CN108155897A - 一种低功耗开关霍尔传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低功耗开关霍尔传感器，其包括依次连接的霍尔块、放大器、比较器和输出驱动模块，还包括：一低频振荡器，其提供第一时钟信号；一与所述低频振荡器连接的计时器，其在所述第一时钟信号的激励下计时，当达到设定时间后，输出休眠结束时刻信号；一高频振荡器，其根据一检测使能信号，提供第二时钟信号；以及一分别与所述计时器和高频振荡器连接的时钟逻辑控制模块。与现有的霍尔传感器相比，本发明通过采用两个不同的振荡器分别为检测模式和休眠模式提供相应的时钟信号，从而不仅大大降低芯片的功耗，还可以针对两种工作模式最大化优化电路性能、增加设计的灵活性。
Description
技术领域
本发明涉及一种霍尔传感器，尤其涉及一种低功耗开关霍尔传感器。
背景技术
众所周知，传感器在通信、工业、仪器制造等领域中已经得到广泛的应用，在各种传感器检测磁场的应用中，霍尔传感器是最常用和最普遍的。开关霍尔传感器常用于检测速度、位置，是霍尔传感器中最为重要的产品，
如今，开关霍尔传感器对低功耗的要求越来越高，例如，由于水表检测仪一般埋在地下，不易更换电池；手机使用越来越频繁，耗电越来越大等原因，甚至会要求更低的功耗。
如图1所示，现有的实现低功耗要求的开关霍尔传感器包括：振荡器101、与振荡器101连接的计时器102和时钟逻辑控制模块103、与时钟逻辑控制模块103连接的霍尔块104、放大器105和迟滞比较器106，以及输出驱动模块 107，其中，计时器102与时钟逻辑控制模块103连接，霍尔块104、放大器 105、迟滞比较器106和输出驱动模块107依次相连。上述低功耗霍尔传感器采用计时器102控制电路的周期性工作，每个周期有两种工作模式：一是检测模式，二是休眠模式，其中：
在检测模式下，所有模块101～107工作，具体来说，振荡器101始终分别向计时器102和时钟逻辑控制模块103输出相应的时钟信号，计时器102 计时达到设定时间后向时钟逻辑控制模块103输出结束时刻信号，时钟逻辑控制模块103根据结束时刻信号向霍尔块104、放大器105和迟滞比较器106 输出检测使能信号，开启并控制它们顺序工作：首先，霍尔块104感应外部磁场强度，输出微弱的霍尔电压，然后放大器105将接收到的微弱的霍尔电压放大后输入到迟滞比较器106，最后放大后的霍尔信号通过比较判断后由输出驱动模块107输出。由此可见，在检测模式下，虽然消耗电流大，但工作时间极短，可以有效降低芯片功耗；
在休眠模式下，经过一个时钟周期的检测模式后，时钟逻辑控制模块103 输出休眠使能信号到计时器102、霍尔块104、放大器105和迟滞比较器106，计时器102接收到休眠使能信号后在振荡器101的时钟激励下开始重新计时，霍尔块104、放大器105和迟滞比较器106接收到休眠使能信号后停止工作；当计时器102重新计时达到设定时间后，向时钟逻辑控制模块103输出结束时刻信号，时钟逻辑控制模块103输出检测使能信号，此时休眠模式结束并开启检测模式。由此可见，休眠模式虽然工作时间很长，但只有振荡器101 和计时器102工作，因此平均消耗电流很小。
然而，在现有的开关霍尔传感器中，由于振荡器101既要为计时器102 提供时钟，又要满足其它模块，如时钟逻辑控制模块103的时钟要求，因此使得振荡器101的功耗很难再降低，由此使得开关霍尔传感器的整体功耗很难降下来。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种低功耗开关霍尔传感器，以有效降低传感器的整体功耗。
本发明所述的一种低功耗开关霍尔传感器，其包括依次连接的霍尔块、放大器、比较器和输出驱动模块，其还包括：
一低频振荡器，其提供第一时钟信号；
一与所述低频振荡器连接的计时器，其在所述第一时钟信号的激励下计时，当达到设定时间后，输出休眠结束时刻信号；
一高频振荡器，其根据一检测使能信号，提供第二时钟信号；以及
一分别与所述计时器和高频振荡器连接的时钟逻辑控制模块，其根据所述休眠结束时刻信号，输出所述检测使能信号，以开启所述高频振荡器、霍尔块、放大器和比较器，并根据所述第二时钟信号控制所述霍尔块、放大器和比较器先后顺序工作，当所述比较器完成一次比较后，该时钟逻辑控制模块输出休眠使能信号，以关闭所述高频振荡器、霍尔块、放大器和比较器，并使所述计时器复位以重新开始计时。
在上述低功耗开关霍尔传感器中，所述时钟逻辑控制模块包括：
一与所述高频振荡器连接的分频电路，其根据所述第二时钟信号，产生N 个分频时钟，并将所述N个分频时钟按序输出至所述霍尔块、放大器和比较器；
一第一D触发器，其D输入端接收所述分频电路输出的第N个分频时钟，其CP端接收所述高频振荡器提供的第二时钟信号；
一或门，其一个输入端接收所述第一D触发器的QB端输出的延时信号，其另一个输入端接收所述分频电路输出的第N个分频时钟；以及
一第二D触发器，其CP端与所述或门的输出端连接，其D端接地，其 S端接收所述计时器输出的休眠结束时刻信号；其Q端输出所述检测使能信号或休眠使能信号。
在上述低功耗开关霍尔传感器中，所述比较器为迟滞比较器。
在上述低功耗开关霍尔传感器中，所述放大器为消失调放大器。
由于采用了上述的技术解决方案，本发明通过采用两个不同的振荡器分别为检测模式和休眠模式提供相应的时钟信号，从而可以实现以下优点：
1、开关霍尔传感器的平均功耗主要取决于休眠模式时的功耗，而本发明在此模式下只有低频振荡器工作，因此功耗更低。采用一个振荡器的现有技术，其平均电流仅能做到微安级，而本发明的平均电流可以突破微安级限制，做到纳安级。因此，与现有技术相比，本发明大大降低了芯片的功耗。
2、采用高频振荡器可满足检测模式下要求快速响应的要求，采用低频振荡器则适合时间较长的休眠模式。与现有技术相比，本发明对于两种工作模式不仅可以最大化优化电路性能，还可以增加设计振荡器参数的灵活性。
附图说明
图1是现有的低功耗开关霍尔传感器的结构示意图；
图2是本发明一种低功耗开关霍尔传感器的结构示意图；
图3是本发明一种低功耗开关霍尔传感器中时钟逻辑控制模块的结构示意图；
图4是本发明一种低功耗开关霍尔传感器在检测模式和休眠模式下时钟逻辑控制模块的输出信号的时序波形图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
如图2-3所示，本发明，即一种低功耗开关霍尔传感器，包括：低频振荡器201、计时器202、高频振荡器203、时钟逻辑控制模块204、霍尔块205、放大器206、比较器207和输出驱动模块208，其中：
低频振荡器201与计时器202的输入端连接，以向计时器202提供第一时钟信号；
计时器202与时钟逻辑控制模块204双向连接，其一方面在低频振荡器 201提供的第一时钟信号的激励下进行计时，当计时达到设定时间后，向时钟逻辑控制模块204输出休眠结束时刻信号，另一方面根据时钟逻辑控制模块 204输出的休眠使能信号进行复位，并重新开始计时，从而当再次计时达到设定时间时，再向时钟逻辑控制模块204输出休眠结束时刻信号；
高频振荡器203与时钟逻辑控制模块204双向连接，其一方面根据时钟逻辑控制模块204输出的检测使能信号，向时钟逻辑控制模块204提供第二时钟信号，另一方面根据时钟逻辑控制模块204输出的休眠使能信号关闭输出；
时钟逻辑控制模块204还与霍尔块205、放大器206和比较器207连接，其根据计时器202输出的休眠结束时刻信号，向计时器202、高频振荡器203、霍尔块205、放大器206和比较器207输出检测使能信号，开启检测模式，即，控制计时器202继续计时，控制高频振荡器203输出第二时钟信号，并根据第二时钟信号控制霍尔块205、放大器206和比较器207先后顺序工作，当比较器207完成一次比较后，向计时器202、高频振荡器203、霍尔块205、放大器206和比较器207输出休眠使能信号，开启休眠模式，即，控制计时器 202复位以重新开始计时，并关闭高频振荡器203，同时使霍尔块205、放大器206和比较器207停止工作，直到再次接收到计时器202输出的休眠结束时刻信号后，再次输出检测使能信号，以重复上述过程；
霍尔块205的两个输出端与放大器206的两个输入端连接，放大器206 的输出端与和比较器207的输入端连接，比较器207的输出端与输出驱动模块208的输入端连接，当霍尔块205、放大器206和比较器207接收到检测使能信号后在时钟逻辑控制模块204的控制下先后开始工作：首先，霍尔块205 感应当前磁场强度并输出微弱的霍尔电压到放大器206的输入端；其次，放大器206将微弱的霍尔电压放大并输入到比较器207的输入端；然后，比较器207将放大后的霍尔电压信号与设定的磁场翻转点阈值进行比较：若磁场强度达到设定阈值，则比较器207发生翻转，并输入到输出驱动模块208，输出状态发生改变；若磁场强度未达到设定阈值，则比较器207保持原输出，输出状态不变。当霍尔块205、放大器206和比较器207接收到休眠使能信号后停止工作。
在本实施例中，放大器206可以采用消失调放大器，从而不仅可以消除前级霍尔块的失调电压，还可以消除放大器本身的失调；比较器207可以采用迟滞比较器，从而可以避免在磁场检测点附近比较器输出不稳定、输出误逻辑的问题。
同时，在本实施例中，上述时钟逻辑控制模块204具体包括：分频电路 301、第一D触发器302、或门303以及第二D触发器304，其中：
分频电路301的输入端与高频振荡器203的输出端连接，其在检测模式下，对第二时钟信号进行分频，以产生N个分频时钟CLK1、CLK2、……、 CLKN，并将这些分频时钟按序输出至霍尔块205、放大器206和比较器207，即，分频时钟CLK1输出至霍尔块205，分频时钟CLK2输出至放大器206，分频时钟CLKN输出至比较器207，从而为它们提供工作时序，使它们先后顺序工作；另外，分频时钟CLKN作为检测模式的最后一个时钟，还同时输入到第一D触发器302的D端和或门303的一个输入端；
第一D触发器302的CP端与高频振荡器203的输出端连接，以接收第二时钟信号，其QB端与或门303的另一个输入端连接，以向或门303输出延时信号CLKND，即，第一D触发器302在高频时钟，即第二时钟信号的触发下，延时产生于接收到的分频时钟CLKN相位相反的延时信号CLKND；
或门303的输出端与第二D触发器304的CP端连接，其根据接收到的分频时钟CLKN和延时信号CLKND，输出一个在时序上紧跟着分频时钟CLKN之后的低脉冲信号，以作为第二D触发器304的时钟；
第二D触发器304的D端接地，即，接收电源地信号GND，其S端与计时器202的输出端连接；第二D触发器304在或门303输出的低脉冲信号的触发下，其Q端向计时器202、高频振荡器203、霍尔块205、放大器206 和比较器207输出使能信号ACT，此时使能信号ACT为0(低电平)，计时器202接收到该低电平的使能信号后复位重新开始计时，高频振荡器203、霍尔块205、放大器206和比较器207则停止工作，也就是说，在时序上，当最后一个分频时钟CLKN结束后，传感器进入休眠模式，此时，该低电平的使能信号ACT即为上述的休眠使能信号；当计时器202计时达到设定时间后，输出一个低脉冲信号，即休眠结束时刻信号至第二D触发器304的S端，从而使第二D触发器304复位，此时使能信号ACT为1(高电平)，高频振荡器203、霍尔块205、放大器206和比较器207接收到该高电平的使能信号后开始正常工作，计时器202则继续接收低频振荡器201的第一时钟信号计时，由于此计时时间远远大于检测模式持续的时间，因此计时器202的输出不会干扰其它模块的正常工作(当然，计时器202也可以选择在检测模式下停止工作)，也就是说，在时序上，当计时器202达到设定时间后，传感器进入检测模式，此时，该高电平的使能信号ACT即为上述的检测使能信号。
上述使能信号ACT的时序波形图可如图4所示，从图中可以看出芯片定时开启检测且大部分时间处于休眠模式，因此休眠模式的功耗降低将有利于芯片平均功耗的降低。
在本实施例中，上述第一D触发器301、第二D触发器304也可以用其它触发器替换，例如JK触发器等；或门303则可以用任何实现“或”逻辑的电路替换。
本发明的工作周期如下：
第一步，计时器202在低频振荡器201提供的第一时钟信号激励下计时，当计时达到设定时间后，向时钟逻辑控制模块204输出休眠结束时刻信号，休眠模式结束；
第二步，时钟逻辑控制模块204向计时器202、高频振荡器203、霍尔块 205、放大器206和比较器207输出检测使能信号，使所有模块开始工作，进入检测模式；
第三步，放大器206将霍尔块205的感应电压放大并输入到比较器207，若磁场达到设定阈值，比较器207发生翻转并将结果输入到输出驱动模块208；
第四步，当时钟逻辑控制模块204发出最后一个分频时钟，控制比较器 207判断磁场强度结束，即完成一次磁场检测后，时钟逻辑控制模块204输出休眠使能信号，关闭高频振荡器203、霍尔块205、放大器206和比较器207，进入休眠模式；
第五步，计时器202在休眠使能信号控制下复位，并在低频振荡器201 的驱动下开始重新计时，并返回至第一步，循环工作。
由此可见，在休眠模式下，仅有低频振荡器201和计时器202工作，而计时器202为逻辑电路，其功耗可以忽略不计，因此，此模式下的主要功耗主要取决于提供时钟信号的振荡器，由于该振荡器为低频振荡器，功耗可以做到更低，因此使得本发明的低功耗开关霍尔传感器的功耗相较于现有的传感器而言有效降低。
综上所述，本发明通过将检测模式和休眠模式的时钟分开处理，具体为：通过低频振荡器为休眠模式提供时钟信号，通过高频振荡器为检测模式提供时钟信号。因此，与现有的低功耗开关霍尔传感器相比，本发明不仅大大降低芯片的功耗，还可以针对两种工作模式最大化优化电路性能、增加设计的灵活性。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (4)
1.一种低功耗开关霍尔传感器，其包括依次连接的霍尔块、放大器、比较器和输出驱动模块，其特征在于，所述传感器还包括：
一低频振荡器，其提供第一时钟信号；
一与所述低频振荡器连接的计时器，其在所述第一时钟信号的激励下计时，当达到设定时间后，输出休眠结束时刻信号；
一高频振荡器，其根据一检测使能信号，提供第二时钟信号；以及
一分别与所述计时器和高频振荡器连接的时钟逻辑控制模块，其根据所述休眠结束时刻信号，输出所述检测使能信号，以开启所述高频振荡器、霍尔块、放大器和比较器，并根据所述第二时钟信号控制所述霍尔块、放大器和比较器先后顺序工作，当所述比较器完成一次比较后，该时钟逻辑控制模块输出休眠使能信号，以关闭所述高频振荡器、霍尔块、放大器和比较器，并使所述计时器复位以重新开始计时。
2.根据权利要求1所述低功耗开关霍尔传感器，其特征在于，所述时钟逻辑控制模块包括：
一与所述高频振荡器连接的分频电路，其根据所述第二时钟信号，产生N个分频时钟，并将所述N个分频时钟按序输出至所述霍尔块、放大器和比较器；
一第一D触发器，其D输入端接收所述分频电路输出的第N个分频时钟，其CP端接收所述高频振荡器提供的第二时钟信号；
一或门，其一个输入端接收所述第一D触发器的QB端输出的延时信号，其另一个输入端接收所述分频电路输出的第N个分频时钟；以及
一第二D触发器，其CP端与所述或门的输出端连接，其D端接地，其S端接收所述计时器输出的休眠结束时刻信号；其Q端输出所述检测使能信号或休眠使能信号。
3.根据权利要求1所述低功耗开关霍尔传感器，其特征在于，所述比较器为迟滞比较器。
4.根据权利要求1所述低功耗开关霍尔传感器，其特征在于，所述放大器为消失调放大器。
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