CN110266299B - 磁性开关芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种磁性开关芯片，包括电源反接保护模块、电源静电保护模块、高压稳压电路模块、信号处理模块、输出驱动模块、输出类型检测模块、LED静电保护模块、SEL静电保护模块、OUT静电保护模块、过温检测报警模块及过流检测报警模块。本发明提出的磁性开关芯片，集成了稳压、信号检测放大、输出驱动、LED驱动功能。应用本芯片的气缸电路板无需额外选用分立元件的稳压芯片和驱动晶体管芯片，可大幅降低传统气缸电路板的成本，也不存在稳压芯片、信号检测芯片、驱动芯片之间的兼容问题。同时，电路板的体积也得以显著缩小，可以适用于更多对体积有限制的气缸环境。
Description
技术领域
本发明属于气缸活塞技术领域，涉及一种开关芯片，尤其涉及一种磁性开关芯片。
背景技术
气缸是引导活塞在缸内进行直线往复运动的圆筒形金属机件，在工业自动化控制、半导体设备、机器人、印刷等领域应用十分广泛。
为了维持气缸活塞在缸体内持续的往复运动，使用者需要对活塞位置进行检测，从而精确控制气缸的行程。一般使用磁性开关进行气缸(活塞)位置检测。磁性开关分为有触点型和无触点型两种。有触点型开关使用干簧管(磁簧管)作为磁性感应元件，通过两根簧片在磁场作用下的吸合或断开来控制活塞运动。但干簧管的缺点是耐用性较差，且精度控制不够高，导致气缸整体可靠性下降。
另一种是无触点型磁性开关，它是通过磁性感应芯片驱动电磁阀负载，来控制气缸活塞的运动。气缸和磁性开关的整体剖面结构如图1所示。气缸活塞可沿图中箭头方向左右自由运动。活塞上装有磁环，可在其周围产生磁场。当活塞运动至A点附近时，安装在气缸壁上的磁性开关A感应到磁场从而被触发，此时负载A(通常是电磁阀)会有电流流过，向缸体内供气；同时磁性开关B未被触发，负载B无动作，因此活塞会在A点附近减速并折返向B点运动。活塞运动至B点附近发生类似的动作，又减速并折返向A点运动，如此在A、B之间往复。
实际应用中，将包括磁性开关芯片和其他辅助元件集成在一个印刷电路板(PCB)上。目前绝大多数无触点型磁性开关电路板如图2所示。按照接线方式的不同，可分两线式和三线式电路板两种，分别对应图2和图3。
以图2的两线式驱动电路板说明基本工作原理。磁开关芯片能感应周围环境的磁场，当磁场大于某一阈值BOP后，芯片会给驱动晶体管一个“1”信号，使驱动晶体管导通，此时负载上就会有电路通过，对气缸供气，达到控制活塞运动的功能。与此同时发光二极管会点亮，指示磁场检测成功。另外，由于大部分负载阻抗比较固定，而工作所需电流较大，因此所需的电源电压较高，这就需要稳压芯片和滤波电容，为磁开关芯片提供一个较低的，稳定的电压，防止磁开关芯片发生损坏。
图2和图3中的负载可以任意串接在电源正极(上拉负载)或电源负极(下拉负载)。图2和图3只画出了上拉负载的情形。另外，驱动晶体管可以是N型晶体管(NPN或NMOS)，也可以是P型晶体管(PNP或PMOS)。
有鉴于此，如今迫切需要设计一种气缸活塞检测方式，以便克服现有检测方式存在的上述缺陷。
发明内容
本发明提供一种磁性开关芯片，可集成稳压、信号检测放大、输出驱动、LED驱动等多种功能，降低电路板成本，缩小电路板体积。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，采用如下技术方案：
一种磁性开关芯片，所述磁性开关芯片包括：电源反接保护模块、电源静电保护模块、高压稳压电路模块、信号处理模块、输出驱动模块、输出类型检测模块、LED静电保护模块、SEL静电保护模块、OUT静电保护模块、过温检测报警模块及过流检测报警模块；
所述高压稳压电路模块为信号处理模块提供稳定的低压供电AVDD，信号处理模块将外部磁场信号转化为电信号，当外部磁场强度B较大时，信号处理模块会输出DOP高电平/低电平，提示检测到磁场，使得输出驱动电路的驱动晶体管打开，为负载提供电流，从而控制气缸活塞运动方向，同时LED灯亮；当外部磁场强度B较小时，信号处理模块会输出DOP低电平/高电平，提示未检测到磁场，使得输出驱动电路的驱动晶体管关闭，负载无电流同时LED灯灭，活塞无动作；
所述输出类型检测模块能自动检测负载是上拉还是下拉，从而自动选择N型或P型驱动晶体管；SEL端通过外接不同电阻选择不同的磁感应灵敏度；过温检测报警模块和过流检测报警模块能在芯片温度过高或输出电流过大时自动关闭输出驱动能力，保证芯片不受损坏；电源反接保护模块能在芯片各端口被不慎接反的情况下自动截止，保证内部器件不被反向电流损伤；
所述磁性开关芯片包括5个管脚，分别为VSUP管脚、GND管脚、LED管脚、SEL管脚和OUT管脚；VSUP管脚为芯片电源管脚；GND管脚为芯片地管脚；LED管脚为外接发光二极管LED驱动电流输出管脚，当芯片检测到足够强的磁场时，LED会发光，作为芯片是否检测到磁场的一种视觉提示；SEL管脚为芯片磁感应灵敏度选择端口，通过外接不同电阻来选择不同的磁感应灵敏度；OUT管脚为芯片输出端口，能直接外接负载；
所述电源反接保护模块用以在电源地被接反时，使电路正常工作；当芯片电源VSUP为高电压、GND为最低电压时，电源反接保护模块近似相当于短路，即VSUP＝VDDH，即将供电电源无损耗地传输至芯片内部；当使用者不慎将电源地接反，即VSUP为最低电压，GND为高电压时，电源反接保护模块相当于开路，从而保护内部各模块不受反向电压损坏；电源反接保护模块用一个耐高压的二极管实现，其阳极接VSUP，阴极接VDDH；
所述电源静电保护模块用以在电源和地之间提供静电电荷的泄放通路；使用中芯片VSUP端不可避免会经历瞬间高压静电的冲击，此模块当检测到瞬间高压时会变成低阻状态，将大量的静电电荷泄放到GND端，从而保护内部电路器件不受高压静电的冲击而损坏；电源静电保护模块用一个MOS晶体管或双极型晶体管实现；
所述高压稳压电路模块用以在电源VSUP为高压供电的条件下提供一个稳定的低压输出AVDD，保护内部的信号处理模块不暴露在高电压下；同时在电源VSUP为低压供电时让AVDD＝VDDH，从而保证信号处理模块有足够的工作电压，保证其正常工作，且信噪比良好；
所述信号处理模块用以感测外部磁场的强弱，并且判断磁场强度是否已经超过了某一阈值，并相应地输出一个高电平或低电平输出信号DOP；当DOP为低电平时，表明外部磁场不够强/足够强；当DOP为高时，说明外部磁场已经足够强/不够强；所述信号处理模块还能根据SEL脚的电压来选择磁感应灵敏度，当选择高灵敏度时，比较弱的磁场也能使DOP变高电平；当选择低灵敏度时，需要比较强的磁场才能使DOP变高电平；
所述信号处理模块包括磁信号传感器、差分放大器、偏置模块、参考电压产生模块、比较器、锁存器；
所述磁信号传感器使用磁阻传感器或霍尔传感器，它能感应外界磁场，并输出一个和磁场强度B成正比的微弱的差分电压信号VI；
所述差分放大器具有放大倍数A，其输出为VB＝A*VI；
所述偏置模块为磁信号传感器偏置电流或电压；
所述参考电压产生模块用以产生参考电压VTH，并在比较器中将VB和此阈值VTH进行比较，同时根据SEL的结果调节磁感应灵敏度，使应用更加灵活；比较结果送入锁存器，锁存器用以保证比较结果被锁存而不被干扰，并将比较结果传输出到DOP；当VB>VTH时，DOP为高，提示检测到外部磁场，当VB<VTH时，DOP为低，提示未检测到外部磁场；
所述差分放大器和比较器加入动态失配消除功能，用以消除来自于磁信号传感器以及内部电路自身的工艺不匹配，提高磁感应的测量精度；
所述输出驱动模块用以根据DOP的高低决定输出驱动晶体管是否需要开启，并决定LED灯是否需要亮；同时能根据输出类型检测的结果TP自动选择开启N型驱动管或P型驱动管；根据过温检测报警的结果OVT、过流检测报警的结果OVI判断是否需要关闭输出驱动晶体管；DOP的高低反映是否检测到外部磁场；
所述输出驱动模块包含输出逻辑控制模块、电源电压反馈检测模块、输出驱动偏置模块、输出反接保护模块、输出N型晶体管和输出P型晶体管；
所述输出逻辑控制模块会根据DOP信号、TP信号、OVI信号、OVT信号来决定是否要开启芯片的输出驱动，以及选择开启N型驱动管还是P型驱动管；DOP信号反映是否检测到外部磁场，TP信号为输出类型检测结果，OVI信号为过流检测报警结果，OVT信号为过温检测报警结果；
所述电源电压反馈检测模块用以将电压VDDH钳位在一个设定最低电压以上，防止芯片电压过低而影响工作性能；
所述输出驱动偏置模块用以为输出N型晶体管和输出P型晶体管提供栅极偏置电压或基极偏置电压，使其导通或者关断；同时又为LED管脚和SEL管脚提供偏置电流；
所述输出反接保护模块用以防止OUT管脚不慎接反的情况；当OUT比VDDH更高，或OUT比GND更低时，输出反接保护模块会截止，防止反向大电流倒灌入芯片内部；
所述输出N型晶体管为NPN晶体管或NMOS晶体管；输出P型晶体管为PNP晶体管或PMOS晶体管；输出N型晶体管及输出P型晶体管受到输出驱动偏置模块的控制而开启或关闭；开启时输出负载有电流，关闭时输出负载无电流；输出N型晶体管及输出P型晶体管的面积大于设定值，从而能驱动足够大的负载电流，并且有利于散热；
所述输出类型检测模块用以自动判别外接负载的类型，判断外接负载为上拉负载还是下拉负载，从而给出一个高或低电平控制信号TP，通知输出驱动模块，使其选择适当的驱动晶体管类型来适配负载类型；
所述LED静电保护模块用以在LED管脚和VDDH之间提供一个静电电荷的泄放通路；当使用过程中LED管脚接受瞬间高压冲击时，LED静电保护模块会变为低阻状态，高压传输到VDDH，同时又会让电源静电保护模块变为低阻状态，从而将电荷泄放到GND端，保证芯片内部器件不受高压静电损伤；
所述SEL静电保护模块用以在SEL管脚和VDDH之间提供一个静电电荷的泄放通路；当使用过程中SEL管脚接受瞬间高压冲击时，SEL静电保护模块会变为低阻状态，高压传输到VDDH，同时又会让电源静电保护模块变为低阻状态，从而将电荷泄放到GND端，保证芯片内部器件不受高压静电损伤；
所述OUT静电保护模块用以在OUT管脚和VDDH之间提供一个静电电荷的泄放通路；当使用过程中OUT管脚接受瞬间高压冲击时，OUT静电保护模块会变为低阻状态，高压传输到VDDH，同时又会让电源静电保护模块变为低阻状态，从而将电荷泄放到GND端，保证芯片内部器件不受高压静电损伤；
所述过温检测报警模块用以检测芯片内部温度；当芯片温度高于TTH1时，输出OVT为高电平/低电平，提示芯片温度已经超过报警温度，需要关闭输出驱动功能；当芯片温度低于TTH2时，输出OVT为低电平/高电平，提示温度未达到报警温度；其中，TTH1>TTH2，从而提供一定的迟滞，保证过温检测不受噪声干扰；
所述过流检测报警模块用以检测芯片输出电流即负载电流；当芯片输出电流高于ITH1时，输出OVI为高电平/低电平，提示芯片输出电流已经超过报警电流，需要关闭输出驱动电流；当芯片输出电流低于ITH2时，输出OVI为低电平/高电平，提示输出电流未超过报警电流；ITH1>ITH2，从而提供一定的迟滞，保证过流检测不受噪声干扰。
一种磁性开关芯片，所述磁性开关芯片包括：信号处理模块、输出驱动模块，所述信号处理模块连接输出驱动模块；
所述信号处理模块将外部磁场信号转化为电信号，并根据外部磁场的信号输出相应信号，以此控制输出驱动模块的驱动晶体管打开或关闭，从而控制活塞运动或不动作。
作为本发明的一种实施方式，当外部磁场强度B较大时，信号处理模块会输出DOP高电平/低电平，提示检测到磁场，使得输出驱动模块的驱动晶体管打开，为负载提供电流，从而控制气缸活塞运动方向；
当外部磁场强度B较小时，信号处理模块会输出DOP低电平/高电平，提示未检测到磁场，使得输出驱动模块的驱动晶体管关闭，负载无电流，活塞无动作。
作为本发明的一种实施方式，所述磁性开关芯片还包括电源反接保护模块、电源静电保护模块、高压稳压电路模块；
所述电源反接保护模块用以在电源地被接反时，使电路正常工作；当芯片电源VSUP为高电压、GND为最低电压时，电源反接保护模块近似相当于短路，即VSUP＝VDDH，即将供电电源无损耗地传输至芯片内部；当使用者不慎将电源地接反，即VSUP为最低电压，GND为高电压时，电源反接保护模块相当于开路，从而保护内部各模块不受反向电压损坏；电源反接保护模块用一个耐高压的二极管实现，其阳极接VSUP，阴极接VDDH；
所述电源静电保护模块用以在电源和地之间提供静电电荷的泄放通路；使用中芯片VSUP端不可避免会经历瞬间高压静电的冲击，此模块当检测到瞬间高压时会变成低阻状态，将大量的静电电荷泄放到GND端，从而保护内部电路器件不受高压静电的冲击而损坏；所述高压稳压电路模块为信号处理模块提供稳定的低压供电AVDD；所述电源静电保护模块用一个MOS晶体管或双极型晶体管实现；
所述高压稳压电路模块用以在电源VSUP为高压供电的条件下提供一个稳定的低压输出AVDD，保护内部的信号处理模块不暴露在高电压下；同时在电源VSUP为低压供电时让AVDD＝VDDH，从而保证信号处理模块有足够的工作电压，保证其正常工作，且信噪比良好。
作为本发明的一种实施方式，所述磁性开关芯片还包括输出类型检测模块、LED静电保护模块、SEL静电保护模块、OUT静电保护模块、过温检测报警模块及过流检测报警模块；
所述输出类型检测模块能自动检测负载是上拉还是下拉，从而自动选择N型或P型驱动晶体管；SEL端通过外接不同电阻选择不同的磁感应灵敏度；过温检测报警模块和过流检测报警模块能在芯片温度过高或输出电流过大时自动关闭输出驱动能力，保证芯片不受损坏。
作为本发明的一种实施方式，所述输出类型检测模块用以自动判别外接负载的类型，判断外接负载为上拉负载还是下拉负载，从而给出一个高或低电平控制信号TP，通知输出驱动模块，使其选择适当的驱动晶体管类型来适配负载类型；
所述LED静电保护模块用以在LED管脚和VDDH之间提供一个静电电荷的泄放通路；当使用过程中LED管脚接受瞬间高压冲击时，LED静电保护模块会变为低阻状态，高压传输到VDDH，同时又会让电源静电保护模块变为低阻状态，从而将电荷泄放到GND端，保证芯片内部器件不受高压静电损伤；
所述SEL静电保护模块用以在SEL管脚和VDDH之间提供一个静电电荷的泄放通路；当使用过程中SEL管脚接受瞬间高压冲击时，SEL静电保护模块会变为低阻状态，高压传输到VDDH，同时又会让电源静电保护模块变为低阻状态，从而将电荷泄放到GND端，保证芯片内部器件不受高压静电损伤；
所述OUT静电保护模块用以在OUT管脚和VDDH之间提供一个静电电荷的泄放通路；当使用过程中OUT管脚接受瞬间高压冲击时，OUT静电保护模块会变为低阻状态，高压传输到VDDH，同时又会让电源静电保护模块变为低阻状态，从而将电荷泄放到GND端，保证芯片内部器件不受高压静电损伤；
所述过温检测报警模块用以检测芯片内部温度；当芯片温度高于TTH1时，输出OVT为高电平/低电平，提示芯片温度已经超过报警温度，需要关闭输出驱动功能；当芯片温度低于TTH2时，输出OVT为低电平/高电平，提示温度未达到报警温度；其中，TTH1>TTH2，从而提供一定的迟滞，保证过温检测不受噪声干扰；
所述过流检测报警模块用以检测芯片输出电流即负载电流；当芯片输出电流高于ITH1时，输出OVI为高电平/低电平，提示芯片输出电流已经超过报警电流，需要关闭输出驱动电流；当芯片输出电流低于ITH2时，输出OVI为低电平/高电平，提示输出电流未超过报警电流；ITH1>ITH2，从而提供一定的迟滞，保证过流检测不受噪声干扰。
作为本发明的一种实施方式，所述磁性开关芯片包括5个管脚，分别为VSUP管脚、GND管脚、LED管脚、SEL管脚和OUT管脚；VSUP管脚为芯片电源管脚；GND管脚为芯片地管脚；LED管脚为外接发光二极管LED驱动电流输出管脚，当芯片检测到足够强的磁场时，LED会发光，作为芯片是否检测到磁场的一种视觉提示；SEL管脚为芯片磁感应灵敏度选择端口，通过外接不同电阻来选择不同的磁感应灵敏度；OUT管脚为芯片输出端口，能直接外接负载。
作为本发明的一种实施方式，所述信号处理模块用以感测外部磁场的强弱，并且判断磁场强度是否已经超过了某一阈值，并相应地输出一个高电平或低电平输出信号DOP；当DOP为低电平时，表明外部磁场不够强/足够强；当DOP为高时，说明外部磁场已经足够强/不够强；所述信号处理模块还能根据SEL脚的电压来选择磁感应灵敏度，当选择高灵敏度时，比较弱的磁场也能使DOP变高电平；当选择低灵敏度时，需要比较强的磁场才能使DOP变高电平；
所述输出驱动模块用以根据DOP的高低决定输出驱动晶体管是否需要开启，并决定LED灯是否需要亮；同时能根据输出类型检测的结果TP自动选择开启N型驱动管或P型驱动管；根据过温检测报警的结果OVT、过流检测报警的结果OVI判断是否需要关闭输出驱动晶体管；DOP的高低反映是否检测到外部磁场。
作为本发明的一种实施方式，所述信号处理模块包括磁信号传感器、差分放大器、偏置模块、参考电压产生模块、比较器、锁存器；
所述磁信号传感器使用磁阻传感器或霍尔传感器，它能感应外界磁场，并输出一个和磁场强度B成正比的微弱的差分电压信号VI；
所述差分放大器具有放大倍数A，其输出为VB＝A*VI；
所述偏置模块为磁信号传感器偏置电流或电压；
所述参考电压产生模块用以产生参考电压VTH，并在比较器中将VB和此阈值VTH进行比较，同时根据SEL的结果调节磁感应灵敏度，使应用更加灵活；比较结果送入锁存器，锁存器用以保证比较结果被锁存而不被干扰，并将比较结果传输出到DOP；当VB>VTH时，DOP为高，提示检测到外部磁场，当VB<VTH时，DOP为低，提示未检测到外部磁场；
所述差分放大器和比较器加入动态失配消除功能，用以消除来自于磁信号传感器以及内部电路自身的工艺不匹配，提高磁感应的测量精度。
作为本发明的一种实施方式，所述输出驱动模块包含输出逻辑控制模块、电源电压反馈检测模块、输出驱动偏置模块、输出反接保护模块、输出N型晶体管和输出P型晶体管；
所述输出逻辑控制模块会根据DOP信号、TP信号、OVI信号、OVT信号来决定是否要开启芯片的输出驱动，以及选择开启N型驱动管还是P型驱动管；DOP信号反映是否检测到外部磁场，TP信号为输出类型检测结果，OVI信号为过流检测报警结果，OVT信号为过温检测报警结果；
所述电源电压反馈检测模块用以将电压VDDH钳位在一个设定最低电压以上，防止芯片电压过低而影响工作性能；
所述输出驱动偏置模块用以为输出N型晶体管和输出P型晶体管提供栅极偏置电压或基极偏置电压，使其导通或者关断；同时又为LED管脚和SEL管脚提供偏置电流；
所述输出反接保护模块用以防止OUT管脚不慎接反的情况；当OUT比VDDH更高，或OUT比GND更低时，输出反接保护模块会截止，防止反向大电流倒灌入芯片内部；
所述输出N型晶体管为NPN晶体管或NMOS晶体管；输出P型晶体管为PNP晶体管或PMOS晶体管；输出N型晶体管及输出P型晶体管受到输出驱动偏置模块的控制而开启或关闭；开启时输出负载有电流，关闭时输出负载无电流；输出N型晶体管及输出P型晶体管的面积大于设定值，从而能驱动足够大的负载电流，并且有利于散热。
本发明的有益效果在于：本发明提出的磁性开关芯片，集成了稳压、信号检测放大、输出驱动、LED驱动功能。应用本芯片的气缸电路板无需额外选用分立元件的稳压芯片和驱动晶体管芯片，可大幅降低传统气缸电路板的成本，也不存在稳压芯片、信号检测芯片、驱动芯片之间的兼容问题。同时，电路板的体积也得以显著缩小，可以适用于更多对体积有限制的气缸环境。
本发明涉及的芯片有较高的智能性，体现在输出类型自动选择以及磁感应灵敏度的灵活配置。对不同的负载类型智能适配内部的驱动晶体管类型。对上拉负载，能自动选取内部N型驱动晶体管；对下拉负载，能自动选取内部P型驱动晶体管。因此无论用户使用何种类型的负载，本发明的芯片都能直接使用，而无需在电路板上作区别处理，提高了气缸电路板应用的灵活性，间接降低了因需要适配不同负载类型而导致的不同电路板的设计成本和管理开销。
本发明涉及的芯片具有较高的可靠性，体现在电源和输出端的反接保护、过温检测保护和过流检测保护。在用户不慎将芯片端口接反的情况下，以及在芯片经历大电流、高温持续工作的条件下，保证芯片不被损坏。
附图说明
图1为传统的气缸和磁性开关剖面结构示意图。
图2为传统的两线气缸电路板原理图(上拉负载)。
图3为传统的三线气缸电路板原理图(上拉负载)。
图4为本发明一实施例中一体式气缸位置检测芯片的系统框图。
图5为本发明一实施例中AVDD-VDDH关系曲线。
图6为本发明一实施例中信号处理模块电路详细结构图。
图7为本发明一实施例中输出驱动模块详细结构图。
图8为应用本发明一实施例中芯片的两线气缸电路板原理图(上拉负载)。
图9为应用本发明一实施例中芯片的两线气缸电路板原理图(下拉负载)。
图10为应用本发明一实施例中芯片的三线气缸电路板原理图(上拉负载)。
图11为应用本发明一实施例中芯片的三线气缸电路板原理图(下拉负载)。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
该部分的描述只针对几个典型的实施例，本发明并不仅局限于实施例描述的范围。相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。
说明书中，VDDH是芯片内部经过反接保护后的电源(可参见图4)；DOP是一个数字信号，可能是高电平(1)也可能是低电平(0)，其表征外部磁场是否足够强(超过阈值VTH)。
本发明揭示一种磁性开关芯片，所述磁性开关芯片包括：信号处理模块、输出驱动模块，所述信号处理模块连接输出驱动模块。所述信号处理模块将外部磁场信号转化为电信号，并根据外部磁场的信号输出相应信号，以此控制输出驱动模块的驱动晶体管打开或关闭，从而控制活塞运动或不动作。
在本发明的一实施例中，本发明的方案集成度高，将稳压、信号检测和输出驱动等集成在一个芯片中，可明显降低电路板成本，缩小电路板体积；同时可以自动适配上拉或下拉类型的负载；加入过温保护、过流保护和反接保护功能，增强系统可靠性。
在本发明的一实施例中，当外部磁场强度B较大时，信号处理模块会输出DOP高电平/低电平，提示检测到磁场，使得输出驱动模块的驱动晶体管打开，为负载提供电流，从而控制气缸活塞运动方向。当外部磁场强度B较小时，信号处理模块会输出DOP低电平/高电平，提示未检测到磁场，使得输出驱动模块的驱动晶体管关闭，负载无电流，活塞无动作。
图4为本发明一实施例中一体式气缸位置检测芯片的系统框图；请参阅图4，在本发明的一实施例中，所述磁性开关芯片包括：电源(VSUP)反接保护模块1、电源静电保护模块2、高压稳压电路模块3、信号处理模块4、输出驱动模块5、输出类型检测模块6、LED静电保护模块7、SEL静电保护模块8、OUT静电保护模块9、过温检测报警模块10及过流检测报警模块11。
所述高压稳压电路模块3为信号处理模块4提供稳定的低压供电AVDD，信号处理模块4将外部磁场信号转化为电信号，当外部磁场强度B较大时，信号处理模块4会输出DOP高电平/低电平，提示检测到磁场，使得输出驱动电路的驱动晶体管打开，为负载提供电流，从而控制气缸活塞运动方向，同时LED灯亮；当外部磁场强度B较小时，信号处理模块会输出DOP低电平/高电平，提示未检测到磁场，使得输出驱动电路的驱动晶体管关闭，负载无电流同时LED灯灭，活塞无动作。
所述输出类型检测模块6能自动检测负载是上拉还是下拉，从而自动选择N型或P型驱动晶体管；SEL端通过外接不同电阻选择不同的磁感应灵敏度；过温检测报警模块10和过流检测报警模块11能在芯片温度过高或输出电流过大时自动关闭输出驱动能力，保证芯片不受损坏；电源反接保护模块1能在芯片各端口被不慎接反的情况下自动截止，保证内部器件不被反向电流损伤。
所述磁性开关芯片包括5个管脚，分别为VSUP管脚、GND管脚、LED管脚、SEL管脚和OUT管脚；VSUP管脚为芯片电源管脚；GND管脚为芯片地管脚；LED管脚为外接发光二极管LED驱动电流输出管脚，当芯片检测到足够强的磁场时，LED会发光，作为芯片是否检测到磁场的一种视觉提示；SEL管脚为芯片磁感应灵敏度选择端口，通过外接不同电阻来选择不同的磁感应灵敏度；OUT管脚为芯片输出端口，能直接外接负载。
在本发明的一实施例中，所述电源反接保护模块1用以在电源地被接反时，使电路正常工作；当芯片电源VSUP为高电压、GND为最低电压时，电源反接保护模块1近似相当于短路，即VSUP＝VDDH，即将供电电源无损耗地传输至芯片内部；当使用者不慎将电源地接反，即VSUP为最低电压，GND为高电压时，电源反接保护模块1相当于开路，从而保护内部各模块不受反向电压损坏(绝大多数集成电路晶体管的两端之间有寄生二极管，当高低电压反接时，会有大电流流过寄生二极管，很容易烧毁器件)。在本发明的一实施例中，电源反接保护模块1可以用一个耐高压的二极管实现，其阳极接VSUP，阴极接VDDH。
在本发明的一实施例中，所述电源静电保护模块2用以在电源和地之间提供静电电荷的泄放通路；使用中芯片VSUP端不可避免会经历瞬间高压静电的冲击，此模块当检测到瞬间高压时会变成低阻状态，将大量的静电电荷泄放到GND端，从而保护内部电路器件不受高压静电的冲击而损坏；电源静电保护模块2用一个MOS(金属氧化物半导体)晶体管或双极型晶体管实现。
在本发明的一实施例中，所述高压稳压电路模块3用以在电源VSUP为高压供电(如10V～40V)的条件下提供一个稳定的低压输出AVDD(3V～5V)，保护内部的信号处理模块不暴露在高电压下；同时在电源VSUP为低压供电时(3V～5V)让AVDD＝VDDH(或AVDD≈VDDH)，从而保证信号处理模块有足够的工作电压，保证其正常工作，且信噪比良好。AVDD和VDDH的大致关系如图5所示。一般信号处理模块对信号噪声，面积和速度等要求比较高，所以必须使用面积更小，噪声更低，速度更快的低压器件来制造。
在本发明的一实施例中，所述信号处理模块4用以感测外部磁场的强弱，并且判断磁场强度是否已经超过了某一阈值，并相应地输出一个高电平或低电平输出信号DOP；当DOP为低电平时，表明外部磁场不够强/足够强；当DOP为高时，说明外部磁场已经足够强(说明检测到了气缸活塞的靠近)/不够强；当然DOP的高低电平能反过来定义。所述信号处理模块4还能根据SEL脚的电压来选择磁感应灵敏度，当选择高灵敏度时，比较弱的磁场也能使DOP变高电平；当选择低灵敏度时，需要比较强的磁场才能使DOP变高电平。
图6为本发明一实施例中信号处理模块电路详细结构图；请参阅图6，在本发明的一实施例中，所述信号处理模块4包括磁信号传感器401、差分放大器402、偏置模块403、参考电压产生模块404、比较器405、锁存器406。
所述磁信号传感器401使用磁阻传感器或霍尔传感器，它能感应外界磁场，并输出一个和磁场强度B成正比的微弱的差分电压信号VI。所述差分放大器402具有放大倍数A，其输出为VB＝A*VI。所述偏置模块403为磁信号传感器401偏置电流或电压。
所述参考电压产生模块404用以产生参考电压VTH，并在比较器405中将VB和此阈值VTH进行比较，同时根据SEL的结果调节磁感应灵敏度，使应用更加灵活；比较结果送入锁存器406，锁存器406用以保证比较结果被锁存而不被干扰，并将比较结果传输出到DOP；当VB>VTH时，DOP为高，提示检测到外部磁场，当VB<VTH时，DOP为低，提示未检测到外部磁场(也可以反过来定义)。
所述差分放大器402和比较器405加入动态失配消除功能(采用行业内熟知的技术，如相关双采样或斩波滤波等)，用以消除来自于磁信号传感器401以及内部电路自身的工艺不匹配，提高磁感应的测量精度。
在本发明的一实施例中，所述输出驱动模块5用以根据DOP的高低决定输出驱动晶体管是否需要开启，并决定LED灯是否需要亮；同时能根据输出类型检测6的结果TP自动选择开启N型驱动管或P型驱动管；根据过温检测报警10的结果OVT、过流检测报警11的结果OVI判断是否需要关闭输出驱动晶体管；DOP的高低反映是否检测到外部磁场。
图7为本发明一实施例中输出驱动模块详细结构图；请参阅图5，在本发明的一实施例中，所述输出驱动模块5包含输出逻辑控制模块501、电源电压反馈检测模块502、输出驱动偏置模块503、输出反接保护模块504、输出N型晶体管505和输出P型晶体管506。
在本发明的一实施例中，所述输出逻辑控制模块501会根据DOP信号、TP信号、OVI信号、OVT信号来决定是否要开启芯片的输出驱动，以及选择开启N型驱动管505还是P型驱动管506；DOP信号反映是否检测到外部磁场，TP信号为输出类型检测结果，OVI信号为过流检测报警结果，OVT信号为过温检测报警结果。
所述电源电压反馈检测模块502用以将电压VDDH钳位在一个设定最低电压(如3V)以上，防止芯片电压过低而影响工作性能。
所述输出驱动偏置模块503用以为输出N型晶体管505和输出P型晶体管506提供栅极偏置电压或基极偏置电压，使其导通或者关断；同时又为LED管脚和SEL管脚提供偏置电流。
所述输出反接保护模块504用以防止OUT管脚不慎接反的情况；当OUT比VDDH更高，或OUT比GND更低时，输出反接保护模块504会截止，防止反向大电流倒灌入芯片内部。
所述输出N型晶体管505为NPN晶体管或NMOS晶体管；输出P型晶体管506为PNP晶体管或PMOS晶体管；输出N型晶体管505及输出P型晶体管506受到输出驱动偏置模块503的控制而开启或关闭；开启时输出负载有电流，关闭时输出负载无电流；输出N型晶体管505及输出P型晶体管506的面积大于设定值，从而能驱动足够大的负载电流，并且有利于散热。
在本发明的一实施例中，所述输出类型检测模块6用以自动判别外接负载的类型，判断外接负载为上拉负载还是下拉负载，从而给出一个高或低电平控制信号TP，通知输出驱动模块，使其选择适当的驱动晶体管类型来适配负载类型。
在本发明的一实施例中，所述LED静电保护模块7用以在LED管脚和VDDH之间提供一个静电电荷的泄放通路；当使用过程中LED管脚接受瞬间高压冲击时，LED静电保护模块7会变为低阻状态，高压传输到VDDH，同时又会让电源静电保护模块2变为低阻状态，从而将电荷泄放到GND端，保证芯片内部器件不受高压静电损伤。
在本发明的一实施例中，所述SEL静电保护模块8用以在SEL管脚和VDDH之间提供一个静电电荷的泄放通路；当使用过程中SEL管脚接受瞬间高压冲击时，SEL静电保护模块8会变为低阻状态，高压传输到VDDH，同时又会让电源静电保护模块2变为低阻状态，从而将电荷泄放到GND端，保证芯片内部器件不受高压静电损伤。
在本发明的一实施例中，所述OUT静电保护模块9用以在OUT管脚和VDDH之间提供一个静电电荷的泄放通路；当使用过程中OUT管脚接受瞬间高压冲击时，OUT静电保护模块9会变为低阻状态，高压传输到VDDH，同时又会让电源静电保护模块2变为低阻状态，从而将电荷泄放到GND端，保证芯片内部器件不受高压静电损伤。
在本发明的一实施例中，所述过温检测报警模块10用以检测芯片内部温度；当芯片温度高于TTH1时，输出OVT为高电平/低电平，提示芯片温度已经超过报警温度，需要关闭输出驱动功能；当芯片温度低于TTH2时，输出OVT为低电平/高电平，提示温度未达到报警温度(OVT的高低电平也可以反过来定义)；其中，TTH1>TTH2，从而提供一定的迟滞，保证过温检测不受噪声干扰。通常，若芯片温度过高而不进行保护的话，会导致表层金属融化或半导体材料特性发生急剧变化，从而导致芯片出现永久性损坏或功能异常。
在本发明的一实施例中，所述过流检测报警模块11用以检测芯片输出电流(即负载电流)；当芯片输出电流高于ITH1时，输出OVI为高电平/低电平，提示芯片输出电流已经超过报警电流，需要关闭输出驱动电流；当芯片输出电流低于ITH2时，输出OVI为低电平/高电平，提示输出电流未超过报警电流(OVI的高低电平也可以反过来定义)；ITH1>ITH2，从而提供一定的迟滞，保证过流检测不受噪声干扰。通常，若芯片输出电流过高而不进行限制的话，会导致严重的发热现象(功率正比于电流平方)，或发生金属电迁移现象而导致芯片寿命急剧缩短。
本发明磁性开关芯片主要功能包括：高压稳压模块为信号处理模块提供稳定的低压供电AVDD，信号处理模块将外部磁场信号转化为电信号，当外部磁场强度B较大时，信号处理模块会输出DOP高(或低)电平，提示检测到磁场，使得输出驱动电路的驱动晶体管打开，为负载提供电流，从而控制气缸活塞运动方向，同时LED灯亮；当外部磁场强度B较小时，信号处理模块会输出DOP低(或高)电平，提示未检测到磁场，使得输出驱动电路的驱动晶体管关闭，负载无电流同时LED灯灭，活塞无动作。
本发明磁性开关芯片的辅助功能包括：输出类型检测模块能自动检测负载是上拉还是下拉，从而自动选择N型或P型驱动晶体管；SEL端通过外接不同电阻可选择不同的磁感应灵敏度；过温检测和过流检测能在芯片温度过高或输出电流过大时自动关闭输出驱动能力，保证芯片不受损坏；电源和输出端的反接保护模块能在芯片各端口被不慎接反的情况下自动截止，保证内部器件不被反向电流损伤。
应用本发明所涉及一体式气缸位置检测芯片的电路板如图8～图11所示。
图8和图9分别为两线式气缸电路板，分别是上拉负载和下拉负载的情形。可以看到除了滤波电容和发光二极管外，电路板上只有一个芯片，显著降低了系统成本和体积(可与图2的现有两线电路板对比)；此外不论是两线上拉负载还是两线下拉负载，电路板的内容是相同的，即可以做到兼容上拉负载和下拉负载，这是因为芯片内置了输出类型自动检测功能；选档电阻接在SEL端口，不同的电阻对应不同的磁感应灵敏度，可根据应用灵活配置。
类似地，图10和图11分别为三线式气缸电路板，分别是上拉负载和下拉负载的情形。可以看到除了滤波电容和发光二极管外，电路板上只有一个芯片，显著降低了系统成本和体积(可与图3的现有三线电路板对比)。此外不论是三线上拉负载还是三线下拉负载，电路板的内容是相同的，即可以做到兼容上拉负载和下拉负载，这是因为芯片内置了输出类型自动检测功能；选档电阻接在SEL端口，不同的电阻对应不同的磁感应灵敏度，可根据应用灵活配置。
综上所述，本发明提出的磁性开关芯片，集成了稳压、信号检测放大、输出驱动、LED驱动功能。应用本芯片的气缸电路板无需额外选用分立元件的稳压芯片和驱动晶体管芯片，可大幅降低传统气缸电路板的成本，也不存在稳压芯片、信号检测芯片、驱动芯片之间的兼容问题。同时，电路板的体积也得以显著缩小，可以适用于更多对体积有限制的气缸环境。
本发明涉及的芯片有较高的智能性，体现在输出类型自动选择以及磁感应灵敏度的灵活配置。对不同的负载类型智能适配内部的驱动晶体管类型。对上拉负载，能自动选取内部N型驱动晶体管；对下拉负载，能自动选取内部P型驱动晶体管。因此无论用户使用何种类型的负载，本发明的芯片都能直接使用，而无需在电路板上作区别处理，提高了气缸电路板应用的灵活性，间接降低了因需要适配不同负载类型而导致的不同电路板的设计成本和管理开销。
本发明涉及的芯片具有较高的可靠性，体现在电源和输出端的反接保护、过温检测保护和过流检测保护。在用户不慎将芯片端口接反的情况下，以及在芯片经历大电流、高温持续工作的条件下，保证芯片不被损坏。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。
Claims (10)
1.一种磁性开关芯片，其特征在于，所述磁性开关芯片包括：电源反接保护模块(1)、电源静电保护模块(2)、高压稳压电路模块(3)、信号处理模块(4)、输出驱动模块(5)、输出类型检测模块(6)、LED静电保护模块(7)、SEL静电保护模块(8)、OUT静电保护模块(9)、过温检测报警模块(10)及过流检测报警模块(11)；
所述高压稳压电路模块(3)为信号处理模块(4)提供稳定的低压供电AVDD，信号处理模块(4)将外部磁场信号转化为电信号，当外部磁场强度B大于设定阈值时，信号处理模块(4)会输出DOP高电平/低电平，提示检测到磁场，使得输出驱动电路的驱动晶体管打开，为负载提供电流，从而控制气缸活塞运动方向，同时LED灯亮；当外部磁场强度B小于设定阈值时，信号处理模块会输出DOP低电平/高电平，提示未检测到磁场，使得输出驱动电路的驱动晶体管关闭，负载无电流同时LED灯灭，活塞无动作；
所述输出类型检测模块(6)能自动检测负载是上拉还是下拉，从而自动选择N型或P型驱动晶体管；SEL端通过外接不同电阻选择不同的磁感应灵敏度；过温检测报警模块(10)和过流检测报警模块(11)能在芯片温度过高或输出电流过大时自动关闭输出驱动能力，保证芯片不受损坏；电源反接保护模块(1)能在芯片各端口被不慎接反的情况下自动截止，保证内部器件不被反向电流损伤；
所述磁性开关芯片包括5个管脚，分别为VSUP管脚、GND管脚、LED管脚、SEL管脚和OUT管脚；VSUP管脚为芯片电源管脚；GND管脚为芯片地管脚；LED管脚为外接发光二极管LED驱动电流输出管脚，当芯片检测到强于设定阈值磁场时，LED会发光，作为芯片是否检测到磁场的一种视觉提示；SEL管脚为芯片磁感应灵敏度选择端口，通过外接不同电阻来选择不同的磁感应灵敏度；OUT管脚为芯片输出端口，能直接外接负载；
所述电源反接保护模块(1)用以在电源地被接反时，使电路正常工作；当芯片电源VSUP为高电压、GND为最低电压时，电源反接保护模块(1)近似相当于短路，即VSUP＝VDDH，即将供电电源无损耗地传输至芯片内部；当使用者不慎将电源地接反，即VSUP为最低电压，GND为高电压时，电源反接保护模块(1)相当于开路，从而保护内部各模块不受反向电压损坏；电源反接保护模块(1)用一个耐高压的二极管实现，其阳极接VSUP，阴极接VDDH；
所述电源静电保护模块(2)用以在电源和地之间提供静电电荷的泄放通路；使用中芯片VSUP端不可避免会经历瞬间高压静电的冲击，此模块当检测到瞬间高压时会变成低阻状态，将大量的静电电荷泄放到GND端，从而保护内部电路器件不受高压静电的冲击而损坏；电源静电保护模块(2)用一个MOS晶体管或双极型晶体管实现；
所述高压稳压电路模块(3)用以在电源VSUP为高压供电的条件下提供一个稳定的低压输出AVDD，保护内部的信号处理模块不暴露在高电压下；同时在电源VSUP为低压供电时让AVDD＝VDDH，从而保证信号处理模块有足够的工作电压，保证其正常工作，且信噪比良好；
所述信号处理模块(4)用以感测外部磁场的强弱，并且判断磁场强度是否已经超过了某一阈值，并相应地输出一个高电平或低电平输出信号DOP；当DOP为低电平时，表明外部磁场不够强/足够强；当DOP为高时，说明外部磁场已经足够强/不够强；所述信号处理模块(4)还能根据SEL脚的电压来选择磁感应灵敏度，当选择高灵敏度时，比较弱的磁场也能使DOP变高电平；当选择低灵敏度时，需要比较强的磁场才能使DOP变高电平；所述信号处理模块(4)包括磁信号传感器(401)、差分放大器(402)、偏置模块(403)、参考电压产生模块(404)、比较器(405)、锁存器(406)；
所述磁信号传感器(401)使用磁阻传感器或霍尔传感器，它能感应外界磁场，并输出一个和磁场强度B成正比的微弱的差分电压信号VI；
所述差分放大器(402)具有放大倍数A，其输出为VB＝A*VI；
所述偏置模块(403)为磁信号传感器(401)偏置电流或电压；
所述参考电压产生模块(404)用以产生参考电压VTH，并在比较器(405)中将VB和此阈值VTH进行比较，同时根据SEL的结果调节磁感应灵敏度，使应用更加灵活；比较结果送入锁存器(406)，锁存器(406)用以保证比较结果被锁存而不被干扰，并将比较结果传输出到DOP；当VB>VTH时，DOP为高，提示检测到外部磁场，当VB<VTH时，DOP为低，提示未检测到外部磁场；
所述差分放大器(402)和比较器(405)加入动态失配消除功能，用以消除来自于磁信号传感器(401)以及内部电路自身的工艺不匹配，提高磁感应的测量精度；
所述输出驱动模块(5)用以根据DOP的高低决定输出驱动晶体管是否需要开启，并决定LED灯是否需要亮；同时能根据输出类型检测的结果TP自动选择开启N型晶体管或P型晶体管；根据过温检测报警的结果OVT、过流检测报警的结果OVI判断是否需要关闭输出驱动晶体管；DOP的高低反映是否检测到外部磁场；
所述输出驱动模块(5)包含输出逻辑控制模块(501)、电源电压反馈检测模块(502)、输出驱动偏置模块(503)、输出反接保护模块(504)、输出N型晶体管(505)和输出P型晶体管(506)；
所述输出逻辑控制模块(501)会根据DOP信号、TP信号、OVI信号、OVT信号来决定是否要开启芯片的输出驱动，以及选择开启N型晶体管(505)还是P型晶体管(506)；DOP信号反映是否检测到外部磁场，TP信号为输出类型检测结果，OVI信号为过流检测报警结果，OVT信号为过温检测报警结果；
所述电源电压反馈检测模块(502)用以将电压VDDH钳位在一个设定最低电压以上，防止芯片电压过低而影响工作性能；
所述输出驱动偏置模块(503)用以为输出N型晶体管(505)和输出P型晶体管(506)提供栅极偏置电压或基极偏置电压，使其导通或者关断；同时又为LED管脚和SEL管脚提供偏置电流；
所述输出反接保护模块(504)用以防止OUT管脚不慎接反的情况；当OUT比VDDH更高，或OUT比GND更低时，输出反接保护模块(504)会截止，防止反向大电流倒灌入芯片内部；
所述输出N型晶体管(505)为NPN晶体管或NMOS晶体管；输出P型晶体管(506)为PNP晶体管或PMOS晶体管；输出N型晶体管(505)及输出P型晶体管(506)受到输出驱动偏置模块(503)的控制而开启或关闭；开启时输出负载有电流，关闭时输出负载无电流；输出N型晶体管(505)及输出P型晶体管(506)的面积大于设定值，从而能驱动足够大的负载电流，并且有利于散热；
所述输出类型检测模块(6)用以自动判别外接负载的类型，判断外接负载为上拉负载还是下拉负载，从而给出一个高或低电平控制信号TP，通知输出驱动模块，使其选择适当的驱动晶体管类型来适配负载类型；
所述LED静电保护模块(7)用以在LED管脚和VDDH之间提供一个静电电荷的泄放通路；当使用过程中LED管脚接受瞬间高压冲击时，LED静电保护模块(7)会变为低阻状态，高压传输到VDDH，同时又会让电源静电保护模块(2)变为低阻状态，从而将电荷泄放到GND端，保证芯片内部器件不受高压静电损伤；
所述SEL静电保护模块(8)用以在SEL管脚和VDDH之间提供一个静电电荷的泄放通路；当使用过程中SEL管脚接受瞬间高压冲击时，SEL静电保护模块(8)会变为低阻状态，高压传输到VDDH，同时又会让电源静电保护模块(2)变为低阻状态，从而将电荷泄放到GND端，保证芯片内部器件不受高压静电损伤；
所述OUT静电保护模块(9)用以在OUT管脚和VDDH之间提供一个静电电荷的泄放通路；当使用过程中OUT管脚接受瞬间高压冲击时，OUT静电保护模块(9)会变为低阻状态，高压传输到VDDH，同时又会让电源静电保护模块(2)变为低阻状态，从而将电荷泄放到GND端，保证芯片内部器件不受高压静电损伤；
所述过温检测报警模块(10)用以检测芯片内部温度；当芯片温度高于TTH1时，输出OVT为高电平/低电平，提示芯片温度已经超过报警温度，需要关闭输出驱动功能；当芯片温度低于TTH2时，输出OVT为低电平/高电平，提示温度未达到报警温度；其中，
TTH1>TTH2，从而提供一定的迟滞，保证过温检测不受噪声干扰；
所述过流检测报警模块(11)用以检测芯片输出电流即负载电流；当芯片输出电流高于ITH1时，输出OVI为高电平/低电平，提示芯片输出电流已经超过报警电流，需要关闭输出驱动电流；当芯片输出电流低于ITH2时，输出OVI为低电平/高电平，提示输出电流未超过报警电流；ITH1>ITH2，从而提供一定的迟滞，保证过流检测不受噪声干扰。
2.一种磁性开关芯片，其特征在于，所述磁性开关芯片包括：信号处理模块(4)、输出驱动模块(5)，所述信号处理模块(4)连接输出驱动模块(5)；
所述信号处理模块(4)将外部磁场信号转化为电信号，并根据外部磁场的信号输出相应信号，以此控制输出驱动模块(5)的驱动晶体管打开或关闭，从而控制活塞运动或不动作。
3.根据权利要求2所述的磁性开关芯片，其特征在于：
当外部磁场强度B大于设定阈值时，信号处理模块(4)会输出DOP高电平/低电平，提示检测到磁场，使得输出驱动模块(5)的驱动晶体管打开，为负载提供电流，从而控制气缸活塞运动方向；
当外部磁场强度B小于设定阈值时，信号处理模块会输出DOP低电平/高电平，提示未检测到磁场，使得输出驱动模块(5)的驱动晶体管关闭，负载无电流，活塞无动作。
4.根据权利要求2所述的磁性开关芯片，其特征在于：
所述磁性开关芯片还包括电源反接保护模块(1)、电源静电保护模块(2)、高压稳压电路模块(3)；
所述电源反接保护模块(1)用以在电源地被接反时，使电路正常工作；当芯片电源VSUP为高电压、GND为最低电压时，电源反接保护模块(1)近似相当于短路，即VSUP＝VDDH，即将供电电源无损耗地传输至芯片内部；当使用者不慎将电源地接反，即VSUP为最低电压，GND为高电压时，电源反接保护模块(1)相当于开路，从而保护内部各模块不受反向电压损坏；电源反接保护模块(1)用一个耐高压的二极管实现，其阳极接VSUP，阴极接VDDH；
所述电源静电保护模块(2)用以在电源和地之间提供静电电荷的泄放通路；使用中芯片VSUP端不可避免会经历瞬间高压静电的冲击，此模块当检测到瞬间高压时会变成低阻状态，将大量的静电电荷泄放到GND端，从而保护内部电路器件不受高压静电的冲击而损坏；所述高压稳压电路模块(3)为信号处理模块(4)提供稳定的低压供电AVDD；所述电源静电保护模块(2)用一个MOS晶体管或双极型晶体管实现；
所述高压稳压电路模块(3)用以在电源VSUP为高压供电的条件下提供一个稳定的低压输出AVDD，保护内部的信号处理模块不暴露在高电压下；同时在电源VSUP为低压供电时让AVDD＝VDDH，从而保证信号处理模块有足够的工作电压，保证其正常工作，且信噪比良好。
5.根据权利要求2所述的磁性开关芯片，其特征在于：
所述磁性开关芯片还包括输出类型检测模块(6)、LED静电保护模块(7)、SEL静电保护模块(8)、OUT静电保护模块(9)、过温检测报警模块(10)及过流检测报警模块(11)；
所述输出类型检测模块(6)能自动检测负载是上拉还是下拉，从而自动选择N型或P型驱动晶体管；SEL端通过外接不同电阻选择不同的磁感应灵敏度；过温检测报警模块(10)和过流检测报警模块(11)能在芯片温度过高或输出电流过大时自动关闭输出驱动能力，保证芯片不受损坏。
6.根据权利要求5所述的磁性开关芯片，其特征在于：
所述输出类型检测模块(6)用以自动判别外接负载的类型，判断外接负载为上拉负载还是下拉负载，从而给出一个高或低电平控制信号TP，通知输出驱动模块，使其选择适当的驱动晶体管类型来适配负载类型；
所述LED静电保护模块(7)用以在LED管脚和VDDH之间提供一个静电电荷的泄放通路；当使用过程中LED管脚接受瞬间高压冲击时，LED静电保护模块(7)会变为低阻状态，高压传输到VDDH，同时又会让电源静电保护模块(2)变为低阻状态，从而将电荷泄放到GND端，保证芯片内部器件不受高压静电损伤；
所述SEL静电保护模块(8)用以在SEL管脚和VDDH之间提供一个静电电荷的泄放通路；当使用过程中SEL管脚接受瞬间高压冲击时，SEL静电保护模块(8)会变为低阻状态，高压传输到VDDH，同时又会让电源静电保护模块(2)变为低阻状态，从而将电荷泄放到GND端，保证芯片内部器件不受高压静电损伤；
所述OUT静电保护模块(9)用以在OUT管脚和VDDH之间提供一个静电电荷的泄放通路；当使用过程中OUT管脚接受瞬间高压冲击时，OUT静电保护模块(9)会变为低阻状态，高压传输到VDDH，同时又会让电源静电保护模块(2)变为低阻状态，从而将电荷泄放到GND端，保证芯片内部器件不受高压静电损伤；
所述过温检测报警模块(10)用以检测芯片内部温度；当芯片温度高于TTH1时，输出OVT为高电平/低电平，提示芯片温度已经超过报警温度，需要关闭输出驱动功能；当芯片温度低于TTH2时，输出OVT为低电平/高电平，提示温度未达到报警温度；其中，
TTH1>TTH2，从而提供一定的迟滞，保证过温检测不受噪声干扰；
所述过流检测报警模块(11)用以检测芯片输出电流即负载电流；当芯片输出电流高于ITH1时，输出OVI为高电平/低电平，提示芯片输出电流已经超过报警电流，需要关闭输出驱动电流；当芯片输出电流低于ITH2时，输出OVI为低电平/高电平，提示输出电流未超过报警电流；ITH1>ITH2，从而提供一定的迟滞，保证过流检测不受噪声干扰。
7.根据权利要求2所述的磁性开关芯片，其特征在于：
所述磁性开关芯片包括5个管脚，分别为VSUP管脚、GND管脚、LED管脚、SEL管脚和OUT管脚；VSUP管脚为芯片电源管脚；GND管脚为芯片地管脚；LED管脚为外接发光二极管LED驱动电流输出管脚，当芯片检测到强于设定阈值的磁场时，LED会发光，作为芯片是否检测到磁场的一种视觉提示；SEL管脚为芯片磁感应灵敏度选择端口，通过外接不同电阻来选择不同的磁感应灵敏度；OUT管脚为芯片输出端口，能直接外接负载。
8.根据权利要求2所述的磁性开关芯片，其特征在于：
所述信号处理模块(4)用以感测外部磁场的强弱，并且判断磁场强度是否已经超过了某一阈值，并相应地输出一个高电平或低电平输出信号DOP；当DOP为低电平时，表明外部磁场不够强/足够强；当DOP为高时，说明外部磁场已经足够强/不够强；所述信号处理模块(4)还能根据SEL脚的电压来选择磁感应灵敏度，当选择高灵敏度时，比较弱的磁场也能使DOP变高电平；当选择低灵敏度时，需要比较强的磁场才能使DOP变高电平；
所述输出驱动模块(5)用以根据DOP的高低决定输出驱动晶体管是否需要开启，并决定LED灯是否需要亮；同时能根据输出类型检测的结果TP自动选择开启N型晶体管或P型晶体管；根据过温检测报警的结果OVT、过流检测报警的结果OVI判断是否需要关闭输出驱动晶体管；DOP的高低反映是否检测到外部磁场。
9.根据权利要求2所述的磁性开关芯片，其特征在于：
所述信号处理模块(4)包括磁信号传感器(401)、差分放大器(402)、偏置模块(403)、参考电压产生模块(404)、比较器(405)、锁存器(406)；
所述磁信号传感器(401)使用磁阻传感器或霍尔传感器，它能感应外界磁场，并输出一个和磁场强度B成正比的微弱的差分电压信号VI；
所述差分放大器(402)具有放大倍数A，其输出为VB＝A*VI；
所述偏置模块(403)为磁信号传感器(401)偏置电流或电压；
所述参考电压产生模块(404)用以产生参考电压VTH，并在比较器(405)中将VB和此阈值VTH进行比较，同时根据SEL的结果调节磁感应灵敏度，使应用更加灵活；比较结果送入锁存器(406)，锁存器(406)用以保证比较结果被锁存而不被干扰，并将比较结果传输出到DOP；当VB>VTH时，DOP为高，提示检测到外部磁场，当VB<VTH时，DOP为低，提示未检测到外部磁场；
所述差分放大器(402)和比较器(405)加入动态失配消除功能，用以消除来自于磁信号传感器(401)以及内部电路自身的工艺不匹配，提高磁感应的测量精度。
10.根据权利要求2所述的磁性开关芯片，其特征在于：
所述输出驱动模块(5)包含输出逻辑控制模块(501)、电源电压反馈检测模块(502)、输出驱动偏置模块(503)、输出反接保护模块(504)、输出N型晶体管(505)和输出P型晶体管(506)；
所述输出逻辑控制模块(501)会根据DOP信号、TP信号、OVI信号、OVT信号来决定是否要开启芯片的输出驱动，以及选择开启N型晶体管(505)还是P型晶体管(506)；DOP信号反映是否检测到外部磁场，TP信号为输出类型检测结果，OVI信号为过流检测报警结果，OVT信号为过温检测报警结果；
所述电源电压反馈检测模块(502)用以将电压VDDH钳位在一个设定最低电压以上，防止芯片电压过低而影响工作性能；
所述输出驱动偏置模块(503)用以为输出N型晶体管(505)和输出P型晶体管(506)提供栅极偏置电压或基极偏置电压，使其导通或者关断；同时又为LED管脚和SEL管脚提供偏置电流；
所述输出反接保护模块(504)用以防止OUT管脚不慎接反的情况；当OUT比VDDH更高，或OUT比GND更低时，输出反接保护模块(504)会截止，防止反向大电流倒灌入芯片内部；
所述输出N型晶体管(505)为NPN晶体管或NMOS晶体管；输出P型晶体管(506)为PNP晶体管或PMOS晶体管；输出N型晶体管(505)及输出P型晶体管(506)受到输出驱动偏置模块(503)的控制而开启或关闭；开启时输出负载有电流，关闭时输出负载无电流；输出N型晶体管(505)及输出P型晶体管(506)的面积大于设定值，从而能驱动足够大的负载电流，并且有利于散热。
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|---|---|---|---|---|
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN203039659U (zh) * | 2013-01-14 | 2013-07-03 | 湖南大学 | 一种霍尔直流过流感应开关 |
| CN105298606A (zh) * | 2015-11-12 | 2016-02-03 | 潍柴动力股份有限公司 | 一种开关电磁阀故障报警方法和装置 |
| CN206611612U (zh) * | 2017-03-06 | 2017-11-03 | 深圳市茂捷半导体有限公司 | 一种接近式磁感应开关控制芯片 |
| CN107436416A (zh) * | 2017-08-28 | 2017-12-05 | 上海麦歌恩微电子股份有限公司 | 能处理垂直霍尔盘信号的磁开关系统及信号处理方法 |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4908527A (en) * | 1988-09-08 | 1990-03-13 | Xolox Corporation | Hall-type transducing device |
| CN101483339A (zh) * | 2009-01-06 | 2009-07-15 | 深圳市明微电子股份有限公司 | 一种带检测控制电路的静电保护方法及电路 |
| FR2974656B1 (fr) * | 2011-04-26 | 2013-05-17 | Soitec Silicon On Insulator | Amplificateur de detection differentiel sans transistor a grille de passage dedie |
| CN102315786A (zh) * | 2011-09-15 | 2012-01-11 | 北京国网普瑞特高压输电技术有限公司 | 一种电流型控制的单路输出反激式变换器 |
| US10158359B2 (en) * | 2011-10-06 | 2018-12-18 | Infineon Technologies Ag | Integrated magnetic field sensor-controlled switch devices |
| US9203394B2 (en) * | 2011-10-06 | 2015-12-01 | Infineon Technologies Ag | Integrated magnetic field sensor-controlled switch devices |
| CN203788262U (zh) * | 2014-04-25 | 2014-08-20 | 成都芯进电子有限公司 | 一种可编程开关型霍尔传感器 |
| US9762139B2 (en) * | 2014-08-12 | 2017-09-12 | Yiqiang Jake Zhang | Active switching rectifier employing MOSFET and current-based control using a hall-effect switch |
| CN205725698U (zh) * | 2016-04-22 | 2016-11-23 | 江苏多维科技有限公司 | 自适应智能位置开关 |
| CN107807709A (zh) * | 2016-09-09 | 2018-03-16 | 中国石油化工股份有限公司 | 一种近钻头仪器电源管理系统及电源管理方法 |
-
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN203039659U (zh) * | 2013-01-14 | 2013-07-03 | 湖南大学 | 一种霍尔直流过流感应开关 |
| CN105298606A (zh) * | 2015-11-12 | 2016-02-03 | 潍柴动力股份有限公司 | 一种开关电磁阀故障报警方法和装置 |
| CN206611612U (zh) * | 2017-03-06 | 2017-11-03 | 深圳市茂捷半导体有限公司 | 一种接近式磁感应开关控制芯片 |
| CN107436416A (zh) * | 2017-08-28 | 2017-12-05 | 上海麦歌恩微电子股份有限公司 | 能处理垂直霍尔盘信号的磁开关系统及信号处理方法 |
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