CN112393747B

CN112393747B - 芯片中的冗余霍尔角测量

Info

Publication number: CN112393747B
Application number: CN202010750214.6A
Authority: CN
Inventors: S·莱森海默; R·海因茨
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2019-08-19
Filing date: 2020-07-30
Publication date: 2023-10-03
Anticipated expiration: 2040-07-30
Also published as: CN112393747A; US11150108B2; DE102020121463A1; US20210055130A1

Abstract

本公开的实施例涉及芯片中的冗余霍尔角测量。一种磁角度传感器包括半导体芯片，该磁角度传感器包括：被配置为响应于撞击在其上的磁场而生成垂直霍尔传感器信号的一对垂直霍尔传感器元件；被配置为响应于撞击在其上的磁场而生成第一横向霍尔传感器信号的第一对横向霍尔传感器元件；被配置为响应于撞击在其上的磁场而生成第二横向霍尔传感器信号的第二对横向霍尔传感器元件；以及传感器电路，该传感器电路被配置为：基于垂直霍尔传感器信号来确定与磁场的取向相对应的第一角度值，基于第一横向霍尔传感器信号和第二横向霍尔传感器信号来确定与磁场的取向相对应的第二角度值，并且确定第一角度值和第二角度值是否在彼此的可接受的公差范围内。

Description

芯片中的冗余霍尔角测量

技术领域

本公开总体上涉及磁角度传感器，并且更具体地涉及集成在芯片中的各种磁角度传感器。

背景技术

如今，车辆具有依赖于磁位置和角度传感器的众多安全、车身和动力总成应用。磁角度传感器可以用于检测轴或其他可旋转物体的旋转位置或运动。例如，在电动助力转向(EPS)中，磁角度传感器可以用于测量转向角和转向扭矩，以进行方向盘感应。现代动力总成系统可以依赖于凸轮轴、曲轴和变速器应用中的磁角度传感器。

此外，鉴于现代汽车的自动化和半导体含量的增加，汽车乘用车中的电子系统的功能安全是一个重要的主题。对于部署在该系统中的安全关键部件，希望具有可靠和安全的功能。

在这种安全性至关重要的应用中可能经常存在的一个要求是，传感器设备的故障必须由系统可检测，例如由从传感器设备接收信号的实体。换言之，根据这种要求，必须能够检测例如是否由于传感器设备的故障而导致传感器设备传递错误的值。确保这一点的一种方法是提供冗余，例如提供两个单独的传感器以测量相同的物理量。两个传感器设备的测量之间的偏差超过阈值可以指示所提供的两个传感器中的至少一个发生故障。

同时，成本也是一个因素。功能安全性应当经济高效地集成。为了降低成本，期望增加系统中的集成密度。因此，可能需要将两个角度传感器集成在单个芯片中以提供冗余。

发明内容

实施例涉及将不同的磁角度传感器集成在单个芯片中。

实施例还提供了一种磁角度传感器，该磁角度传感器包括：半导体芯片；与半导体芯片集成并且每个被配置为响应于撞击在其上的磁场而生成垂直霍尔传感器信号的一对垂直霍尔传感器元件；与半导体芯片集成并且每个被配置为响应于撞击在其上的磁场而生成第一横向霍尔传感器信号的第一对横向霍尔传感器元件；与半导体芯片集成并且每个被配置为响应于撞击在其上的磁场而生成第二横向霍尔传感器信号的第二对横向霍尔传感器元件；以及与半导体芯片集成的传感器电路。传感器电路被配置为：基于垂直霍尔传感器信号来确定与磁场的取向相对应的第一角度值；基于第一横向霍尔传感器信号和第二横向霍尔传感器信号来确定与磁场的取向相对应的第二角度值；确定第一角度值和第二角度值是否在彼此的可接受的公差范围内；以及在第一角度值和第二角度值不在彼此的可接受的公差范围内的情况下，生成错误指示。

该对垂直霍尔传感器元件包括对在第一方向上对准的磁场的第一磁场分量敏感的第一垂直霍尔传感器元件和对在与第一方向正交的第二方向上对准的磁场的第二磁场分量敏感的第二垂直霍尔传感器元件。第一对横向霍尔传感器元件包括均对第一磁场分量敏感的第一横向霍尔传感器元件和第二横向霍尔传感器元件。第二对横向霍尔传感器元件包括均对第二磁场分量敏感的第三横向霍尔传感器元件和第四横向霍尔传感器元件。

实施例还提供了一种磁角度传感器系统，该磁角度传感器系统包括：被配置为围绕旋转轴线旋转并且被配置为产生磁场的磁体；半导体芯片；与半导体芯片集成并且每个被配置为响应于撞击在其上的磁场而生成垂直霍尔传感器信号的一对垂直霍尔传感器元件；与半导体芯片集成并且每个被配置为响应于撞击在其上的磁场而生成第一横向霍尔传感器信号的第一对横向霍尔传感器元件；与半导体芯片集成并且每个被配置为响应于撞击在其上的磁场而生成第二横向霍尔传感器信号的第二对横向霍尔传感器元件；以及与半导体芯片集成的传感器电路。传感器电路被配置为：基于垂直霍尔传感器信号来确定与磁场的取向相对应的第一角度值；基于第一横向霍尔传感器信号和第二横向霍尔传感器信号来确定与磁场的取向相对应的第二角度值；确定第一角度值和第二角度值是否在彼此的可接受的公差范围内；以及在第一角度值和第二角度值不在彼此的可接受的公差范围内的情况下，生成错误指示。

实施例提供了一种用于确定磁场的取向角的方法。该方法包括：由与半导体芯片集成的一对垂直霍尔传感器元件响应于撞击在其上的磁场而生成垂直霍尔传感器信号；由与半导体芯片集成的第一对横向霍尔传感器元件响应于撞击在其上的磁场而生成第一横向霍尔传感器信号；由与半导体芯片集成的第二对横向霍尔传感器元件响应于撞击在其上的磁场而生成第二横向霍尔传感器信号；由与半导体芯片集成的传感器电路基于垂直霍尔传感器信号来确定与磁场的取向相对应的第一角度值；由传感器电路基于第一横向霍尔传感器信号和第二横向霍尔传感器信号来确定与磁场的取向相对应的第二角度值；由传感器电路确定第一角度值和第二角度值是否在彼此的可接受的公差范围内；以及在第一角度值和第二角度值不在彼此的可接受的公差范围内的情况下，由传感器电路生成错误指示。

附图说明

在此参考附图描述实施例。

图1是示出根据一个或多个实施例的磁角度传感器100的框图；

图2是示出根据一个或多个实施例的磁角度传感器系统200的图；以及

图3A-3C是示出根据一个或多个实施例的在磁角度传感器系统中使用的传感器芯片的示意图。

具体实施方式

在下文中，阐述细节以提供对示例性实施例的更彻底的解释。然而，对于本领域技术人员将很清楚的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践实施例。在其他实例中，以框图的形式或以示意图的方式而不是详细地示出了公知的结构和设备，以避免使实施例晦涩难懂。另外，除非另外特别指出，否则下文中描述的不同实施例的特征可以彼此组合。

此外，在以下描述中用等同或相似的附图标记表示等同或相似的元素或具有等同或相似的功能的元素。由于在附图中相同或功能等同的元素被赋予相同的附图标记，因此可以省略对具有相同附图标记的元素的重复描述。因此，为具有相同或相似附图标记的元素提供的描述可以相互交换。

应当理解，当一个元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，它可以直接连接或耦合到另一元件，或者可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，则不存在中间元件。用于描述元件之间的关系的其他词语应当以类似的方式来解释(例如，“在……之间”与“直接在……之间”、“相邻”与“直接相邻”等)。

在本文中描述的或附图中示出的实施例中，任何直接的电连接或耦合(即，没有附加中间元件的任何连接或耦合)也可以通过间接的连接或耦合(即，具有一个或多个附加中间元件的连接或耦合)来实现，反之亦然，只要基本上保持连接或耦合的通用目的，例如用于传输某种信号或某种信息。来自不同实施例的特征可以组合以形成其他实施例。例如，关于实施例之一描述的变化或修改也可以适用于其他实施例，除非相反地指出。

实施例涉及传感器和传感器系统，并且涉及获取关于传感器和传感器系统的信息。传感器可以是指将要测量的物理量转换为电信号(例如，电流信号或电压信号)的组件。物理量可以例如包括磁场、电场、压力、力、电流或电压，但不限于此。如本文所述，传感器设备可以是角度传感器、速度传感器、运动传感器等。

例如，磁场传感器包括一个或多个磁场传感器元件，该磁场传感器元件测量磁场的一个或多个特性(例如，磁场通量密度的数量、场强、场角、场方向、场取向等)。磁场可以由磁体、载流导体(例如，电线)、地球或其他磁场源生成。每个磁场传感器元件被配置为响应于撞击在传感器元件上的一个或多个磁场而生成传感器信号(例如，电压信号)。因此，传感器信号指示撞击在传感器元件上的磁场的大小和/或取向。

应当理解，术语“传感器”和“感测元件”在整个说明书中可以互换使用，并且术语“传感器信号”和“测量信号”在整个说明书中可以互换使用。

在所描述的实施例中提供的磁传感器包括横向和垂直霍尔效应传感器(霍尔传感器)。霍尔效应传感器是一种可以响应于磁场而改变其输出电压(霍尔电压)的换能器。它基于利用洛伦兹力的霍尔效应。在存在垂直于流经传感器或霍尔板的电流的磁场的情况下，洛伦兹力使运动电荷偏转。因此，霍尔板可以是半导体或金属的薄片。偏转导致电荷分离，从而产生霍尔电场。相对于洛伦兹力，该电场在相反方向上作用在电荷上。这两种力相互平衡，并且在垂直于电流方向的方向上产生电位差。该电位差可以被测量为霍尔电压，并且对于较小的值，与磁场呈线性关系变化。霍尔效应传感器可以用于接近开关、定位、速度检测和电流感测应用。

垂直霍尔传感器是一种磁场传感器，其被构造为使得霍尔元件垂直于芯片的平面(例如，从芯片的主表面延伸到芯片本体中)。它感测垂直于其定义的敏感边缘(相对于芯片的主表面在顶部、右侧或左侧)的磁场。这通常表示，垂直霍尔传感器对平行于其表面以及平行于集成有垂直霍尔传感器的芯片的主表面或关于该主表面在面内延伸的磁场分量敏感。特别地，垂直霍尔传感器可以从主表面延伸到芯片中。灵敏度平面在本文中可以被称为“灵敏度轴”或“感测轴”，并且每个感测轴具有参考方向。对于垂直霍尔传感器元件，由传感器元件输出的电压值会在其感测轴方向上根据磁场强度而发生变化。

另一方面，横向(平面)霍尔传感器被构造为使得霍尔元件与芯片的主表面在同一平面中。它感测垂直于其平面的磁场。这表示，它们对垂直于芯片的主表面或关于该主表面在面外的磁场敏感。灵敏度平面在本文中可以被称为“灵敏度轴”或“感测轴”，并且每个感测轴具有参考方向。与垂直霍尔传感器元件相似，由横向霍尔传感器元件输出的电压值会在其感测轴方向上根据磁场强度而发生变化。

磁场分量可以是例如x磁场分量(Bx)、y磁场分量(By)或z磁场分量(Bz)，其中在所提供的示例中，Bx和By场分量关于芯片在面内，而Bz关于芯片在面外。

根据一个或多个实施例，多个磁场角传感器和传感器电路系统两者可以容纳(即，集成)在同一芯片中。传感器电路可以被称为信号处理电路和/或信号调节电路，其以原始测量数据的形式从一个或多个磁场传感器元件接收一个或多个信号(即，传感器信号)，并且从传感器信号中导出表示磁场的测量信号。

在一些情况下，测量信号可以是差分测量信号，其是通过使用微分从由具有相同感测轴的两个传感器元件(例如，对相同磁场分量敏感的两个传感器元件)生成的传感器信号中导出的。差分测量信号为均匀的外部杂散磁场提供鲁棒性。

如本文中使用的，信号调节是指以使得信号满足用于进一步处理的下一阶段的要求的方式来操纵模拟信号。信号调节可以包括从模拟到数字的转换(例如，经由模数转换器)、放大、滤波、转换、偏置、范围匹配、隔离、以及使传感器输出在调节之后适合于处理所需要的任何其他过程。

因此，传感器电路可以包括将来自一个或多个传感器元件的模拟信号转换成数字信号的模数转换器(ADC)。传感器电路还可以包括对数字信号执行一些处理的数字信号处理器(DSP)，这将在下面讨论。因此，也可以称为集成电路(IC)的芯片可以包括经由信号处理和/或调节来调节和放大一个或多个磁场传感器元件的小信号的电路。

如本文中使用的，传感器设备可以是指包括如上所述的传感器和传感器电路的设备。传感器设备可以集成在单个半导体管芯(例如，硅管芯或芯片)上。因此，传感器和传感器电路设置在相同的半导体管芯上。

图1是示出根据一个或多个实施例的磁角度传感器100的框图。磁角度传感器100包括被配置为响应于撞击在其上的磁场而生成传感器信号的传感器元件X和Y。

传感器元件X和Y可以被布置为使得传感器元件X和传感器元件Y彼此间隔开预定距离使得能够生成彼此相移90°的两个传感器信号。在这种情况下，X传感器元件和Y传感器元件可以都是横向霍尔传感器元件或者都是垂直霍尔传感器元件，使得传感器元件X被配置为感测磁场的正弦角分量(例如，x分量)并且传感器元件Y被配置为感测磁场的余弦角分量(例如，y分量)。

磁角度传感器100还包括从传感器元件X和Y接收传感器信号以进行处理并且用于生成角度输出信号的传感器电路10。传感器电路10包括两个信号路径：X信号路径和Y信号路径。X信号路径上的信号X可以采用表示目标物体的角度取向的正弦曲线(正弦)波形的形式，而Y信号路径上的信号Y可以是从信号X相移90°的相似波形。也就是说，信号Y是表示目标物体的角度取向的正弦曲线(余弦)波形。应当理解，尽管本文中的示例将正弦波形描述为用作信号X并且将余弦波形描述为用作信号Y，但是相反的情况也可以成立，只要两个信号关于彼此相移90°即可。

信号路径X和Y可以分别包括将相应信号路径的测量信号转换为数字信号以由传感器电路10的其余部分进一步处理的ADC 1x和ADC 1y。

另外，温度补偿(TC)、自校准和滤波块2可以接收测量信号X和Y中的每个，并且在将测量信号X和Y输出到信号转换算法块3之前执行其一个或多个信号调节操作。

信号转换算法块3被配置为接收信号X和信号Y以进行进一步处理。例如，信号转换算法块3可以包括执行各种信号调节功能的一个或多个处理器和/或逻辑单元，诸如绝对信号转换、归一化、线性化、频率增加等。一个或多个信号调节功能可以结合存储在存储器4中的查找表来执行。信号转换算法块3的输出被提供给角度协议块5，该角度协议块5被配置为生成角度信号作为输出信号。每个“块”可以包括用于处理一个或多个信号的一个或多个处理器。

图2是示出根据一个或多个实施例的磁角度传感器系统200的图。磁角度传感器系统200包括被配置为围绕旋转轴线21旋转的磁体20。磁体20是径向极化的磁体，其产生磁场(B场)，该磁场的取向随着磁体20围绕轴线21的旋转而旋转。磁体21可以附接到可旋转轴(未示出)。

另外，磁角度传感器系统200包括放置在旋转轴线21上并且靠近磁体20的传感器芯片30。传感器芯片30相对于磁体20旋转固定，这表示芯片30不旋转。在替代方案中，传感器芯片30可以被配置为在磁体20旋转固定的同时围绕旋转轴线21旋转。在任一情况下，当磁体20相对于芯片30旋转时，旋转磁场被投射到芯片30上。

多个霍尔传感器元件集成在芯片30上以用于角度测量。特别地，提供了四个横向霍尔传感器元件31-34以及两个垂直霍尔传感器元件35和36。

横向霍尔传感器元件31(即，L-霍尔X1)是对x方向敏感的横向霍尔板。横向霍尔传感器元件32(即，L-霍尔X2)也是对x方向敏感的横向霍尔板。横向霍尔传感器元件31和32形成第一差分传感器对，该第一差分传感器对被传感器电路系统用来生成用于磁场(B场)的x磁场分量(Bx)的第一差分测量信号。

横向霍尔传感器元件33(即，L-霍尔Y1)是对y方向敏感的横向霍尔板。横向霍尔传感器元件34(即，L-霍尔Y2)也是对y方向敏感的横向霍尔板。横向霍尔传感器元件33和34形成第二差分传感器对，该第二差分传感器对被传感器电路系统用来生成用于磁场(B场)的y磁场分量(By)的第二差分测量信号。

由于第一差分测量信号和第二差分测量信号彼此偏移90°，因此可以从中导出第一角度测量。

另外，垂直霍尔传感器元件35(即，V-霍尔X)是对x方向敏感的垂直霍尔板，并且垂直霍尔传感器元件36(即，V-霍尔Y)是对y方向敏感的垂直霍尔板。由垂直霍尔传感器元件35和36生成的传感器信号彼此偏移90°。因此，可以从中导出第二角度测量，该第二角度测量与使用横向霍尔传感器元件31-34进行的第一角度测量是分离且独立的。

如下所述，第一角度测量和第二角度测量应当在可接受的公差范围内(例如，在彼此的5％以内)匹配或基本匹配。否则，一个或两个测量可能会出现错误，该错误可能会被传感器电路标记和/或区分。

此外，尽管传感器元件的布置示出了垂直霍尔传感器元件35和36被放置在横向霍尔传感器元件31-34的周边“内部”或被横向霍尔传感器元件31-34“围绕”，但是布置不限于此。例如，垂直霍尔传感器元件35和36被放置在横向霍尔传感器元件31-34的周边“外部”。相反，假定旋转轴线21延伸穿过磁体20的中心，则重要的是，垂直霍尔传感器元件35和36从旋转轴线21的延伸部等距放置。类似地，横向霍尔传感器元件31和32应当相对于彼此从旋转轴线21的延伸部彼此等距放置，并且横向霍尔传感器元件33和34应当相对于彼此从旋转轴线21的延伸部彼此等距放置。

由于横向霍尔板和垂直霍尔板的构造不同，因此芯片30提供了两种不同的基于霍尔的测量原理的冗余。在此，在单个芯片中使用两种基于霍尔的测量原理可以使磁角度测量多样化，从而提高了功能安全性。下图说明了如何将不同的霍尔板在架构上集成到芯片设计中。

图3A-3C是示出根据一个或多个实施例的在磁角度传感器系统中使用的传感器芯片的示意图。特别地，图3A-3C所示的传感器芯片是图2所示的传感器芯片30的示意性变型，同时仍然使用参考图2描述的在芯片30上的霍尔板31-36的特定放置约束。也就是说，图2示出了芯片30上的布置，而图3A-3C示出了不同的示意性布置。

图3A是包括被分成两组霍尔元件的霍尔传感器元件31-36的传感器芯片30a的示意图，其中一组对应于横向霍尔传感器元件31-34，另一组对应于垂直霍尔传感器元件35和36。

芯片30a包括被配置为耦合到电压源的三个IC电源引脚41-43。另外，芯片30a包括三个电压调节器44-46(即，Vreg、Vreg-V和Vreg-L)，每个电压调节器耦合到相应的IC电源引脚41-43。

芯片30a还包括用于每组霍尔元件的霍尔电压源47和48、用于每组霍尔元件的多路复用器(MUX)51和52、用于每组霍尔元件的ADC 53和54、以及微控制器(MCU)50。

每个电压调节器44-46被配置为从其IC电源引脚接收电压，并且生成经调节的电压以提供给其他芯片组件。例如，电压调节器44向MCU 50提供经调节的电压。电压调节器45向霍尔电压源(即，V-Bias)47、MUX 51和ADC 53提供经调节的电压。电压调节器46向霍尔电压源(即，L-Bias)48、MUX 52和ADC 54提供经调节的电压。因此，由电压调节器44-46提供彼此独立的三个经调节的电压。不同的电压调节器用于分离不同类型的霍尔板的霍尔板偏置。因此，增加电压调节器的数目增加了芯片30a的功能安全性水平。

霍尔电压源47和48被配置为向其相应霍尔传感器元件中的每个提供DC电压。所提供的DC电压生成流过每个传感器元件的电流，并且最终产生表示在感测方向上检测到的磁场的磁场强度的霍尔电压。因此，霍尔电压源47向垂直霍尔传感器元件35和36提供偏置电压V-Bias，而霍尔电压源48向横向霍尔传感器元件31-34提供偏置电压L-Bias。

多路复用器51被配置为从垂直霍尔传感器元件35和36接收传感器信号，并且可切换地将传感器信号输出到ADC 53，ADC 53又将传感器信号从模拟转换为数字。然后，数字信号被提供给MCU 50。替代地，可以去除MUX 51，并且可以提供两个ADC，每个ADC专用于垂直霍尔传感器元件35和36之一。

多路复用器52被配置为从横向霍尔传感器元件31-34接收传感器信号，并且可切换地将传感器信号输出到ADC 54，ADC 54又将传感器信号从模拟转换为数字。然后，数字信号被提供给MCU 50。替代地，可以去除MUX 52，并且可以提供四个ADC，每个ADC专用于横向霍尔传感器元件31-34之一。

MCU 50包括第一角度测量核心55、第二角度测量核心56和主处理核心57。第一角度测量核心55被配置为从ADC 53接收从垂直霍尔传感器元件35和36导出的数字传感器信号，并且第二角度测量核心56被配置为从ADC 54接收从横向霍尔传感器元件31-34导出的数字传感器信号。每个角度测量核心55和56包括处理电路系统和软件(例如，软件1或软件2)以用于执行角度测量以基于所接收的数字传感器信号来计算角度值。具体地，每个核心55和56包括图1所示的其自己的一组处理块2-5。因此，每个核心55和56使用其相应块2-5和软件来执行温度补偿(TC)、自校准、滤波和角度计算，并且将角度值输出到主处理核心57。另外，核心56执行微分以导出差分测量信号。

为了增加额外的多样性层，软件1和软件2可以彼此不同。也就是说，在软件1和软件2中用于导出角度值的算法可以不同，使得两个核心55和56不太可能易受相同类型的错误的影响。

主处理核心57被配置为接收来自第一核心55的角度值和来自第二核心56的角度值，并且比较两组角度值以验证它们是否在彼此的可接受的公差范围内。例如，主处理核心57可以确定来自第一核心55的第一角度值和来自第二核心56的第二角度值之间的差值是否小于预定阈值。如果是这样，则主处理核心57可以确定不存在错误并且不生成错误指示符。然而，如果所确定的差值达到或超过预定阈值，则主处理核心57可以确定存在错误并且确定在各组霍尔元件之一中(即，在横向霍尔元件组或垂直霍尔元件组中的任一者中)存在可能的故障。在这种情况下，主处理核心57生成错误指示符并且经由输出引脚58输出错误指示符。

另外地或替代地，主处理核心57可以诊断错误。主处理核心57可以确定哪个传感器路径(即，横向霍尔传感器路径或垂直霍尔传感器路径)是有故障的，并且停用或忽略该有故障的传感器路径。主处理核心57可以经由输出引脚58来输出指定错误源的信息。

图3B是包括被分成两组霍尔元件的霍尔传感器元件31-36的传感器芯片30b的示意图，其中一组对应于横向霍尔传感器元件31-34，另一组对应于垂直霍尔传感器元件35和36。为简洁起见，将不再重复类似于传感器芯片30a的传感器芯片30b的各方面。

芯片30b包括被配置为耦合到电压源的两个IC电源引脚42和43。另外，芯片30b包括两个电压调节器45和46(即，Vreg-V和Vreg-L)，每个电压调节器耦合到相应的IC电源引脚42和43。因此，除了引脚41和电压调节器44已经被去除之外，芯片30b类似于芯片30a。相反，一个电压调节器向一组霍尔元件和MCU 50两者供电，而另一电压调节器向另一组霍尔元件供电。虽然示出了第一电压调节器45向垂直霍尔元件组和MCU 50供电，但是相反，第二电压调节器46可以向横向霍尔元件组和MCU 50供电。这将使第一电压调节器45仅向垂直霍尔元件组及其相应组件供电。

另外，MCU 50不包括用于执行角度测量的单独的核心。相反，可以通过设置在每个传感器路径上的单独的坐标旋转数字计算机(CORDIC)来在MCU 50外部执行单独的角度测量。具体地，CORDIC 61耦合在ADC 53与MCU 50之间，并且从ADC 53接收数字传感器信号，基于所接收的数字传感器信号执行反正切计算，并且向MCU 50输出角度值。类似地，CORDIC62耦合在ADC 54与MCU 50之间，并且从ADC 54接收数字传感器信号，基于所接收的数字传感器信号执行反正切计算，并且向MCU 50输出角度值。

进而，主处理核心57被配置为从CORDIC 61和CORDIC 62接收角度值，比较两组角度值以验证它们是否在彼此的可接受的公差范围内，并且执行如上所述的进一步的动作。

与芯片30a相比，由芯片30b提供的设计的多样性较少，因此提供了较少的功能安全性。然而，该设计产生较低的复杂度和成本。

图3C是包括被分成两组霍尔元件的霍尔传感器元件31-36的传感器芯片30c的示意图，其中一组对应于横向霍尔传感器元件31-34，另一组对应于垂直霍尔传感器元件35和36。为简洁起见，将不再重复类似于传感器芯片30a和30b的传感器芯片30c的各方面。

芯片30c包括被配置为耦合到电压源的两个IC电源引脚42和43。另外，芯片30c包括两个电压调节器45和46(即，Vreg-V和Vreg-L)，每个电压调节器耦合到相应的IC电源引脚42和43。因此，除了电压调节器46仅负责为一个组件(即，霍尔电压源48)供电，芯片30c类似于芯片30b。

另外，芯片30c不包括任何多路复用器。相反，提供了包括用于每个霍尔传感器元件31-36的专用ADC的ADC块70。因此，ADC块70包括六个ADC，这六个ADC被配置为将模拟传感器信号转换为数字传感器信号，并且将数字传感器信号提供给MCU 50的主处理核心57。

MCU 50不包括用于执行角度测量的单独的核心。相反，主处理核心57对垂直霍尔元件组和横向霍尔元件组执行角度测量，比较两组角度值以验证它们是否在彼此的可接受的公差范围内，并且执行如上所述的进一步的动作。

与芯片30a和30b相比，由芯片30c提供的设计的多样性较少，因此提供了较少的功能安全性。然而，该设计产生较低的复杂度和成本。每个芯片30a-30c提供两种不同的基于霍尔的测量原理的冗余。在此，在单个芯片中同时使用两种基于霍尔的测量原理可以使磁角度测量多样化，从而提高了功能安全性。另外，芯片30a-30c使用不同的电压调节器来分离不同类型的霍尔板的霍尔板偏置。因此，增加电压调节器的数目可以提高芯片的功能安全性。通过增加分集和冗余的附加层，可以从芯片30c到芯片30b再到芯片30a进一步提高功能安全性等级。

虽然在检测轴角度的上下文中描述了上述实施例，但是传感器可以用于检测在旋转时在磁场中产生正弦变化并且可以通过传感器来感测的任何旋转构件或物体的角度。

此外，尽管已经描述了各种实施例，但是对于本领域普通技术人员将很清楚的是，在本公开的范围内，更多的实施例和实现是可能的。因此，除了根据所附权利要求及其等同物之外，本发明不受限制。关于由上述组件或结构(组装件、设备、电路、系统等)执行的各种功能，除非另有说明，否则用于描述这样的组件的术语(包括对“手段”的引用)旨在对应于执行所描述的组件的指定功能(即，在功能上等同)的任何组件或结构，即使在结构上不等同于在本文所示的本发明的示例性实现中执行该功能的所公开的结构。

此外，以下权利要求据此并入详细描述中，其中每个权利要求可以作为独立的示例实施例而独立。尽管每个权利要求可以单独作为单独的示例实施例，但是要注意的是，尽管从属权利要求可以在权利要求中指代与一个或多个其他权利要求的特定组合，但是其他示例实施例也可以包括从属权利要求与彼此的从属或独立权利要求的主题的组合。除非指出不意图特定组合，否则本文中提出了这样的组合。此外，意图是将权利要求的特征也包括到任何其他独立权利要求中，即使该权利要求没有直接依赖于独立权利要求。

还应当注意，说明书或权利要求书中公开的方法可以由具有用于执行这些方法的各个动作中的每个动作的装置的设备来实现。

此外，应当理解，说明书或权利要求书中公开的多个动作或功能的公开可能不应当被解释为在特定顺序内。因此，多个动作或功能的公开将不会将它们限制为特定顺序，除非由于技术原因而导致这些动作或功能不可互换。此外，在一些实施例中，单个动作可以包括或可以分成多个子动作。除非明确排除，否则这样的子动作可以被包括在内，并且是该单个动作的公开的一部分。

本公开中描述的技术可以至少部分以硬件、软件、固件或其任何组合来实现。例如，所描述的技术的各个方面可以在一个或多个处理器内实现，包括一个或多个微处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、或任何其他等同的集成或离散逻辑电路、以及这样的组件的任何组合。术语“处理器”或“处理电路”通常可以单独地或与其他逻辑电路或任何其他等同电路组合地指代任何前述逻辑电路。包括硬件的控制单元也可以执行本公开的一种或多种技术。这样的硬件、软件和固件可以在同一设备内或在单独的设备内实现以支持本公开中描述的各种技术。

尽管已经公开了各种示例性实施例，但是对于本领域技术人员而言很清楚的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变和修改，这些改变和修改将实现本文中公开的概念的一些优点。对于本领域技术人员很清楚的是，执行相同功能的其他组件可以被适当地替换。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其他实施例，并且可以进行结构或逻辑上的改变。应当提到的是，即使未明确提及，参考特定附图解释的特征也可以与其他附图的特征相结合。对总体发明构思的这样的修改旨在由所附权利要求及其合法等同物覆盖。

Claims

1.一种磁角度传感器，包括：

半导体芯片；

一对垂直霍尔传感器元件，与所述半导体芯片集成，并且每个垂直霍尔传感器元件被配置为响应于撞击在其上的磁场而生成垂直霍尔传感器信号；

第一对横向霍尔传感器元件，与所述半导体芯片集成，并且每个横向霍尔传感器元件被配置为响应于撞击在其上的所述磁场而生成第一横向霍尔传感器信号；

第二对横向霍尔传感器元件，与所述半导体芯片集成，并且每个横向霍尔传感器元件被配置为响应于撞击在其上的所述磁场而生成第二横向霍尔传感器信号；以及

与所述半导体芯片集成的传感器电路，所述传感器电路被配置为：

基于所述垂直霍尔传感器信号来确定与所述磁场的取向相对应的第一角度值；

基于所述第一横向霍尔传感器信号和所述第二横向霍尔传感器信号来确定与所述磁场的所述取向相对应的第二角度值；

确定所述第一角度值和所述第二角度值是否在彼此的可接受的公差范围内，以及

在所述第一角度值和所述第二角度值不在所述彼此的可接受的公差范围内的情况下，生成错误指示。

2.根据权利要求1所述的磁角度传感器，其中所述传感器电路被配置为确定所述第一角度值与所述第二角度值之间的差值，将所述差值与预定阈值进行比较，并且在所述差值超过所述预定阈值的情况下，确定所述第一角度值和所述第二角度值不在所述彼此的可接受的公差范围内。

3.根据权利要求1所述的磁角度传感器，其中所述传感器电路被配置为基于所述第一横向霍尔传感器信号生成第一差分测量信号，基于所述第二横向霍尔传感器信号生成第二差分测量信号，并且基于所述第一差分测量信号和所述第二差分测量信号确定所述第二角度值。

4.根据权利要求1所述的磁角度传感器，其中所述传感器电路包括微控制器，所述微控制器被配置为确定所述第一角度值和所述第二角度值是否在所述彼此的可接受的公差范围内，并且在所述第一角度值和所述第二角度值不在所述彼此的可接受的公差范围内的情况下，生成所述错误指示。

5.根据权利要求4所述的磁角度传感器，其中所述微控制器被配置为确定所述第一角度值和所述第二角度值。

6.根据权利要求4所述的磁角度传感器，其中所述微控制器包括：

第一处理核心，被配置为确定所述第一角度值；

第二处理核心，被配置为确定所述第二角度值；以及

第三处理核心，被配置为确定所述第一角度值和所述第二角度值是否在所述彼此的可接受的公差范围内，并且在所述第一角度值和所述第二角度值不在所述彼此的可接受的公差范围内的情况下，生成所述错误指示。

7.根据权利要求6所述的磁角度传感器，其中所述第一处理核心被配置为实现第一软件以确定所述第一角度值，并且所述第二处理核心被配置为实现第二软件以确定所述第二角度值，其中所述第一软件和所述第二软件彼此之间是不同的。

8.根据权利要求1所述的磁角度传感器，还包括：

第一电压调节器，与所述半导体芯片集成并且耦合到所述半导体芯片的第一集成电路IC电源引脚，所述第一电压调节器被配置为生成第一经调节的电压；

第二电压调节器，与所述半导体芯片集成并且耦合到所述半导体芯片的第二IC电源引脚，所述第二电压调节器被配置为生成第二经调节的电压；

第一霍尔电压源，被配置为从所述第一电压调节器接收所述第一经调节的电压并且向所述一对垂直霍尔传感器元件提供第一偏置电压；以及

第二霍尔电压源，被配置为从所述第二电压调节器接收所述第二经调节的电压并且向所述第一对横向霍尔传感器元件和所述第二对横向霍尔传感器元件提供第二偏置电压。

9.根据权利要求8所述的磁角度传感器，其中：

所述传感器电路包括微控制器，所述微控制器被配置为确定所述第一角度值和所述第二角度值是否在所述彼此的可接受的公差范围内，并且在所述第一角度值和所述第二角度值不在所述彼此的可接受的公差范围内的情况下，生成所述错误指示，以及

所述第一电压调节器或所述第二电压调节器之一耦合到所述微控制器并且被配置为分别向所述微控制器提供所述第一经调节的电压或所述第二经调节的电压。

10.根据权利要求9所述的磁角度传感器，其中所述传感器电路还包括：

第一坐标旋转数字计算机CORDIC，被配置为基于所述垂直霍尔传感器信号生成所述第一角度值，并且将所述第一角度值提供给所述微控制器；以及

第二CORDIC，被配置为基于所述第一横向霍尔传感器信号和所述第二横向霍尔传感器信号生成所述第二角度值，并且将所述第二角度值提供给所述微控制器，

其中所述第一电压调节器耦合到所述第一CORDIC，并且被配置为将所述第一经调节的电压提供给所述第一CORDIC，以及

其中所述第二电压调节器耦合到所述第二CORDIC，并且被配置为将所述第二经调节的电压提供给所述第二CORDIC。

11.根据权利要求9所述的磁角度传感器，其中所述微控制器包括：

第一处理核心，被配置为确定所述第一角度值；

第二处理核心，被配置为确定所述第二角度值；以及

12.根据权利要求8所述的磁角度传感器，还包括：

第三电压调节器，与所述半导体芯片集成，并且耦合到所述半导体芯片的第三IC电源引脚，所述第三电压调节器被配置为生成第三经调节的电压；

其中所述传感器电路包括微控制器，所述微控制器被配置为确定所述第一角度值和所述第二角度值是否在所述彼此的可接受的公差范围内，并且在所述第一角度值和所述第二角度值不在所述彼此的可接受的公差范围内的情况下，生成所述错误指示，以及

其中所述第三电压调节器耦合到所述微控制器并且被配置为将所述第三经调节的电压提供给所述微控制器。

13.根据权利要求12所述的磁角度传感器，其中所述微控制器包括：

第一处理核心，被配置为确定所述第一角度值；

第二处理核心，被配置为确定所述第二角度值；以及

14.根据权利要求1所述的磁角度传感器，其中：

所述一对垂直霍尔传感器元件包括对在第一方向上对准的所述磁场的第一磁场分量敏感的第一垂直霍尔传感器元件和对在与所述第一方向正交的第二方向上对准的所述磁场的第二磁场分量敏感的第二垂直霍尔传感器元件，

所述第一对横向霍尔传感器元件包括均对所述第一磁场分量敏感的第一横向霍尔传感器元件和第二横向霍尔传感器元件，以及

所述第二对横向霍尔传感器元件包括均对所述第二磁场分量敏感的第三横向霍尔传感器元件和第四横向霍尔传感器元件。

15.一种磁角度传感器系统，包括：

磁体，被配置为围绕旋转轴线旋转并且被配置为产生磁场；

半导体芯片；

一对垂直霍尔传感器元件，与所述半导体芯片集成，并且每个垂直霍尔传感器元件被配置为响应于撞击在其上的所述磁场而生成垂直霍尔传感器信号；

传感器电路，与所述半导体芯片集成，所述传感器电路被配置为：

16.根据权利要求15所述的磁角度传感器系统，其中：

17.根据权利要求16所述的磁角度传感器系统，其中：

所述第一横向霍尔传感器元件和所述第二横向霍尔传感器元件与所述旋转轴线的延伸部等距，

所述第一横向霍尔传感器元件和所述第二横向霍尔传感器元件与所述旋转轴线的所述延伸部等距，以及

所述第三横向霍尔传感器元件和所述第四横向霍尔传感器元件与所述旋转轴线的所述延伸部等距。

18.一种用于确定磁场的取向角的方法，所述方法包括：

由与半导体芯片集成的一对垂直霍尔传感器元件响应于撞击在其上的所述磁场而生成垂直霍尔传感器信号；

由与所述半导体芯片集成的第一对横向霍尔传感器元件响应于撞击在其上的所述磁场而生成第一横向霍尔传感器信号；

由与所述半导体芯片集成的第二对横向霍尔传感器元件响应于撞击在其上的所述磁场而生成第二横向霍尔传感器信号；

由与所述半导体芯片集成的传感器电路基于所述垂直霍尔传感器信号来确定与所述磁场的取向相对应的第一角度值；

由所述传感器电路基于所述第一横向霍尔传感器信号和所述第二横向霍尔传感器信号来确定与所述磁场的所述取向相对应的第二角度值；

由所述传感器电路确定所述第一角度值和所述第二角度值是否在彼此的可接受的公差范围内；以及

在所述第一角度值和所述第二角度值不在所述彼此的可接受的公差范围内的情况下，由所述传感器电路生成错误指示。

19.根据权利要求18所述的方法，其中：

20.根据权利要求18所述的方法，还包括：

由与所述半导体芯片集成的第一电压调节器向所配置的第一霍尔电压源提供第一经调节的电压；

由与所述半导体芯片集成的所述第一霍尔电压源通过使用所述第一经调节的电压向所述一对垂直霍尔传感器元件提供第一偏置电压；

由与所述半导体芯片集成的第二电压调节器向第二霍尔电压源提供第二经调节的电压；以及

由与所述半导体芯片集成的所述第二霍尔电压源通过使用所述第二经调节的电压向所述第一对横向霍尔传感器元件和所述第二对横向霍尔传感器元件提供第二偏置电压。