CN115469251A - 一种全集成闭环霍尔传感器装置 - Google Patents

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CN115469251A CN202211113793.9A CN202211113793A CN115469251A CN 115469251 A CN115469251 A CN 115469251A CN 202211113793 A CN202211113793 A CN 202211113793A CN 115469251 A CN115469251 A CN 115469251A
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Abstract

本发明公开了一种全集成闭环霍尔传感器装置，集成闭环霍尔传感器装置，包括：第一信号检测模块、第二信号检测模块、信号叠加模块、信号反馈模块；第一信号检测模块和第二信号检测模块分别获取预设位置的磁信号变化量并将其转换为第一电压信号和第二电压信号；信号叠加模块接收第一电压信号和第二电压信号，并计算第一电压信号和第二电压信号的电压差值；信号反馈模块接收电压差值并依据电压差值得到反馈电流值，通过反馈电流对第一信号检测模块和第二信号检测模块进行反馈补偿。通过不同增益霍尔传感器支路形成闭环反馈线圈有效磁场的放大，解决因电流和有效磁场强度限制不能将整个闭环霍尔传感器集成到单一芯片内的问题。

Description

一种全集成闭环霍尔传感器装置
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种全集成闭环霍尔传感器装置。
背景技术
霍尔传感器是一个将磁场的变化转化为输出电压的变化的装置。霍尔传感器最基本的应用是测量磁场强度，此外它还可用于测量产生和影响磁场的物理量，例如被用于接近开关、位置测量、转速测量和电流测量等应用。由于霍尔传感器动态范围大，线性度好，易于集成等特点，广泛应用在汽车，工业和日常消费品等领域。霍尔传感器按照工作原理可以分为开环霍尔和闭环霍尔两大类。开环霍尔传感器(见图1)由霍尔元件和线性放大器组成，其输出电压与穿过霍尔元件的磁场强度成正比，根据磁场特性和强度其输出电压上升或下降：随着磁场强度的增大，传感器的输出电压也同时增大，所以测量输出的电压即可反推出相应的磁场强度：
B＝Vout/GBtoV，
其中，B为被测磁场强度，Vout为霍尔传感器输出电压，GBtoV为磁场到电压转换系数(包含了线性放大器放大倍数)。
闭环霍尔传感器(见图2)也称补偿式传感器，即霍尔元件检测到的磁场，被一个次级线圈电流所产生的磁场进行补偿，从而使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态。因此，闭环霍尔传感器可以达到较高的线性度和温度稳定性，对于高精度高稳定性的应用有较大的吸引力。
现有的闭环霍尔传感器主要是在系统级实现。如图2所示，闭环霍尔主要由一个开环霍尔传感器，一个积分器，以及一个反馈线圈组成。当有磁场通过霍尔器件，产生的电压输出通过积分器转化为电流以驱动反馈线圈产生一个相反的磁场，从而达到补偿的作用，使得霍尔元件的输出为零。这样通过测量反馈线圈的电流强度既可以反推出被测磁场的大小。
由于图2系统里线圈产生的磁场强度有限，通常为了达到补偿的效果线圈会需要极大的电流。为了解决这个问题，传统的闭环霍尔传感器会引入一个磁芯(图3)以达到磁场放大的作用，从而减小线圈内所需要的电流。
现有的闭环霍尔技术存在以下一些问题：一是基于现有技术的集成型闭环霍尔的测量范围极低：由于标准集成电路工艺无法集成磁芯，反馈磁场完全依靠片内的反馈线圈实现。受芯片内的电流限制，集成闭环霍尔传感器芯片磁场测量范围小于10mT(毫特斯拉,10-3)。而现实中大部分应用都需要测量几十甚至几百mT的磁场。因此，目前市面上都没有全集成闭环霍尔传感器。二是系统级闭环霍尔有成本，体积以及生产周期等问题：由于上述原因，目前所有闭环霍尔传感器都是在开环霍尔芯片基础上在外部添加磁芯和线圈实现的(图3)。这样成本较高，体积较大不利于集成，且量产的时间周期较长。三是传统闭环霍尔传感器对环路内开环霍尔传感器芯片性能需求有极大的不确定性：由于传统闭环霍尔传感器产品设计独立于环路内霍尔传感器芯片设计，芯片性能的不确定性对整个闭环霍尔传感器系统有严重的影响，包括良率，一致性等。四是传统闭环霍尔传感器使用磁芯，存在线性度和磁滞等缺陷：传统闭环霍尔传感器使用磁芯以增强信号强度，但是磁芯在接近饱和时会导致系统线性度下降；同时，磁芯的使用会引入磁滞效应，导致系统误差增加，需要搭载消磁电路也解决响应问题。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种全集成闭环霍尔传感器装置，通过两个不同增益的霍尔传感器支路形成了一个对于闭环反馈线圈的有效磁场的放大作用，解决了由于受到电流和有效磁场强度限制不能将整个闭环霍尔传感器集成到单一芯片内的问题。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种全集成闭环霍尔传感器装置，包括：第一信号检测模块、第二信号检测模块、信号叠加模块、信号反馈模块；
所述第一信号检测模块和所述第二信号检测模块分别获取预设位置的磁信号变化量并将其转换为第一电压信号和第二电压信号；
所述信号叠加模块接收所述第一电压信号和所述第二电压信号，并计算所述第一电压信号和所述第二电压信号的电压差值；
所述信号反馈模块接收所述电压差值并依据所述电压差值得到反馈电流值，通过反馈电流对所述第一信号检测模块和所述第二信号检测模块进行反馈补偿。
进一步地，所述第一信号检测模块包括：第一线圈和第一霍尔传感器单元，所述第二信号检测模块包括：第二线圈和第二霍尔传感器单元；
所述第一线圈和所述第二线圈串联后与所述信号反馈模块连接；
所述第一霍尔传感器单元设置于所述第一线圈的对应位置，所述第二霍尔传感器设置于所述第二线圈的对应位置；
所述第一霍尔传感器单元和所述第二霍尔传感器单元的放大倍数差为预设数值。
进一步地，所述第一线圈和所述第二线圈的尺寸相同且极性相反。
进一步地，所述第一霍尔传感器单元包括：串联连接的第一霍尔元件、第一放大器，所述第一霍尔元件设置于所述第一线圈的对应位置，所述第一放大器的输出端与所述信号叠加模块连接；
所述第二霍尔传感器单元包括：串联连接的第二霍尔元件、第二放大器，所述第二霍尔元件设置于所述第二线圈的对应位置，所述第二放大器的输出端与所述信号叠加模块连接；
其中，所述第一霍尔元件与所述第二霍尔元件相同，所述第一放大器和所述第二放大器的放大倍数差为所述预设数值。
进一步地，所述信号叠加模块输出的所述电压差值为：
Figure BDA0003844648800000041
其中，B为待测试磁场的磁场强度，R为反馈回路中的电阻值，G1为所述第一霍尔传感器单元的放大倍数，G2为所述第二霍尔传感器单元的放大倍数，S12B为电流到磁场的转换系数。
进一步地，所述第一霍尔传感器单元输出的所述第一电压信号值为：
Figure BDA0003844648800000042
所述第二霍尔传感器单元输出的所述第二电压信号值为：
Figure BDA0003844648800000043
进一步地，所述信号反馈模块包括：积分器和反馈电阻；
所述积分器输入端与所述信号叠加模块连接，其输出端与所述第一信号检测模块和所述第二信号检测模块连接；
所述反馈电阻设置于反馈回路中。
进一步地，所述反馈电阻的阻值可调，通过调整所述反馈电阻的阻值可以改变所述反馈电流值。
进一步地，所述反馈电阻的温度系数小于预设温度系数。
进一步地，所述全集成闭环霍尔传感器装置还包括：信号驱动模块；
所述信号驱动模块串联设置于所述信号叠加模块和所述信号反馈模块之间。
本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
通过两个不同增益的霍尔传感器支路形成了一个对于闭环反馈线圈的有效磁场的放大作用，解决了由于受到电流和有效磁场强度限制不能将整个闭环霍尔传感器集成到单一芯片内的问题；此外，充分发挥了闭环系统的优势，使得整个系统不受外界环境，如芯片工艺角，供电电压波动，和温度变化的影响，使得整个系统更加稳定。
附图说明
图1是本发明实施例提供的开环霍尔传感器原理图；
图2是本发明实施例提供的传统闭环霍尔传感器原理图；
图3是本发明实施例提供的引入磁芯的传统闭环霍尔传感器原理图；
图4是本发明实施例提供的全集成闭环霍尔传感器装置原理图一；
图5是本发明实施例提供的全集成闭环霍尔传感器装置原理图二。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
请参照图4，本发明实施例提供了一种全集成闭环霍尔传感器装置，包括：第一信号检测模块、第二信号检测模块、信号叠加模块、信号反馈模块；第一信号检测模块和第二信号检测模块分别获取预设位置的磁信号变化量并将其转换为第一电压信号和第二电压信号；信号叠加模块接收第一电压信号和第二电压信号，并计算第一电压信号和第二电压信号的电压差值；信号反馈模块接收电压差值并依据电压差值得到反馈电流值，通过反馈电流对第一信号检测模块和第二信号检测模块进行反馈补偿。
系统级别的闭环由于需要额外的磁芯何线圈，导致成本较高，体积较大不利于集成。且量产的周期相对较长。但是如果在现有的技术下在芯片内部制作闭环霍尔，则会受到测量范围的限制。现有的技术下在芯片内部制作闭环霍尔，则会受到测量范围的限制。由于不需要搭载磁芯，使用本发明技术的闭环霍尔传感器装置同时解决了系统级闭环霍尔的线性度和磁滞等缺陷。
本发明实施例通过电路技术改进解决了由于芯片限制所以无法集成闭环霍尔传感器的问题，将芯片内闭环霍尔传感器的性能提升到了系统级闭环霍尔的水平，实现了在芯片内部用较小的反馈电流也能达到补偿较大被测磁场的目的。解决了制约片内集成霍尔传感器的重大问题。
在本发明一个具体实施方式中，第一信号检测模块包括：第一线圈和第一霍尔传感器单元，第二信号检测模块包括：第二线圈和第二霍尔传感器单元；第一线圈和第二线圈串联后与信号反馈模块连接；第一霍尔传感器单元设置于第一线圈的对应位置，第二霍尔传感器设置于第二线圈的对应位置；第一霍尔传感器单元和第二霍尔传感器单元的放大倍数差为预设数值。
具体的，第一线圈和第二线圈的尺寸相同且极性相反。
更进一步地，第一霍尔传感器单元包括：串联连接的第一霍尔元件、第一放大器，第一霍尔元件设置于第一线圈的对应位置，第一放大器的输出端与信号叠加模块连接；第二霍尔传感器单元包括：串联连接的第二霍尔元件、第二放大器，第二霍尔元件设置于第二线圈的对应位置，第二放大器的输出端与信号叠加模块连接；其中，第一霍尔元件与第二霍尔元件相同，第一放大器和第二放大器的放大倍数差为预设数值。
在信号叠加模块输出的电压差值为：
Figure BDA0003844648800000061
其中，B为待测试磁场的磁场强度，R为反馈回路中的电阻值，G1为第一霍尔传感器单元的放大倍数，G2为第二霍尔传感器单元的放大倍数，S12B为电流到磁场的转换系数。
进一步地，待测试磁场的磁场强度为：
Figure BDA0003844648800000062
其中，Bcomp为第一线圈和第二线圈形成的补偿磁场强度值。
具体的，信号反馈模块包括：积分器和反馈电阻；积分器输入端与信号叠加模块连接，其输出端与第一信号检测模块和第二信号检测模块连接；反馈电阻设置于反馈回路中。
减法器将两个霍尔传感器单元的输出信号想减，而积分器则将减法器的输出转化为电流以驱动反馈线圈产生补偿磁场。
进一步地，上述反馈电阻的阻值可调，通过调整反馈电阻的阻值可以改变反馈电流值。通过将反馈电阻设置为可调电阻，用于调整和读取反馈补偿电流大小，达到调整测量灵敏度和动态范围的目的，进而使得整个系统均可集成于芯片内部。
进一步地，反馈电阻的温度系数小于预设温度系数。整个全集成霍尔传感器装置的温度系数主要由反馈电阻的温度系数决定，在实际应用中，可以找到温度系数非常低的电阻，从而保证整个测试系统的温度系数非常低。
此外，全集成闭环霍尔传感器装置还包括：信号驱动模块；信号驱动模块串联设置于信号叠加模块和信号反馈模块之间。
下面，对全集成霍尔传感器装置的工作原理说明如下：
当芯片暴露于磁场中，第一霍尔元件和第二霍尔元件均会将磁场转换为电压输出到相应的第一放大器和第二放大器。
首先忽略反馈线圈的影响，可以得到两个支路的输出分别为：
Vo1＝B·G1 (1)
Vo2＝B·G2 (2)
其中：G1和G2分别为两个支路的放大倍数。此放大倍数包含了霍尔元件的转换率和放大器的增益。B为待测试磁场的磁场强度。
由于两个支路的放大倍数不一样，在减法器的输出会产生一个非零的电压，此电压通过积分器之后叠加到反馈电阻R上从而产生一个反馈电流。此反馈电流将驱动第一线圈和第二线圈产生相应的补偿磁场。由于两个分路的线圈方向相反，所以产生的补偿磁场也相反。因此在两个支路的输出端将会分别得到：
Figure BDA0003844648800000071
Figure BDA0003844648800000072
其中SI2B为电流到磁场的转换系数(此系数同线圈的物理尺寸，以及霍尔元件的尺寸相关)。同时，由于整个系统是一个负反馈环路，所以在理想状况下负反馈的作用会让两个支路的输出趋向于相等从而使积分器的输入为零。在负反馈环路稳定的状态下，可以推导出：
Figure BDA0003844648800000081
所以在环路稳定状态下积分器的输出电压Vout为：
Figure BDA0003844648800000082
从而可以推导出反馈线圈内的驱动电流为：
Figure BDA0003844648800000083
在此驱动电流下，我们可以计算出反馈线圈形成的补偿磁场强度为：
Figure BDA0003844648800000084
那么被测磁场的强度即为：
Figure BDA0003844648800000085
从以上公式，我们可以看出，由于
Figure BDA0003844648800000086
系数的存在，可以让此系统只需较小的线圈驱动电流即可测试较大的外界磁场。例如：如果通过对放大器增益的设计使
Figure BDA0003844648800000087
的值为0.1，则片内线圈产生10mT的磁场即可以让整个系统测试100mT的外界磁场。通过有效的调整
Figure BDA0003844648800000088
系数，此全集成的闭环霍尔传感器即可以用于测试较大的磁场范围。通过调整电阻R的值，则可以起到调整反馈线圈电流强度的目的，保证片内的电流维持在合理的范围。这就有效的解决了因为受到片内可产生的磁场强度限制而无法用将闭环霍尔传感器集成的问题，使全集成的闭环霍尔传感器成为可能。
除了以上优点，由于此发明的整个系统可以集成在单一芯片内，所以通过电路的设计及版图的匹配处理可以保证
Figure BDA0003844648800000089
系数在不同条件(工艺，电压，温度)下都保持非常高的稳定性，从而让整个测试系统的性能不受PVT(工艺角，电压，温度)的影响。从公式(9)我们可以看出整个系统的温度系数主要由电阻R的温度特性决定。在实际应用中，我们可以找到温度系数非常低的电阻，从而保证整个测试系统的温度系数非常低。
请参照图5，在两个电压放大器G1，G2后的减法功能由一个积分器实现，在积分器后面，一个额外的输出级运算放大器为反馈线圈提供了足够的驱动能力。驱动电阻R0就位于系统的反馈环路中。由此电路可以进一步推导出完整输出电压的传输函数，如下：
Figure BDA0003844648800000091
其中，当被测磁场的频率为直流(DC)的情况下，简化该公式可以得到和公式(5)相同的结果。
从公式(10)可以推导出此电路的带宽：
Figure BDA0003844648800000092
从公式(6)和公式(11)可以看出此发明除了实现了芯片内的闭环霍尔系统，还成功的断开了系统的直流增益(主要取决于G1和G2的比值)和带宽的联系，使得这两个参数可以相对独立的设计。
上述过程通过两个不同增益的霍尔传感器支路形成了一个对于闭环反馈线圈的有效磁场的放大作用，详情见公式(1)-公式(9)的推导过程，其解决了由于受到电流和有效磁场强度限制不能将整个闭环霍尔传感器集成到单一芯片内的问题。除了集成的优势，本发明还充分发挥了闭环系统的优势，使得整个系统不受外界环境，如芯片工艺角，供电电压波动，和温度变化的影响，使得整个系统更加稳定。
本发明实施例旨在保护一种全集成闭环霍尔传感器装置，包括：第一信号检测模块、第二信号检测模块、信号叠加模块、信号反馈模块；第一信号检测模块和第二信号检测模块分别获取预设位置的磁信号变化量并将其转换为第一电压信号和第二电压信号；信号叠加模块接收第一电压信号和第二电压信号，并计算第一电压信号和第二电压信号的电压差值；信号反馈模块接收电压差值并依据电压差值得到反馈电流值，通过反馈电流对第一信号检测模块和第二信号检测模块进行反馈补偿。上述技术方案具备如下效果：
通过两个不同增益的霍尔传感器支路形成了一个对于闭环反馈线圈的有效磁场的放大作用，解决了由于受到电流和有效磁场强度限制不能将整个闭环霍尔传感器集成到单一芯片内的问题；此外，充分发挥了闭环系统的优势，使得整个系统不受外界环境，如芯片工艺角，供电电压波动，和温度变化的影响，使得整个系统更加稳定。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种全集成闭环霍尔传感器装置，其特征在于，包括：第一信号检测模块、第二信号检测模块、信号叠加模块、信号反馈模块；
所述第一信号检测模块和所述第二信号检测模块分别获取预设位置的磁信号变化量并将其转换为第一电压信号和第二电压信号；
所述信号叠加模块接收所述第一电压信号和所述第二电压信号，并计算所述第一电压信号和所述第二电压信号的电压差值；
所述信号反馈模块接收所述电压差值并依据所述电压差值得到反馈电流值，通过反馈电流对所述第一信号检测模块和所述第二信号检测模块进行反馈补偿。
2.根据权利要求1所述的全集成闭环霍尔传感器装置，其特征在于，
所述第一信号检测模块包括：第一线圈和第一霍尔传感器单元，所述第二信号检测模块包括：第二线圈和第二霍尔传感器单元；
所述第一线圈和所述第二线圈串联后与所述信号反馈模块连接；
所述第一霍尔传感器单元设置于所述第一线圈的对应位置，所述第二霍尔传感器设置于所述第二线圈的对应位置；
所述第一霍尔传感器单元和所述第二霍尔传感器单元的放大倍数差为预设数值。
3.根据权利要求2所述的全集成闭环霍尔传感器装置，其特征在于，
所述第一线圈和所述第二线圈的尺寸相同且极性相反。
4.根据权利要求2所述的全集成闭环霍尔传感器装置，其特征在于，
所述第一霍尔传感器单元包括：串联连接的第一霍尔元件、第一放大器，所述第一霍尔元件设置于所述第一线圈的对应位置，所述第一放大器的输出端与所述信号叠加模块连接；
所述第二霍尔传感器单元包括：串联连接的第二霍尔元件、第二放大器，所述第二霍尔元件设置于所述第二线圈的对应位置，所述第二放大器的输出端与所述信号叠加模块连接；
其中，所述第一霍尔元件与所述第二霍尔元件相同，所述第一放大器和所述第二放大器的放大倍数差为所述预设数值。
5.根据权利要求2所述的全集成闭环霍尔传感器装置，其特征在于，
所述信号叠加模块输出的所述电压差值为：
Figure FDA0003844648790000021
其中，B为待测试磁场的磁场强度，R为反馈回路中的电阻值，G1为所述第一霍尔传感器单元的放大倍数，G2为所述第二霍尔传感器单元的放大倍数，S12B为电流到磁场的转换系数。
6.根据权利要求5所述的全集成闭环霍尔传感器装置，其特征在于，
所述第一霍尔传感器单元输出的所述第一电压信号值为：
Figure FDA0003844648790000022
所述第二霍尔传感器单元输出的所述第二电压信号值为：
Figure FDA0003844648790000023
7.根据权利要求1所述的全集成闭环霍尔传感器装置，其特征在于，
所述信号反馈模块包括：积分器和反馈电阻；
所述积分器输入端与所述信号叠加模块连接，其输出端与所述第一信号检测模块和所述第二信号检测模块连接；
所述反馈电阻设置于反馈回路中。
8.根据权利要求7所述的全集成闭环霍尔传感器装置，其特征在于，
所述反馈电阻的阻值可调，通过调整所述反馈电阻的阻值可以改变所述反馈电流值。
9.根据权利要求7所述的全集成闭环霍尔传感器装置，其特征在于，
所述反馈电阻的温度系数小于预设温度系数。
10.根据权利要求1-9任一所述的全集成闭环霍尔传感器装置，其特征在于，还包括：信号驱动模块；
所述信号驱动模块串联设置于所述信号叠加模块和所述信号反馈模块之间。
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