(dian)路(lu)元(yuan)件(jian)將(jiang)會(hui)關(guan)閉(bi)。同(tong)時(shi)，霍(huo)爾(er)傳(chuan)感(gan)器(qi)
、帶控製和自動校準的下行放大器電路以及角度測量插值的采樣必須同時做到快速和節能。這樣


，在10Hz采樣率和10位分辨率的情況下實現了低於3μA的平均電流。

 

在位置測量之間自動啟動待機模式中，完整單芯片霍爾編碼器的最大電流消耗僅為100nA。供電電流與所選采樣頻率的函數關係如圖2所示。連接到外部的接口工作在3.3V或1.8V電壓下。因此，與使用較低供電電壓的ULP微控製器接口時，不需要電平轉換電路。

圖2：電流消耗與采樣率的關係。

 

iC-TW11 Average Current Consumption iC-TW11平均電流消耗

 

Normal Power Mode正常功耗模式

 

Low Power Mode低功耗模式

 

 

對於位置測量，希望實現短時測量，這意味著在測量開始和結束之間的延時較短。為了使ULP微wei控kong製zhi器qi在zai一yi次ci位wei置zhi測ce量liang之zhi後hou能neng切qie換huan到dao待dai機ji模mo式shi，該gai器qi件jian設she置zhi了le喚huan醒xing微wei控kong製zhi器qi的de中zhong斷duan輸shu出chu。如ru果guo需xu要yao多duo個ge位wei置zhi值zhi，如ru可ke移yi動dong的de多duo軸zhou機ji器qi人ren，設she計ji時shi可ke通tong過guo一yi個geSPI鏈路和多個中斷線路將多個iC-TW11級聯起來。由於並不總是需要有最高精度
，集成濾波器功能可以關閉，以節能更多的電能。

 

在正常工作中，iC-TW11采樣率達到4kHz，且濾波器和自動放大器校準功能開啟，以實現10位分辨率的最大精度。如果關閉濾波器，延時可降低到50μs，采樣率最高可達20kHz。在采樣率相同的情況下，關閉濾波器通常可減少近乎90%的電流消耗。可由微控製器或通過單獨的觸發輸入（即外部事件）啟動測量周期。如果有新的位置值，微控製器通過中斷從待機模式切換至工作狀態。絕對位置數據通過時鍾速率高達16MHz的4線SPI接口讀取。由於iC-TW11和微控製器的工作時間減少，高時鍾速率也將影響到電流消耗的減少。對於測試目的或磁氣隙測量的需求
，內部原始霍爾傳感器值（10位）、正弦值和餘弦值（12位）以及放大係數（18步）可選。

 

如果峰值電流由電容器提供
，可使用能量采集解決方案（如帶無線傳感器的方案）替代電池。對於數字控製按鈕

，也可以用超級電容器緩衝來應對電源故障。

 

在(zai)某(mou)些(xie)應(ying)用(yong)中(zhong)，即(ji)便(bian)在(zai)外(wai)部(bu)電(dian)源(yuan)不(bu)可(ke)用(yong)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，也(ye)需(xu)要(yao)進(jin)行(xing)高(gao)能(neng)效(xiao)位(wei)置(zhi)測(ce)量(liang)。對(dui)於(yu)機(ji)器(qi)人(ren)來(lai)說(shuo)，在(zai)出(chu)現(xian)電(dian)源(yuan)故(gu)障(zhang)後(hou)
，其(qi)由(you)於(yu)慣(guan)性(xing)仍(reng)可(ke)繼(ji)續(xu)移(yi)動(dong)
，如(ru)果(guo)未(wei)能(neng)識(shi)別(bie)到(dao)位(wei)置(zhi)變(bian)化(hua)，且(qie)在(zai)錯(cuo)誤(wu)數(shu)據(ju)下(xia)重(zhong)啟(qi)，將(jiang)會(hui)發(fa)生(sheng)危(wei)險(xian)。因(yin)此(ci)，這(zhe)些(xie)執(zhi)行(xing)器(qi)的(de)所(suo)有(you)連(lian)續(xu)移(yi)動(dong)必(bi)須(xu)通(tong)過(guo)多(duo)匝(za)編(bian)碼(ma)器(qi)安(an)全(quan)地(di)檢(jian)測(ce)出(chu)。其(qi)要(yao)麼(me)有(you)機(ji)械(xie)齒(chi)輪(lun)
，要(yao)麼(me)有(you)帶(dai)電(dian)源(yuan)故(gu)障(zhang)保(bao)護(hu)（如配備電池）的電子記錄功能。對於消耗量測量設備，如工業水/氣表，即便在沒有外部供電電壓的情況下，也必須能夠實現采集。因此，必須能夠在電池供電和外部供電之間實現自動切換。

 

圖3顯示了使用iC-PV對葉輪進行磁掃描的氣表或水表的方框圖。這一ULP單片霍爾編碼器可在節能電池工作和正常電網工作之間自動切換。

圖3：工業水/氣表計量應用中的ULP編碼器。

 

Preset預置

 

Meter表計

 

Readout讀數

 

如果供電電壓VDD降低至低於限定電平，iC-PV將自動切換至電池供電VBAT。在電源恢複後，iC-PV通過串行接口為讀數器件提供計數值，用於消耗量計算。測量結果通過8位CRC核對，誤差通過低電平有效NERR輸出以及串行數據傳輸中的誤差位來反映。

 

4個霍爾傳感器以可調1至3位分辨率檢測位置變化。旋轉數在長度高達40位的多匝計數器中計數。iC-PV也具有3位八進製分辨率的並行輸出。外部EEPROM在校準期間通過單獨的I2C接口進行編程，iC-PV在上電時加載CRC所保證的配置數據。

 

在工作模式和待機模式下
，iC-PV的ULP設計采用類似於此前描述的iC-TW11的方法來減少電流消耗。然而
，iC-PV有自己獨立的周期和時序控製，以在無需使用外部微控製器的情況下
，周期性地啟動規定的測量周期。根據設定的采樣率，旋轉可在12000rpm至100000rpm的速度範圍內進行計數。平均電流消耗範圍從僅2μA至30μA，從而使電池緩衝的工作可維持數年。

 

 

如兩個案例所示，使用ULP單dan芯xin片pian霍huo爾er編bian碼ma器qi進jin行xing的de位wei置zhi測ce量liang，可ke在zai直zhi接jie電dian池chi工gong作zuo或huo甚shen至zhi是shi在zai出chu現xian電dian源yuan故gu障zhang的de情qing況kuang下xia有you效xiao進jin行xing。在zai第di一yi個ge案an例li下xia
，測ce量liang周zhou期qi通tong過guo微wei控kong製zhi器qi進jin行xing外wai部bu控kong製zhi和he處chu理li。在zai發fa生sheng電dian源yuan故gu障zhang的de案an例li中zhong，單dan芯xin片pian霍huo爾er編bian碼ma器qiiC-PV通過備份電池供電。變化能夠被檢測並保留，以至於在外部電源恢複時能夠用於發送。由於通過ULP設計技術可實現極低電流消耗（小於10μA）的解決方案

，在單芯片編碼器中對霍爾傳感器和模擬和數字評估電路進行集成非常有利。