CN107404313A - 具有自适应阈值的霍尔开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有自适应阈值的霍尔开关。一种结合磁体和霍尔效应传感器以确定电子设备的部分的位置的电子设备。电子设备包括机械地耦合到电子设备的第一部分的磁体和耦合到电子设备的第二部分的霍尔效应传感器，其中第一部分和第二部分可关于彼此移动并且其中霍尔效应传感器接收磁体的磁场。设备进一步包括适配电子级，所述适配电子级基于对霍尔效应传感器的输出进行峰值检测、使用长期调整并响应于短期调整将长期调整重置成霍尔效应传感器的当前输出来输出比较阈值信号，以及开关电子级，其响应于霍尔效应传感器的输出超过比较阈值输出而进行切换。

Description

具有自适应阈值的霍尔开关

相关申请的交叉引用

本申请要求Gregory Furlong等人在2016年5月20提交的且标题为“Hall Switch withAdaptive Threshold”的美国专利申请序列号15/160,473的优先权，其被通过引用结合于本文中好像被整体地重现一样。

关于联邦政府赞助的研究或开发的声明

不可适用。

缩微平片附录的参考

不可适用。

背景技术

在技术的许多项目中使用位置传感器。有时使用霍尔效应传感器来感测基于霍尔效应传感器与感兴趣的一些其他项目的相对位置在强度方面改变的磁场。例如，永久磁体可能位于膝上型计算机的显示器的边缘中，并且霍尔效应传感器可能位于膝上型计算机的底部（base）中，使得当显示器关闭时，磁体和霍尔效应传感器接近于彼此。霍尔效应传感器因此可以检测磁体何时接近（膝上型计算机何时关闭）并且输出对应信号，所述对应信号可以由膝上型计算机使用以触发关掉显示器并且可能触发其他电力节省活动。

发明内容

在实施例中，公开了一种位置传感器。传感器包括霍尔效应传感器和适配电子级（stage），所述适配电子级耦合到霍尔效应传感器，基于对霍尔效应传感器的输出进行峰值（peak）检测、使用长期调整并响应于短期调整将长期调整重置成霍尔效应传感器的当前输出来输出比较阈值信号。传感器进一步包括开关电子级，其耦合到霍尔效应传感器和适配电子级，响应于霍尔效应传感器的输出超过比较阈值输出而切换到输出逻辑活动（active）值。

在另一实施例中，公开了一种使用霍尔效应传感器确定设备的位置的方法。方法包括霍尔效应传感器接收磁输入，霍尔效应传感器输出表示磁输入的信号，适配组件接收霍尔效应传感器输出的信号，以及适配组件存储接收到的信号的峰值。方法进一步包括适配组件在接收到的信号中检测重置模式，响应于适配组件检测到重置模式而重置适配组件所存储的峰值，适配组件输出所存储的峰值，以及适配组件生成小于所存储的峰值输出但与所存储的峰值输出成比例的阈值输出。方法进一步包括开关组件接收阈值输出，开关组件接收霍尔效应传感器输出的信号，以及在接收到的霍尔效应传感器输出的信号超过接收到的阈值输出的事件时，开关组件切换到输出逻辑活动值。

在又一实施例中，公开了一种结合磁体和霍尔效应传感器以确定电子设备的部分的位置的电子设备。设备包括机械地耦合到电子设备的第一部分的永久磁体，以及耦合到电子设备的第二部分的霍尔效应传感器，其中第一部分和第二部分可关于彼此移动并且其中霍尔效应传感器在电子设备的至少一些工作配置中接收永久磁体的磁场。设备进一步包括适配电子级，其耦合到霍尔效应传感器，基于对霍尔效应传感器的输出进行峰值检测、使用长期调整并响应于短期调整将长期调整重置成霍尔效应传感器的当前输出来输出比较阈值信号；以及开关电子级，其耦合到霍尔效应传感器和适配电子级，响应于霍尔效应传感器的输出超过比较阈值输出而转换到输出逻辑活动值。

根据结合附图和权利要求书采取的以下详细描述将更清楚地理解这些和其他特征。

附图说明

为了本公开的更彻底的理解，现在参考结合附图和详细描述采取的以下简要描述，其中同样的参考号码表示同样的部分。

图1是根据本公开的实施例的使用霍尔效应传感器检测永久磁体的位置的系统的框图。

图2A是具有打开的显示器的膝上型计算机的图示。

图2B是根据本公开的实施例的具有接近关闭的显示器的膝上型计算机的图示。

图3是根据本公开的实施例的方法的流程图。

图4是根据本公开的实施例的霍尔传感器的框图。

具体实施方式

在开始时应理解，尽管下面说明了一个或多个实施例的说明性实现，但是所公开的系统和方法可以使用任何数目的技术来实现，所述技术不管是当前已知还是还没有存在的。本公开应当决不限于下面说明的说明性实现、附图和技术，但可以在所附权利要求书的范围连同其等同物的全范围内对本公开进行修改。

本公开教导了以自适应阈值为特征的霍尔效应位置传感器。当磁体接近霍尔效应传感器时，霍尔效应传感器输出在幅度上增加。当霍尔效应传感器输出超过阈值时，接收霍尔效应传感器的输出的开关从逻辑不活动状态转变到逻辑活动状态。该逻辑活动状态可以被其他处理用作包含磁体的物体接近于霍尔效应传感器的信号。在实施例中，逻辑活动信号可以意味着膝上型计算机关闭。在实施例中，逻辑活动信号可以意味着电池门关闭。初始可以针对第一磁场强度设置阈值。稍后，甚至当磁体耦合到的物体正如接近于霍尔效应传感器一样接近时，霍尔效应传感器感测到的磁场强度可能改变。磁体的地点或位置可能由于磁体耦合到的系统的碰撞而移动，磁体发出的磁场可能由于温度改变或由于磁体可能已经接收到的机械震动而改变。作为替代示例，霍尔效应传感器感测到的磁场强度可能由于制造公差和组装变化和/或由于供应者提供的磁体中的变化而跨大量生产的产品的单独单元变化。本公开教导检测霍尔效应传感器的峰值输出和基于该峰值来适配阈值以补偿霍尔效应传感器与磁体之间的相互作用中的变化。更特别地，随着霍尔效应传感器的峰值输出在位置感测的许多周期上逐渐改变而缓慢地适配阈值，并且响应于霍尔效应传感器的峰值输出展示值中的跳跃而迅速地适配阈值。

现在转向图1，描述了系统100。在实施例中，系统100包括磁体102和位置传感器104。在实施例中，磁体102可以是永久磁体或者它可以是另一种类的磁体，诸如通过电线的线圈中的振荡电流而激励的电磁体。位置传感器104包括霍尔效应传感器106、阈值适配电子级108、耦合级110和开关级112。霍尔效应传感器106与磁体102相互作用并且输出电信号，所述电信号表示投射到霍尔效应传感器106上的磁场强度或是所述磁场强度的类似物。例如，随着磁体102过来接近于霍尔效应传感器106，磁体102的投射在霍尔效应传感器106上的磁场变得更强烈，并且霍尔效应传感器106输出的电信号的幅度同样地增加。霍尔效应传感器106的输出被馈送到开关级112中。阈值适配108接收霍尔效应传感器106的输出并且基于霍尔效应传感器106的该输出而生成阈值信号。阈值信号通过耦合级110而耦合到开关级112。耦合级110的输出可以被称为耦合阈值信号或称为阈值参考信号。在实施例中，耦合阈值信号可能小于阈值适配电子级108输出的阈值信号并且与阈值适配电子级108输出的阈值信号成比例。

当霍尔效应传感器106的输出大于耦合阈值信号时，开关级112输出逻辑活动信号，例如逻辑HI值。当霍尔效应传感器106的输出充分下降到耦合阈值信号之下（在实施例中，开关级112引入切换磁滞）时，开关级112输出逻辑不活动（inactive）信号，例如逻辑LO值。要理解，在不同的实施例中，活动逻辑相对不活动逻辑的极性可能颠倒，因此逻辑活动信号可以对应于逻辑LO值并且逻辑不活动信号可以对应于逻辑HI值。

阈值适配108被配置成检测和保持霍尔效应传感器106的输出的峰值。阈值适配108随时间过去缓慢地减小它的输出以继续跟踪霍尔效应传感器106的输出的峰值，如果该峰值缓慢地减小的话。另一方面，阈值适配108迅速地跟随峰值中的任何增加（这是“跟踪和保持”峰值所意味的东西）。这可以被称为阈值适配级108的长期调整或长期适配。阈值适配108被进一步配置成检测霍尔效应传感器106的输出的峰值何时在相对短的时间段内显著减小，例如在两个最小值到峰值到最小值周期内、在五个最小值到峰值到最小值周期内、在八个最小值到峰值到最小值周期或一些其他数目的周期内。观察到在该示例中，术语“相对短的时间段”没有用时钟时间而是根据最小值到峰值周期来表达。针对什么是峰值中的显著减小的准则可以是预定义值。作为示例，小于建立的峰值的约66%的峰值可以是针对峰值中的显著减小的准则，小于建立的峰值的约50%的峰值可以是针对峰值中的显著减小的准则，小于建立的峰值的约33%的峰值可以是针对峰值中的显著减小的准则，小于建立的峰值的约25%的峰值可以是针对峰值中的显著减小的准则，或者可以预定义不同的准则。当阈值适配108检测到在相对短的时间段内的霍尔效应传感器106的峰值输出中的显著改变时，阈值适配108重置其峰值保持值（例如，将峰值保持值设置成0或者设置成霍尔效应传感器106的输出的当前值），并且基于霍尔效应传感器106的输出的下一峰值周期来设置新的峰值。该特征可以快速地适应于位置传感器104的功能中的改变，例如，如果磁体102已经由于对系统100的损害而移动或者如果磁体102的场强已经由于对磁体102的机械震动而更改的话。

现在转向图2A和图2B，描述了位置传感器104的使用情况。示出了具有显示面板142和底部144的膝上型计算机140。将领会，显示面板142可以包括保持图形显示的外壳或壳体和各种电子器件。显示面板142可以通过铰链机械地以及通过电线、带状线缆和/或通过无线通信链路通信地耦合到底部144。底部144可以包括保持键盘和/或触摸板、开关、接口端口、盘驱动器、电池的外壳或壳体，以及保持诸如存储器芯片、微处理器芯片、数字信号处理器芯片、图形处理芯片等的各种电子组件的电路板。在实施例中，显示面板142包括磁体102，并且底部144包括位置传感器104。磁体102和位置传感器104的位置可以使得当显示面板142在底部144上关闭时，磁体102接近位置传感器104。要理解，在不同的实施例中，磁体102可能位于底部144中，并且位置传感器104可能位于显示面板142中。

当显示面板142在底部144上关闭时（当膝上型计算机的“盖子”关闭时），位置传感器104可以确定磁体102发出的磁场的峰值被霍尔效应传感器106感测到并且生成逻辑活动输出，如上面描述的那样。该逻辑活动输出可以被底部144中的处理使用，例如被由底部144的微处理器执行的程序使用，以从图形显示器移除电力，从而节省电池电力。程序可以响应于到位置传感器104的逻辑活动输出的转变而采取进一步的动作。

要理解，位置传感器104可以用在不同的使用情况中和不同的应用中。例如，位置传感器104和磁体102可以被布置在膝上型计算机140的电池盖和底部144上，使得当电池盖被移除时，传感器104输出逻辑活动信号（在该情况下逻辑极性可能被颠倒）。该电池盖移除的逻辑活动输出可以被处理使用以保存膝上型计算机140的当前状态和在按照膝上型计算机140突然移除电力的预期执行受控关机。位置传感器104可以用在其他使用情况中。

现在转向图3，描述了方法200。在框202处，霍尔效应传感器接收磁输入。例如，霍尔效应传感器106对磁体102发出的磁场进行响应。当磁体102位置改变时（例如，当旋转铰链上的显示面板142以关闭膝上型计算机140时），霍尔效应传感器106接收到的磁场改变。在块204处，霍尔效应传感器输出表示磁输入的信号。因为磁输入随着磁体102的位置而变化，所以霍尔效应传感器106的输出随着磁体102的位置和/或随着显示面板142的位置而变化。在块206处，适配组件接收霍尔效应传感器输出的信号。例如，霍尔效应传感器106的输出被阈值适配电子级108接收作为输入。

在块208处，适配组件存储接收到的信号的峰值。例如，适配组件108检测或采样和保持接收到的信号的峰值。在块210处，适配组件在接收到的信号中检测重置模式。例如，适配组件108检测包括霍尔效应传感器106的输出的多个最小值到最大值到最小值周期的模式，其中霍尔效应传感器106的输出的峰值被进一步确定成显著小于适配组件108所存储的跟踪和保持峰值。该模式与霍尔效应传感器106的峰值显著更低地变化（shift）的情况一致，并且在该情况下，耦合110的阈值耦合输出应当被重置以反映该变化的峰值水平而不是等待缓慢适配功能在延长的时间段内将这缓降。

在块212处，响应于适配组件检测到重置模式而重置适配组件所存储的峰值。例如，适配组件108重置它正在保持的霍尔效应传感器106的输出的峰值，并且重新捕捉当前值和/或峰值。在块214处，适配组件输出所存储的峰值（这可能是所存储的峰值的重置值）。在块216处，适配组件生成小于所存储的峰值输出但与所存储的峰值输出成比例的阈值输出。在块218处，开关组件（例如开关级112）接收阈值输出。在块220处，开关组件（例如开关级112）接收霍尔效应传感器输出的信号。在块222处，在接收到的霍尔效应传感器输出的信号超过接收到的阈值输出的事件时，开关组件切换到输出逻辑活动值。

现在转向图4，描述了位置传感器104的说明性实施例。应理解，参照图4描述的实施例是一个实施例并且设想本公开教导的特征和优点的其他实施例。在某种程度上，为了描述和说明特征的概念上的处理的容易，图4中图示的实施例的特征使用分离的功能块，其可以在不同的实现中由整合块实行或者可以由执行逻辑数位地实行。位置传感器104包括霍尔效应传感器106、放大器160以及峰值和保持级162。阈值耦合级可以被实现为一系列电阻器，其包括第一电阻器164、第二电阻器166和第三电阻器168。位置传感器104可以进一步包括迅速适配级，其包括第一比较器170、计数器172和重置信号生成级174。峰值和保持级162可以包括模拟到数字（AD）转换器180、峰值保持/减量寄存器182以及数字到模拟（DA）转换器184。

在正常的操作条件（例如，霍尔效应传感器106的峰值输出值不忽然、突然和/或迅速改变）下，峰值和保持级162可以捕捉和保持放大器160的输出的峰值。霍尔效应传感器106的输出可能非常低，例如在微伏特（µV）范围中，因此放大该低幅度信号可能是合期望的。通过峰值和保持级162跟踪和保持放大器160的输出。峰值和保持级162的输出是跨由电阻器164、 166、 168形成的阈值耦合级划分的电压。第一电压V1存在于第一电阻器164与第二电阻器166之间的节点处。该第一电压V1可以被称为耦合阈值输出，并且被作为比较阈值提供给开关级112。还将放大器160的输出提供给开关级112。当放大器160的输出的值充分超过耦合阈值输出时，开关级112切换到输出活动逻辑水平。当放大器160的输出的值充分下降到耦合阈值输出之下（开关级112可以实现磁滞功能）时，开关级112的输出切换到输出不活动逻辑水平。在正常操作中，开关级112的输出反映磁体102接近或远离霍尔效应传感器106，例如反映膝上型计算机140的显示面板142何时关闭或膝上型计算机140的显示面板142何时打开。

然而，在异常情况下，霍尔效应传感器106感测到的峰值磁场幅度例如因为膝上型计算机140落下和磁体102移动或者机械震动变更磁体102的磁性质而突然改变。在放大器160的输出的峰值中的突然和显著改变的情况下，第一比较器170、计数器172和重置信号生成级174可以生成重置信号，其使得峰值保持/减量寄存器182立即重置和捕捉放大器160的当前输出作为当前峰值并且跟踪发生的峰值输出。在实施例中，可以在开关级112的输出继续转变时禁用第一比较器170、计数器172和/或重置信号生成级174的功能。例如，开关级112的输出的每个转变可以使计数器172归零。

然而，当被允许操作（例如，开关级112没有转变）时，第一比较器170可以在放大器160的基本上较低的峰值输出处进行切换。第一比较器170接收阈值信号，所述阈值信号是第二电阻器166与第三电阻器168之间的节点的电压V2。本领域技术人员认识到V1电压高于V2电压。在实施例中，电阻器164、166和168的值可以被选择成使得提供给开关级112的阈值耦合输出为峰值保持/减量寄存器182的输出的约75%（峰值保持/减量寄存器182的数字输出的模拟转换），并且电压V2为峰值保持/减量寄存器182的输出的约20%。因此，第一比较器170将响应于放大器160的输出的降低的峰值而进行切换。关于第一比较器170的每个切换输出，计数器172加1。当计数器172的输出超过预定义值X时，重置信号生成级174向峰值保持/减量寄存器182发送重置信号，使得其将它保持的峰值归零并且因此立即重新捕捉新的峰值。这样，位置传感器104可以迅速地适应于霍尔效应传感器106的峰值输出中的突然改变。在位置传感器104用在膝上型计算机中的实施例中，用户可以简单地打开和关闭膝上型计算机140若干次以使得位置传感器104重置和捕捉新的峰值，如果磁体102与霍尔效应传感器106之间的相互作用中的突然改变发生的话。

虽然已经在本公开中提供了若干实施例，但是应理解，可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下以许多其他特定形式来体现所公开的系统和方法。要将当前的示例视为说明性且非限制性的，并且意图是不限于本文中给出的细节。例如，可以在另一系统中组合或整合各种元件或组件，或可以省略或不实现某些特征。

并且，可以在不脱离本公开的范围的情况下将在各种实施例中描述和说明为分立或分离的技术、系统、子系统和方法与其他系统、模块、技术或方法组合或整合。示出或讨论为彼此直接地耦合或通信的其他项目可以通过一些接口、设备或中间组件间接地耦合或通信，不论是电气地、机械地还是以其他方式。本领域技术人员可确定改变、替换和变更的其他示例并且可以在不脱离本文中公开的精神和范围的情况下做出所述其他示例。

Claims (10)

1.一种位置传感器（104），包括：

霍尔效应传感器（106）；

适配电子级（108），其耦合到霍尔效应传感器（106），基于对霍尔效应传感器（106）的输出进行峰值检测、使用长期调整并响应于短期调整将长期调整重置成霍尔效应传感器（106）的当前输出来输出比较阈值信号；以及

开关电子级（112），其耦合到霍尔效应传感器（106）和适配电子级（108），响应于霍尔效应传感器的输出超过比较阈值输出而切换到输出逻辑活动值。

2.根据权利要求1所述的位置传感器，其中位置传感器（104）被配置成检测其位置关于位置传感器（104）位置移动的永久磁体（102）的存在。

3.根据权利要求2所述的位置传感器，其中响应于永久磁体（102）被定位接近于位置传感器（104）的位置，通过霍尔效应传感器（106）的峰值输出中的突然改变来触发短期调整。

4.根据权利要求1所述的位置传感器，其中开关电子级（112）在切换中提供磁滞。

5.根据权利要求1所述的位置传感器，其中响应于不使得开关电子级（112）输出逻辑活动值的霍尔效应传感器（106）的多个最小值到峰值到最小值周期，适配电子级（108）重置长期调整。

6.一种使用霍尔效应传感器（106）确定设备的位置的方法，包括：

霍尔效应传感器（106）接收磁输入；

霍尔效应传感器（106）输出表示磁输入的信号；

适配组件（108）接收霍尔效应传感器（106）输出的信号；

适配组件（108）存储接收到的信号的峰值；

适配组件（108）在接收到的信号中检测重置模式；

响应于适配组件（108）检测到重置模式而重置适配组件（108）所存储的峰值；

适配组件（108）输出所存储的峰值；

适配组件（108）生成小于所存储的峰值输出但与所存储的峰值输出成比例的阈值输出；

开关组件（112）接收阈值输出；

开关组件（112）接收霍尔效应传感器（106）输出的信号；以及

在接收到的霍尔效应传感器（106）输出的信号超过接收到的阈值输出的事件时，开关组件（112）切换到输出逻辑活动值。

7.根据权利要求6所述的方法，其中重置模式包括霍尔效应传感器（106）输出的信号的多个最小值到峰值到最小值周期，并且包括开关组件（112）在霍尔效应传感器（106）输出的信号的所述多个最小值到峰值到最小值周期期间不切换到输出逻辑活动值。

8.一种结合磁体和霍尔效应传感器（106）以确定电子设备的部分的位置的电子设备，包括：

永久磁体（102），其机械地耦合到电子设备的第一部分；

霍尔效应传感器（106），其耦合到电子设备的第二部分，其中第一部分和第二部分可关于彼此移动，并且其中霍尔效应传感器（106）在电子设备的至少一些工作配置中接收永久磁体（102）的磁场；

适配电子级（108），其耦合到霍尔效应传感器（106），基于对霍尔效应传感器（106）的输出进行峰值检测、使用长期调整并响应于短期调整将长期调整重置成霍尔效应传感器（106）的当前输出来输出比较阈值信号；以及

开关电子级（112），其耦合到霍尔效应传感器（106）和适配电子级（108），响应于霍尔效应传感器（106）的输出超过比较阈值输出而转换到输出逻辑活动值。

9.根据权利要求8所述的电子设备，其中电子设备是膝上型计算机。

10.根据权利要求8所述的电子设备，其中电子设备是电池隔室盖。