CN107340483A - 一种磁传感器、磁传感器集成电路、电机组件及应用设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁传感器、磁传感器集成电路、电机组件及应用设备，包括用于连接外部电源的输入端口、输出端口及磁场检测电路，所述磁场检测电路包括用于感知外部磁场并输出检测信号的磁感测器、用于对所述检测信号进行放大去干扰处理的信号处理单元；其中，所述信号处理单元包括开关电容滤波模块，用于对磁感测器输出的检测信号经放大后得到的差分信号进行采样滤波与偏差消除。本发明提供的技术方案，通过对现有的磁传感器的功能进行扩展，能够降低整体电路成本，提高可靠性。

Description

一种磁传感器、磁传感器集成电路、电机组件及应用设备

技术领域

本发明涉及磁场检测技术领域，更为具体的说，涉及一种磁传感器、磁传感器集成电路、电机组件及应用设备。

背景技术

磁传感器广泛用于现代工业和电子产品中以感应磁场强度来测量电流、位置、方向等物理参数。电机行业中是磁传感器的一个重要应用领域，在电动机中，可以用磁传感器作转子磁极位置传感。

现有技术中，磁传感器通常只能输出磁场检测结果，具体工作时还需要额外设置外围电路，对所述磁场检测结果进行处理，因此整体电路成本较高，可靠性较差。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种磁传感器、磁传感器集成电路、电机组件及家用电器，通过对现有的磁传感器的功能进行扩展，能够降低整体电路成本，提高可靠性。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种磁传感器集成电路，包括依次连接的电源输入端口、磁感测器与信号处理单元；

所述电源输入端口用于接收交流电源；

所述磁感测器用于根据外部磁场变化输出检测信号；

所述信号处理单元包括开关电容滤波模块，用于对磁感测器输出的检测信号经放大后得到的差分信号进行采样滤波并进行偏差消除。

可选的，所述检测信号包括磁场信号与偏差信号；

所述信号处理单元包括第一斩波开关，所述第一斩波开关与所述磁感测 器相连，用于将所述磁场信号与偏差信号分别调制到斩波频率和基带频率。

可选的，所述信号处理单元还包括斩波放大器，用于放大所述基带频率的偏差信号与所述斩波频率的磁场信号，并将所述磁场信号与偏差信号分别解调到所述基带频率和斩波频率。

可选的，所述开关电容滤波模块的采样时钟信号与所述磁感测器的时钟信号的频率相同，且延迟一预定时间。

可选的，所述预定时间为所述磁感测器时钟信号的1/4周期。

可选的，所述开关电容滤波模块包括：

第一开关电容滤波器、第二开关电容滤波器、第三开关电容滤波器、第四开关电容滤波器；所述斩波放大器输出的差分信号包括第一子差分信号与第二子差分信号；

所述第一开关电容滤波器和第二开关滤波器用于分别对所述第一、第二子差分信号的上半周期进行采样分别输出第一子采样信号与第二子采样信号，所述第三开关电容滤波器和第四开关滤波器用于分别对所述第一、第二子差分信号的下半周期进行采样分别输出第三子采样信号与第四子采样信号。

可选的，所述第一开关电容滤波器和第二开关电容滤波器之间设置有多个并联设置的金属-绝缘体-金属电容；以及，

所述第三开关电容滤波器和第四开关电容滤波器之间设置有多个并联金属-绝缘体-金属电容。

可选的，所述开关电容滤波模块还包括加法器，所述加法器用于将所述开关电容滤波模块输出的采样信号通过相加方式进行偏差消除并将得到的差分信号进行增益放大。

可选的，所述加法器将所述第一、第三子采样信号相加消除偏差信号；以及，将所述第二、第四子采样信号相加消除偏差信号。

可选的，该加法器的输入端设置源极反馈电阻。

可选的，该磁传感器集成电路还包括与所述电源输入端口连接交流-直流转换器，所述交流-直流转换器为所述磁感测器与所述信号处理单元供电。

可选的，所述加法器为跨导放大器，且所述加法器的增益为2。。

可选的，所述开关电容滤波模块的采样频率和所述第一斩波开关的斩波频率相同。

可选的，所述斩波放大器的增益为100。

相应的，本发明还提供了一种磁传感器，包括用于连接外部电源的输入端口、输出端口及磁场检测电路，所述磁场检测电路包括用于感知外部磁场并输出检测信号的磁感测器、用于对所述检测信号进行放大去干扰处理的信号处理单元；其中，所述信号处理单元包括开关电容滤波模块，用于对磁感测器输出的检测信号经放大后得到的差分信号进行滤波。

相应的，本发明还提供了一种电机组件，包括由一交流电源供电的电机；以及上述的磁传感器集成电路。

相应的，本发明还提供了一种应用设备，包括由一交流电源供电的电机；以及上述的磁传感器集成电路。

可选的，所述应用设备为泵、风扇、家用电器或者车辆。

相较于现有技术，本发明提供的技术方案至少具有以下优点：

本发明提供了一种磁传感器、磁传感器集成电路、电机组件及家用电器，包括用于连接外部电源的输入端口、输出端口及磁场检测电路，所述磁场检测电路包括用于感知外部磁场并输出检测信号的磁感测器、用于对所述检测信号进行放大去干扰处理的信号处理单元；其中，所述信号处理单元包括开关电容滤波模块，用于对磁感测器输出的检测信号经放大后得到的差分信号进行采样滤波。本发明提供的技术方案，通过对现有的磁传感器的功能进行扩展，能够降低整体电路成本，提高可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种磁传感器的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种信号处理单元的结构示意图；

图3A为本申请实施例提供的一种斩波放大器的结构示意图；

图3B为本申请实施例提供的另一种斩波放大器的结构示意图；

图4为本申请提供的一种磁传感器集成电路的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种磁感测器和第一斩波开关的结构示意图；

图6a为图5四个子时钟信号的时序图；

图6b为图5中放电开关和第一斩波开关的信号控制示意图；

图6c为图5中所示电路中的信号示意图；

图7为本申请实施例提供的一种开关电容滤波模块的结构示意图；

图8a为本申请实施例提供的另一种开关电容滤波模块的结构示意图；

图8b为图8a中相应的一种时序图；

图8c为本申请实施例提供的一种加法器的结构示意图；

图9为本申请实施例提供的周期时钟信号下的各信号输出示意图；

图10为本申请实施例提供的一种电机组件的结构示意图；

图11是本发明实施例的电机组件的同步电机的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

正如背景技术所述，现有技术中，磁传感器通常只能输出磁场检测结果，具体工作时还需要额外设置外围电路，对所述磁场检测结果进行处理，因此整体电路成本较高，可靠性较差。

基于此，本申请实施例提供了一种磁传感器、磁传感器集成电路、电机组件及家用电器，通过对现有的磁传感器的功能进行扩展，能够降低整体电路成本，提高可靠性。为实现上述目的，本申请实施例提供的技术方案如下，具体结合图1至图10所示，对本申请实施例提供的技术方案进行详细的描述。

参考图1所示，为本申请实施例提供的一种磁传感器的结构示意图，其中，磁传感器包括：

用于连接外部电源的输入端口1、输出端口3及磁场检测电路2；

输入端口用于连接外部电源，向磁场检测电路2提供电源。本实施例中，该外部电源可以是交流电源。

所述磁场检测电路2包括用于感知外部磁场并输出检测信号的磁感测器21、用于对所述检测信号进行放大去干扰处理的信号处理单元22；其中，所述信号处理单元22包括开关电容滤波模块220，用于对磁感测器21输出的检测信号经放大后得到的差分信号进行采样滤波并进行偏差消除。以及，磁场检测电路2还包括用于将经过所述信号处理单元22处理的检测信号转换为磁场检测信号的模数转换单元23，所述磁场检测信号可经输出端口3向外输出。较佳的，所述磁场检测信号是开关型数字信号。

具体的，所述检测信号包括磁场信号和偏差信号。其中，磁场信号为磁感测器检测到的与外部磁场匹配的理想磁场电压信号，偏差信号为磁感测器的固有偏差。

参考图2所示，为本申请实施例提供的一种信号处理单元的结构示意图，其中，信号处理单元22包括：第一斩波开关Z1，所述第一斩波开关Z1与所述磁感测器21相连，用于将所述磁场信号与偏差信号分别调制到斩波频率和基带频率。即，第一斩波开关Z1用于将所述磁感测器输出的偏差信号和磁场信号调制到基带频率和斩波频率。

以及，所述信号处理单元22还包括斩波放大器IA，用于放大所述基带频率的偏差信号与所述斩波频率的磁场信号，并将所述磁场信号与偏差信号分别解调到所述基带频率和斩波频率。即，斩波放大器IA用于对经分离的偏差信号和磁场信号进行放大，并将经放大的偏差信号和磁场信号交换到所述基带频率和所述斩波频率，且所述磁场信号叠加至所述偏差信号形成差分信号。较佳的，本申请实施例提供的所述斩波放大器为折叠式级联放大器。以及较佳的，所述斩波频率大于100K赫兹，所述基带频率小于200赫兹。

参见图3A，在一个可能的实现方式中，所述斩波放大器IA可以包括依次连接的第一放大器A1和第二斩波开关Z2；其中，所述第一放大器A1用于对所述第一斩波开关Z1输出的偏差信号和磁场信号进行第一级放大；所述第二斩波开关Z2用于将经所述第一放大器A1进行第一级放大的磁场信号和偏差信号分别解调到所述基带频率和斩波频率。

以及，参考图3B所示，为本发明实施例提供的另一个斩波放大器的结构示意图，斩波放大器IA还可以包括连接于第二斩波开关Z2输出端的第二放大器A2，所述第二放大器A2用于对偏差信号和磁场信号进行第二级放大。较佳的，第二放大器A2可以是单级放大器。其中，本申请实施例提供的信号处理单元，在经过斩波放大器IA对信号的处理后，将信号传输至开关电容滤波模块220进行处理。

本发明实施例提供的磁传感器，其内部的信号处理单元具有折叠式级联放大器，能够将很小的输入信号放大到足够的增益倍数，并具有高带宽特性，能够准确处理频域跨度很大的信号，具有非常好的频率特性和摆率，能够保证磁场检测电路最终输出结果的准确性和可靠性，进而保证了磁传感器的磁场极性判断结果以及输出的相关控制信号的准确性。

图4示出了本申请提供的一种磁传感器集成电路的结构示意图，磁传感器集成电路包括：

依次连接的电源输入端口、磁感测器5与信号处理单元120，以及，还包括与信号处理单元120输出端连接的模数转单元130。

所述电源输入端口可以包括连接外部交流电源的第一输入端口41和第二输入端口42。本发明中，电源输入端口连接外部电源，既包括电源输入端口与外部电源两端直接连接的情形，也包括电源输入端口与外部负载串接于外部电源两端的情形，本发明对此并不做限定，具体视情况而定。

所述电源输入端口4用于接收交流电源。其中，该磁传感器集成电路还包括与所述电源输入端口4连接交流-直流转换器110，所述交流-直流转换器110为所述磁感测器5所述信号处理单元120及所述模数转换单元130供电。交流-直流转换器110较佳为整流电路，整流电路将电源输入端口接入的交流电源转换为直流电源，以对磁感测器、信号处理单元、模数转换单元等组成磁传感器集成电路的器件供电。其中，集成电路中器件可以由交流-直流转换器110直接或间接供电，对此本申请不做具体限制。

所述磁感测器5用于根据外部磁场变化输出检测信号；所述信号处理单元120包括开关电容滤波模块124，用于对磁感测器5输出的检测信号经放大后得 到的差分信号进行滤波。在本实施方式中，所述磁感测器5受不受温度变化影响的恒流源驱动。

更为具体的，信号处理单元120包括依次连接的第一斩波开关122、斩波放大器123、开关电容滤波模块124和第二放大模块125，其中，第一斩波开关122与磁感测器5的输出端连接，第二放大模块125与模数转换单元130的输入端连接。

其中，磁感测器5的输入端连接交流-直流转换器110的输出端，接入交流-直流转换器110输出的直流电压，用于根据外部磁场变化输出检测信号至第一斩波开关122。可选的，所述检测信号包括磁场信号与偏差信号。

图5为本申请实施例提供的一种磁感测器和第一斩波开关的结构示意图。其中，图6a为图5四个子时钟信号的时序图，以及，图6b为图5放电开关和第一斩波开关的信号控制示意图，所述磁感测器5包括四个接触端子，其中，磁感测器5包括相对设置的第一端子A和第三端子C，以及相对设置的第二端子B和第四端子D；在本申请实施例中，磁感测器5为霍尔极板，磁感测器5受第一电源13驱动，且第一电源13可以为交流-直流转换器110提供。在本实施例中，所述第一电源13为不受温度变化影响的恒流源。

所述第一斩波开关122包括图5中K1至K8八个开关，连接在四个接触端子之间，其中，第一斩波开关122包括将第一电源13分别连接至所述第一端子A和第二端子B之间的第一开关K1和第二开关K2，将接地端GND分别连接至所述第三端子C和第四端子D之间的第三开关K3和第四开关K4，分别将第一输出端P连接至所述第三端子C和第四端子D的第六开关K6和第五开关K5，以及，分别将第二输出端N连接至所述第二端子B和第一端子A的第七开关K7和第八开关K8。

其中，第一斩波开关的斩波时钟信号包括第一子时钟信号CK2B、第二子时钟信号CK1B、第三子时钟信号CK2和第四子时钟信号CK1，所述第一开关K1和第二开关K2分别受所述第一子时钟信号CK2B和第二子时钟信号CK1B控制，所述第三开关K3和第四开关K4分别受第三子时钟信号CK2和第四子时钟信号CK1控制，所述第五开关K5和第六开关K6分别受所述第三 子时钟信号CK2和第四子时钟信号CK1控制，所述第七开关K7和第八开关K8分别受所述第三子时钟信号CK2和第四子时钟信号CK1控制。

为了保证信号输出的准确性，第一斩波开关的斩波时钟信号包括至少二非交叠子时钟信号。其中，所述第一子时钟信号CK2B与第三子时钟信号CK2相反，所述第二子时钟信号CK1B与第四子时钟信号CK1相反，且所述第三子时钟信号CK2与第四子时钟信号CK1为非交叠子时钟信号。

其中，在第一端子A与第一电源13导通，且第三端子C与接地端GND导通时，第二端子B与第二输出端N导通，第四端子D和第一输出端P导通；在第二端子B与第一电源13导通，且第四端子D与接地端GND导通时，第一端子A与第二输出端N导通，第三端子C与第一输出端P导通。其中，第一输出端P和第二输出端N输出一差分信号为P1和N1。

此外，除上述磁感测器5和第一斩波开关122外，磁传感器集成电路还包括连接在第一端子A和第三端子C之间的第一放电线路14，即第一端子A和第三端子C之间的线路，以及，连接在第二端子B和第四端子D之间的第二放电线路15，即，第二端子B和第四端子D之间的线路；当第一端子A和第三端子C为电源输入端、第二端子B和第四端子D为磁感知信号输出端前，第二放电线路15导通；当第一端子A和第三端子C为磁感知信号输出端、第二端子B和第四端子D为电源输入端前，第一放电线路14导通。

在一可能的实现方式中，第一放电线路14可以包括串联的第一放电开关S1与第二放电开关S2，所述第一放电开关S1和第二放电开关S2分别受所述第一子时钟信号CK2B和所述第二子时钟信号CK1B的控制；该第二放电线路15包括串联的第三放电开关S3与第四放电开关S4，所述第三放电开关S3和第四放电开关S4分别受所述第一子时钟信号CK2B和所述第二子时钟信号CK1B的控制。

当所述第一端子A和所述第三端子C为电源输入端，所述第二端子B和所述第四端子D为磁感知信号输出端时，且在所述第一子时钟信号CK2B和所述第二子时钟信号CK1B的交叠期间，所述第一放电开关S1和所述第二放电开关S2同时导通；当所述第一端子A和所述第三端子C为磁感知信号输出端，所述第二端子B和所述第四端子D为电源输入端时，且在所述第一子 时钟信号CK2B和所述第二子时钟信号CK1B的交叠期间，所述第三放电开关S3和所述第四放电开关S4同时导通。

如图6a所示，四个子时钟信号包括两个非交叠控制信号，即所述第三子时钟信号CK1和第四子时钟信号CK2，以及两个交叠控制信号，即第二子时钟信号CK1B和第一子时钟信号CK2B。其中，CK1与CK1B相反，CK2与CK2B相反。所述交叠子时钟信号CK1B和CK2B在交叠期间，即两条虚线之间的时间段，均为高电平。上述两个非交叠子时钟信号CK1和CK2，以及两个交叠子时钟信号CK1B和CK2B的频率可以为100K-600KHz，包括端点值，其中优选为400KHz。

在本申请实施例中，第一斩波开关122包括的八个开关，以及放电线路包括的四个放电开关均可以为晶体管开关。进一步的，结合图6b所示，在CK1为高电平时，CK2B为高电平，CK2和CK1B为低电平，此时所述第二端子B和所述第四端子D为分别接通第一电源和接地端GND，为电源输入端，而所述第三端子C与所述第一输出端P之间的开关导通，所述第一端子A与所述第二输出端N之间的开关导通，则所述第一端子A和所述第三端子C为磁感知信号输出端。在CK1刚从高电平变为低电平后的一小段时间内，即图6a中第一组两条虚线之间的时间段，为两个交叠子时钟信号CK1B和CK2B的交叠期，此期间CK1B和CK2B均为高电平，所述第二端子B和所述第四端子D之间的所述第三放电开关S3和第四放电开关S4均导通，所述第二端子B和所述第四端子D之间短路，消除了第二端子B和第四端子D之间的寄生电容存储的电荷。此后，在CK1为低电平时，CK2B为低电平，CK2和CK1B为高电平，此时所述第一端子A和所述第三端子C为分别接通第一电源和接地端GND，为电源输入端，而所述第二端子B与所述第一输出端P之间的开关导通，所述第四端子D与所述第二输出端N之间的开关导通，则所述第二端子B和所述第四端子D为磁感知信号输出端。在CK1刚从低电平变为高电平前的一小段时间内，即图6a中第二组两条虚线之间的时间段，为两个子时钟信号CK1B和CK2B的交叠期，此期间CK1B和CK2B均为高电平，所述第一端子A和所述第三端子C之间的所述第一放电开关S1和第二放电开关S2均导通，所述第一端子A和所述第三端子C之间短路，消除了第一端子A和第三端子C之间的寄生电容存储的电荷。

图6c为图5所示电路中的信号示意图。其中，CK为时钟信号；Vos为磁感测器5的偏差电压，是由霍尔板5本身的物理性质决定，可以假设其在时钟信号周期内的任何时刻都是保持不变的。Vin和-Vin为第一斩波开关输出在时钟信号CK的前半周期和后半周期输出的理想磁场电压信号，即霍尔板5无偏差信号干扰的理想输出。如前面所述，在时钟信号CK的一个半周期，接线端子A和C分别与第一电源13和地导通，接线端B和D作为输出端导通；在时钟信号CK的另一个半周期接线端子B和D分别与第一电源13和地导通时，接线端子A和C作为输出端导通。在时钟信号CK的前后两个半周期，第一斩波开关输出的理想磁场电压信号大小相等，方向相反。Vout为第一斩波开关的输出信号，是偏差信号Vos和理想磁场信号Vin的叠加。经过第一斩波开关，将所述磁场信号与偏差信号分别调制到斩波频率和基带频率。具体的，偏差信号和磁场信号分离到基带频率和斩波频率；其中，斩波频率为时钟信号的频率，基带频率是霍尔板所检测的外部磁场的极性变化频率。

在本申请的一种实施方案中，所述磁感测器输出的理想磁场电压信号(即磁场信号)非常小，通常只有零点几毫伏，偏差信号Vos接近10毫伏，因此后期需要消除偏差信号，并对理想磁场电压信号进行高增益处理。

本实施例中斩波放大器123可以采用图3B中所示的斩波放大器，可选的，所述斩波放大器为折叠式级联放大器。其中，所述斩波放大器的增益为100。其中，斩波放大器123包括第一放大器A1、第二斩波开关Z2和第三放大器A2。第一放大器A1和第二斩波开关用于对经分离的偏差信号和磁场信号进行放大，并将经放大的偏差信号和磁场信号交换到所述斩波频率和所述基带频率。第二级放大器A2对交换后的信号作进一步放大。其中，第一放大器A1是折叠式放大器，第二放大器A2可以是单级放大器。

本实施例中，第一放大器A1的输出也是一对差分信号，第二斩波开关Z2被配置为在每个时钟周期的前半周期直接输出该对差分信号而在每个时钟周期的后半周期将该对差分信号互换输出，第二斩波开关的一对输出信号表示为P2和N2。

开关电容滤波模块用于自差分信号P2和N2中采集出每个信号在不同的时 钟半周期，即前后两个半周期的信号输出值并消除偏差信号后进行增益放大，输出增益放大后的差分信号P3和N3至模数转换模块130。其中P2在不同的时钟半周期的采样信号为P2A和P2B，N2在对应的时钟半周期的采样信号为N2A和N2B。

参考图7所示，为本申请实施例提供的一种开关电容滤波模块的结构示意图，其中，在本申请的一个实施例中，所述开关电容滤波模块包括：

第一开关电容滤波器SCF1、第二开关电容滤波器SCF2、第三开关电容滤波器SCF3、第四开关电容滤波器SCF4；所述斩波放大器123输出的差分信号包括第一子差分信号P2与第二子差分信号N2；

所述第一开关电容滤波器SCF1和第二开关滤波器SCF2用于分别对所述第一、第二子差分信号的上半周期进行采样为第一采样信号P2A和N2A，所述第三开关电容滤波器SCF3和第四开关滤波器SCF4用于分别对所述第一、第二子差分信号的下半周期进行采样为第二采样信号P2B和N2B。

具体的，结合图8a和图8b所示，图8a为本申请实施例提供的另一种开关电容滤波模块的结构示意图，图8b为图8a中相应的一种时序图，其中，开关电容滤波模块包括：第一开关电容滤波器SCF1至第四开关电容滤波器SCF4，每一开关电容滤波器均由两个传输门开关和相应两个电容组成(参考图8a中虚线框C’中结构)。其中，本申请提供的开关电容滤波器与现有技术相同，故不做多余结构上的描述。

其中，由于第一开关电容滤波器SCF1和第二开关电容滤波器SCF2是对差分信号的前半周期进行采样，而第三开关电容滤波器SCF3和第四开关电容滤波器SCF4是对差分信号的后半周期进行采样。因此，结合图8a中开关电容滤波模块的采样时钟信号，采样时钟信号包括四个子时钟信号，每个子时钟信号CK1’、CK2’、CK1B’和CK2B’接入传输门开关的位置和图8b的所示的时序以控制每个传输门开关；其中，

当差分信号输入时，在差分信号的前半周期，第一开关电容滤波器SCF1和第二开关电容滤波器SCF2的前一个传输门开关TG1为开启状态，第一开关电容滤波器SCF1和第二开关电容滤波器SCF2的后一个传输门开关TG2为关闭状态，而第三开关电容滤波器SCF3和第四开关电容滤波器SCF4的前一个传输门开关TG1为关闭状态，第三开关电容滤波器SCF3和第四开关电 容滤波器SCF4的后一个传输门开关TG2为开启状态；而后，在差分信号的后半周期，第一开关电容滤波器SCF1和第二开关电容滤波器SCF2的前一个传输门开关TG1为关闭状态，第一开关电容滤波器SCF1和第二开关电容滤波器SCF2的后一个传输门开关TG2为开启状态，而第三开关电容滤波器SCF3和第四开关电容滤波器SCF4的前一个传输门开关TG1为开启状态，第三开关电容滤波器SCF3和第四开关电容滤波器SCF4的后一个传输门开关TG2为关闭状态，以此，实现第一开关电容滤波器SCF1和第三开关电容滤波器SCF3分别对一个子差分信号的前半周期和后半周期进行采样，而第二开关电容滤波器CF2和第四开关电容滤波器SCF4分别对另一个子差分信号的前半周期和后半周期进行采样。

进一步的，参考图8a所示，所述第一开关电容滤波器SCF1和第二开关电容滤波器SCF2之间设置有多个并联设置的金属-绝缘体-金属(MIM)电容；以及，所述第三开关电容滤波器SCF3和第四开关电容滤波器SCF4之间设置有多个并联金属-绝缘体-金属(MIM)电容。即，开关电容滤波模块可以包括设置于第一开关电容滤波器SCF1和第二开关电容滤波器SCF2之间的两组电容组，每一电容组包括两个并联的电容，且一电容组连接于第一开关电容滤波器SCF1的两个传输门开关的公共端和第二开关电容滤波器SCF2的两个传输门开关的公共端之间，以及，另一电容组连接于第一开关电容滤波器SCF1的TG2输出端和第二开关电容滤波器SCF2的TG2输出端之间；以及，还包括设置于第三开关电容滤波器SCF3和第四开关电容滤波器SCF4之间的两组电容组，每一电容组包括两个并联的电容，且一电容组连接于第三开关电容滤波器SCF3的两个传输门开关的公共端和第四开关电容滤波器SCF4的两个传输门开关的公共端之间，以及，另一电容组连接于第三开关电容滤波器SCF3的TG2输出端和第四开关电容滤波器SCF4的TG2输出端之间。其中优选的，本申请实施例提供的电容组中，两个电容分别是金属-绝缘体-金属(MIM)电容，即，电容组为并联设置的两个金属-绝缘体-金属(MIM)电容C’。

其中，本申请实施例提供的所述开关电容滤波模块的采样时钟信号与所述磁感测器的时钟信号的频率相同，且延迟一预定时间。可选的，所述预定时间为所述磁感测器时钟信号的1/4周期(如图8b所示采样时钟信号比磁感测器时钟信号延时1/4周期)以避开差分信号的波峰及波谷处进行采样，提高信 号采样的精确度。以及，所述开关电容滤波模块的采样频率和所述第一斩波开关的斩波频率相同。

其中，所述开关电容滤波模块124加法器1241，加法器1241用于将所述第一采样信号P2A和N2A和第二采样信号P2B和N2B通过相加方式进行偏差消除并将得到的差分信号进行增益放大。具体的，所述第一采样信号包括由第一开关电容滤波器SCF1输出的第一子采样信号P2A与所述第二开关电容滤波器SCF2输出的第二子采样信号N2A；所述第二采样信号包括第三开关电容滤波器SCF3输出的第三子采样信号P2B与所述第四开关电容滤波器SCF4输出的第四子采样信号N2B。其中，所述加法器1241将所述第一、第三子采样信号P2A和P2B转换为电流信号并通过相加方式消除偏差信号；以及，将所述第二、第四子采样信号N2A和N2B转换为电流信号并通过相加方式消除偏差信号，而后输出一对差分信号P3和N3。

参考图8c所示，为本申请实施例提供的一种加法器的结构示意图，加法器包括一运算放大器A’和三个电压电流转换器分别为第一电压电流转换器M1、第二电压电流转换器M2和第三电压电流转换器M3。在本实施例中，每个电压电流转换器均与电流源连接，且每个电压电流转换器均包括两个MOS管。其中，第一电压电流转换器M1的一MOS管的栅极接入采样信号P2A、且该MOS管的输出端连接运算放大器A’的同相端，另一MOS管的栅极接入采样信号N2A、且该MOS管的输出端连接运算放大器A’的反相端；第二电压电流转换器M2的一MOS管的栅极接入采样信号P2B、且该MOS管的输出端连接运算放大器A’的同相端，另一MOS管的栅极接入采样信号N2B、且该MOS管的输出端连接运算放大器A’的反相端；且第三电压电流转换器M3的一MOS管的栅极接入运算放大器A’输出的差分信号N3、且该MOS管的输出端连接运算放大器A’的同相端，而另一MOS管的栅极接入运算放大器A’输出的差分信号P3、且该MOS管的输出端连接运算放大器A’的反相端。其中，加法器的电压电流转换器将输入的采用信号转换为电流后通过相加方式消除偏差，并经其运算放大器增益放大后输出。在其他实施例中，也可不设置运算放大器A’，在此处仅对所述开关电容滤波器输出的信号进行消除偏差处理。

其中，较佳的该加法器的输入端设置源极反馈电阻，以保证电压电流转换器中MOS管处于饱和区。即，参考图8c所示，在每个电压电流转换器中两 个MOS管源极之间连接一串联电阻R’，以保证电压电流转换器中MOS管处于饱和区。可选的，本申请实施例可选的所述加法器为跨导放大器。以及，所述加法器的增益为2。

经开关电容滤波模块对信号处理后，需要将差分信号P3和N3输出，并被传输至第二放大模块125中，第二放大模块125对差分信号P3和N3进一步增益放大。较佳的，第二放大模块可以为可编程增益放大器，且所述可编程增益放大器的增益为5。

结合图9，对本申请实施例提供的信号处理单元的信号处理过程进行说明，图9左边示出各模块在周期时钟信号下的各差分信号输出，右边是对应的信号频域示意图。

从上面介绍到的内容可知，第一斩波开关的输出信号Vout是偏差信号Vos和理想磁场信号Vin的叠加，同时等于差分信号P1与N1的差值，差分信号P1与N1大小相等，方向相反。依据前面描述可知在时钟信号CK1的前后两个半周期，第一斩波开关输出的理想磁场电压信号大小相等，方向相反。参考图9左边图示，信号P1在时钟信号前后两个半周期分别用P1A和P1B表示，信号N1在时钟信号前后两个半周期分别用N1A和N1B表示，其输出分别为：

P1A＝(Vos+Vin)/2；P1B＝(Vos-Vin)/2

N1A＝-P1A＝-(Vos+Vin)/2；N1B＝-P1B＝-(Vos-Vin)/2

为便于理解，下面的描述中省略差分信号的系数1/2，经过第一放大器A1，第二斩波开关的输入信号为一对差分信号P1’和N1’，信号P1’在时钟信号前后两个半周期分别用P1A’和P1B’表示，信号N1’在时钟信号前后两个半周期分别用N1A’和N1B’表示，由于所述第一放大器A1的带宽限制，经所述第一放大器A1输出的差分信号为三角波差分信号，下述公式仅为信号形式，其输出分别为：

P1A’＝A(Voff+Vin)/2；P1B’＝A(Voff-Vin)/2

N1A’＝-P1A’＝-A(Voff+Vin)/2；N1B’＝-P1B’＝-A(Voff-Vin)/2

其中，A是第一放大器的放大倍数，Voff是第一放大器的输出信号中的固定偏差，等于磁感测器5的固定偏差Vos和第一放大器的固定偏差之和。为便于理解，下面的描述中省略差分信号的系数和放大器的放大系数。

则经过开关电容滤波模块后：

第二斩波开关Z2被配置为在每个时钟周期的前半周期直接输出该对差分信号而在每个时钟周期的后半周期将该对差分信号互换输出，第二斩波开关的一对差分输出信号表示为P2和N2。信号P2在时钟信号前后两个半周期分别用P2A和P2B表示，信号N2在时钟信号前后两个半周期分别用N2A和N2B表示，其输出分别为：

P2A＝P1A’＝(Voff+Vin)；P2B＝N1B’＝-(Voff-Vin)

N2A＝N1A’＝-(Voff+Vin)；N2B＝P1B’＝(Voff-Vin)；

开关电容滤波模块124对于差分信号P2和N2中每个信号，在每个时钟周期的前后两个半周期内分别采集数据并分为两对采样信号，即一对是P2A和P2B，另一对是N2A和N2B。

上述经过采样得到的四路信号经过所述加法器，输出P3和N3；加法器对两对采样信号分别进行相加处理，其输出分别为：

P3＝P2A+P2B＝(Voff+Vin)+(-(Voff-Vin))＝2Vin

N3＝N2A+N2B＝-(Voff+Vin)+(Voff-Vin)＝-2Vin

可以看出，开关电容滤波电路的输出信号P3和N3中只有磁场信号，偏差信号已被消除。

参考图9右边图示，从频域的角度来看，经过第一斩波开关，磁感测器输出的偏差信号和磁场信号被分别分离到基带频率和斩波频率，斩波频率为时钟信号的频率，如前面所述，斩波频率较佳的为几百K赫兹，基带频率与外部磁场的变化频率相等。当将本实施例的磁传感器集成电路用于同步电机控制时，外部磁场可是永磁转子磁场，其变化频率等于交流电源频率的2倍。当该同步电机由通常的50赫兹或60赫兹的市电交流电供电时，基带频率为100赫兹或120赫兹。经过第二斩波开关，经放大的偏差信号和磁场信号被交换到所述斩波频率和基带频率。由于本申请实施例中，斩波频率和基带频率的频域跨度非常大，要求所述斩波放大器123在具有高增益的同时还具有高带宽处理能力，以实现对理想检测信号的增益放大。

相应的，本申请实施例还提供了一种电机组件，如图10所示，为本申请实施例提供的一种电机组件的结构示意图，所述电机组件包括：由一交流电 源100供电的电机200；与所述电机200串联的双向导通开关300；以及依据本申请上述任一实施例所提供的磁传感器集成电路400，所述磁传感器集成电路400的输出端口与所述双向导通开关300的控制端电连接。优选的，所述电机组件还包括降压电路500，用于将所述交流电源100降压后提供给所述磁传感器集成电路400。磁传感器集成电路400靠近电机200的转子安装以感知转子的磁场变化。优选的，双向导通开关300可以是三端双向可控硅开关(TRIAC)。可以理解，双向导通开关也可由其他类型的合适的开关实现，例如可以包括反向并联的两个硅控整流器，并设置相应的控制电路，依据磁传感器集成电路的输出端口的输出信号经所述控制电路按照预定方式控制这两个硅控整流器。

在本发明的一个具体实施例中，所述电机为同步电机，可以理解，本发明的磁传感器集成电路不仅适用于同步电机，也适用于其他类型的永磁电机如直流无刷电机。如图11所示，所述同步电机包括定子和可相对定子旋转的转子11。定子具有定子铁心12及绕设于定子铁心12上的定子绕组16。定子铁心12可由纯铁、铸铁、铸钢、电工钢、硅钢等软磁材料制成。转子11具有永磁铁，定子绕组16与交流电源串联时转子11在稳态阶段以60f/p圈/分钟的转速恒速运行，其中f是所述交流电源的频率，p是转子的极对数。本实施例中，定子铁心12具有两相对的极部14。每一极部具有极弧面15，转子11的外表面与极弧面15相对，两者之间形成基本均匀气隙。本申请所称基本均匀的气隙，是指定子与转子之间大部分形成均匀气隙，只有较少部分为非均匀气隙。优选的，定子极部的极弧面15上设内凹的起动槽17，极弧面15上除起动槽17以外的部分则与转子同心。上述配置可形成不均匀磁场，保证转子在静止时其极轴S1相对于定子极部的中心轴S2倾斜一个角度，允许电机在集成电路的作用下每次通电时转子可以具有起动转矩。其中转子的极轴S1指转子两个极性不同的磁极之间的分界线，定子极部14的中心轴S2指经过定子两个极部14中心的连线。本实施例中，定子和转子均具有两个磁极。可以理解的，在更多实施例中，定子和转子的磁极数也可以不相等，且具有更多磁极，例如四个、六个等。

较佳的，所述输出控制电路30被配置为在所述交流电源100为正半周期且所述磁场检测电路20检测所述永磁转子的磁场为第一极性、或者所述交流电源100为负半周期且所述磁场检测电路20检测所述永磁转子的磁场为与所述第一极性相反的第二极性时，使所述双向导通开关300导通。当所述交流电源100为负半周期且永磁转子为所述第一极性，或者所述交流电源100为正半周期且所述永磁转子为第二极性时,使所述双向导通开关300截止。

本发明一个较佳实施例中，双向导通开关300采用三端双向可控硅开关(TRIAC)。可以理解，双向导通开关也可由其他类型的合适的开关实现，例如可以包括反向并联的两个硅控整流器，并设置相应的控制电路，依据磁传感器集成电路的输出端口的输出信号经所述控制电路按照预定方式控制这两个硅控整流器。所述输出控制电路采用图9所示的电路，当交流电源100输出的信号位于正半周期且磁场检测电路2输出低电平时，输出控制电路30中第一开关31导通而第二开关32断开，电流依次流过交流电源100、电机200、集成电路400的第一输入端子、降压电路500、所述全波整流桥的第二二极管612输出端、输出控制电路30的第一开关31，自输出端口流向双向导通开关300回到交流电源100。TRIAC300导通后，降压电路500和磁传感器集成电路400形成的串联支路被短路，磁传感器集成电路400因无供电电压而停止输出，而TRIAC300由于流过其两个阳极之间的电流足够大(高于其维持电流)，在控制极与其第一阳极间无驱动电流的情况下，TRIAC300仍保持导通。当交流电源100输出的信号位于负半周期且磁场检测电路2输出高电平时，输出控制电路30中第一开关31断开而第二开关32导通，电流从交流电源100流出，自双向导通开关300流入输出端口，经输出控制电路30的第二开关32、所述全波整流桥的接地输出端和第一二极管611、集成电路400的第一输入端子、电机200回到交流电源100。同样的，TRIAC300导通后，磁传感器集成电路400因被短路而停止输出短路，TRIAC300则可保持导通。当交流电源100输出的信号位于正半周期且磁场检测电路2输出高电平，或者交流电源100输出的信号位于负半周期且磁场检测电路2输出低电平，输 出控制电路30中第一开关31和第二开关32均不能导通,TRIAC300截止。由此，所述输出控制电路30可基于交流电源100的极性变化和磁场检测信息，使所述传感器集成电路控制双向导通开关300以预定方式在导通与截止状态之间切换，进而控制定子绕组16的通电方式，使定子产生的变化磁场配合转子的磁场位置，只沿单个方向拖动转子旋转，从而保证电机每次通电时转子具有固定的旋转方向。

可以理解，前面只是结合一种可能的应用对本发明的磁传感器集成电路做出的描述，本发明的磁传感器并不仅限于上述应用，例如，不仅用于电机驱动，还可用于其他具有磁场检测的应用。

在本发明另一个实施例的电机组件中，电机可以与双向导通开关形成第一串联支路，所述第一串联支路与降压电路和磁传感器集成电路形成的第二串联支路并联于交源电源两端之间。磁传感器集成电路的输出端口与双向导通开关连接，控制双向导通开关以预定方式在导通与截止状态之间切换，进而控制定子绕组的通电方式。

相应的，本申请实施例还提供了一种应用设备，包括由一交流电源供电的电机；与所述电机串联的双向导通开关；以及上述任意一实施例提供的磁传感器集成电路，所述磁传感器集成电路的输出端口与所述双向导通开关的控制端电连接。可选的，所述应用设备可以为泵、风扇、家用电器、车辆等应用设备中，所述家用电器例如可以是洗衣机、洗碗机、抽油烟机、排气扇等。

本申请实施例提供了一种磁传感器、磁传感器集成电路、电机组件及家用电器，包括用于连接外部电源的输入端口、输出端口及磁场检测电路，所述磁场检测电路包括用于感知外部磁场并输出检测信号的磁感测器、用于对所述检测信号进行放大去干扰处理的信号处理单元；其中，所述信号处理单元包括开关电容滤波模块，用于对磁感测器输出的检测信号经放大后得到的差分信号进行采样滤波。本申请实施例提供的技术方案，通过对现有的磁传感器的功能进行扩展，能够降低整体电路成本，提高可靠性。此外，本案加法器的输入端设置源极反馈电阻，可以确保所述电压电流转换器中的MOS管 工作在饱和区。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (18)

1.一种磁传感器集成电路，其特征在于，包括依次连接的电源输入端口、磁感测器与信号处理单元；

所述电源输入端口用于接收交流电源；

所述磁感测器用于根据外部磁场变化输出检测信号；

所述信号处理单元包括开关电容滤波模块，用于对磁感测器输出的检测信号经放大后得到的差分信号进行采样滤波与偏差消除。

2.根据权利要求1所述的磁传感器集成电路，其特征在于，所述检测信号包括磁场信号与偏差信号；

所述信号处理单元包括第一斩波开关，所述第一斩波开关与所述磁感测器相连，用于将所述磁场信号与偏差信号分别调制到斩波频率和基带频率。

3.根据权利要求2所述的磁传感器集成电路，其特征在于，所述信号处理单元还包括斩波放大器，用于放大所述基带频率的偏差信号与所述斩波频率的磁场信号，并将所述磁场信号与偏差信号分别解调到所述基带频率和斩波频率。

4.根据权利要求1所述的磁传感器集成电路，其特征在于，所述开关电容滤波模块的采样时钟信号与所述磁感测器的时钟信号的频率相同，且延迟一预定时间。

5.根据权利要求4所述的磁传感器集成电路，其特征在于，所述预定时间为所述磁感测器时钟信号的1/4周期。

6.根据权利要求3所述的磁传感器集成电路，其特征在于，所述开关电容滤波模块包括：

第一开关电容滤波器、第二开关电容滤波器、第三开关电容滤波器、第四开关电容滤波器；所述斩波放大器输出的差分信号包括第一子差分信号与第二子差分信号；

所述第一开关电容滤波器和第二开关滤波器用于分别对所述第一、第二子差分信号的上半周期进行采样分别输出第一子采样信号与第二子采样信号，所述第三开关电容滤波器和第四开关滤波器用于分别对所述第一、第二子差分信号的下半周期进行采样分别输出第三子采样信号与第四子采样信号。

7.根据权利要求6所述的磁传感器集成电路，其特征在于，所述第一开关电容滤波器和第二开关电容滤波器之间设置有多个并联设置的金属-绝缘体-金属电容；以及，

所述第三开关电容滤波器和第四开关电容滤波器之间设置有多个并联金属-绝缘体-金属电容。

8.根据权利要求6所述的磁传感器集成电路，其特征在于，所述开关电容滤波模块还包括加法器，所述加法器用于将所述开关电容滤波模块输出的采样信号通过相加方式进行偏差消除并将得到的差分信号进行增益放大。

9.根据权利要求6所述的磁传感器集成电路，其特征在于，所述加法器将所述第一、第三子采样信号相加消除偏差信号；以及，将所述第二、第四子采样信号相加消除偏差信号。

10.根据权利要求8所述的磁传感器集成电路，其特征在于，该加法器的输入端设置源极反馈电阻。

11.根据权利要求1所述的磁传感器集成电路，其特征在于，该磁传感器集成电路还包括与所述电源输入端口连接交流-直流转换器，所述交流-直流转换器为所述磁感测器与所述信号处理单元供电。

12.根据权利要求8所述的磁传感器集成电路，其特征在于，所述放大器为跨导放大器，且所述加法器增益为2。

13.根据权利要求2所述的磁传感器集成电路，其特征在于，所述开关电容滤波模块的采样频率和所述第一斩波开关的斩波频率相同。

14.根据权利要求3所述的磁传感器集成电路，其特征在于，所述斩波放大器的增益为100。

15.一种磁传感器，其特征在于，包括用于连接外部电源的输入端口、输出端口及磁场检测电路，所述磁场检测电路包括用于感知外部磁场并输出检测信号的磁感测器、用于对所述检测信号进行放大去干扰处理的信号处理单元；其中，所述信号处理单元包括开关电容滤波模块，用于对磁感测器输出的检测信号经放大后得到的差分信号进行采样滤波。

16.一种电机组件，包括由一交流电源供电的电机；以及如权利要求1-14任意一项所述的磁传感器集成电路。

17.一种具有如权利要求16所述的电机组件的应用设备。

18.如权利要求17所述的应用设备，其特征在于，所述应用设备为泵、风扇、家用电器或者车辆。