CN205982597U - 磁传感器集成电路、电机组件及应用设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种磁传感器集成电路、电机组件及应用设备。所述磁传感器集成电路包括用于连接外部电源的输入端口、输出端口及磁场检测电路，所述磁场检测电路包括用于感知外部磁场并输出检测电信号的磁感知元件、用于对所述检测电信号进行放大去干扰处理的信号处理单元以及用于将经过所述信号处理单元处理的检测电信号转换为磁场检测信号的转换单元；其中，所述信号处理单元中具有折叠式级联放大器。

Description

磁传感器集成电路、电机组件及应用设备

技术领域

本实用新型涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种磁传感器集成电路。

背景技术

磁传感器的作用原理是霍尔效应，霍尔效应是指将电流I通至一物质，并在与电流成正角的方向施加磁场B时，在电流I与磁场B两者的直角方向所产生的电位差V的现象。在实际应用中，磁传感器常常用于检测电机转子的磁场极性。

随着磁传感器需求厂商对产品要求的不断提高，磁传感器内部电路结构及信号处理过程的相关研究也不断的深入。实际应用中，由于磁传感器输出的检测电信号的电压值一般都非常小，因此，需要能够对检测电信号进行准确有效处理的放大器结构，以保证整个磁传感器最终输出结果的准确性。

实用新型内容

本实用新型实施例一方面提供一种磁传感器集成电路，包括用于连接外部电源的输入端口、磁场检测电路、输出端口和输出控制电路；

所述磁场检测电路包括用于感知外部磁场并输出检测电信号的磁感知元件、用于对所述检测电信号进行放大去干扰处理的信号处理单元以及用于将经过所述信号处理单元处理的检测电信号转换为磁场检测信号的转换单元；其中，所述信号处理单元中具有折叠式级联放大器；

所述输出控制电路用于至少基于所述磁场检测信号，使所述磁传感器集成电路至少在自所述输出端口向外部流出电流的第一状态和自外部向所述输出端口流入电流的第二状态其中一个状态下运行。

可选的，所述检测电信号包括磁场信号和偏差信号，所述信号处理单元包括：

用于将所述磁感知元件输出的偏差信号和磁场信号分离到基带频率和斩波频率的第一斩波开关；

用于对经分离的偏差信号和磁场信号进行放大并将经放大的偏差信号和磁场信号交换到所述斩波频率和所述基带频率的斩波型放大器；以及

用于消除交换到所述斩波频率的偏差信号的低通滤波电路。

可选的，所述斩波频率大于100K赫兹和/或所述基带频率小于200赫兹。

可选的，所述斩波型放大器包括依次连接的第一放大器和第二斩波开关；其中，

所述第一放大器包括折叠式级联放大器，用于对第一斩波开关输出的偏差信号和磁场信号进行第一级放大；

所述第二斩波开关用于将经所述第一放大器进行第一级放大的偏差信号和磁场信号交换到所述斩波频率和基带频率。

可选的，所述信号处理单元还包括连接于所述斩波型放大器和所述低通滤波器之间的第二放大器，所述第二放大器用于对经过交换的偏差信号和磁场信号进行第二级放大。

可选的，所述第一放大器输出一对差分信号，所述第二斩波开关被配置为在每个时钟周期的后半周期将该对差分信号互换输出。

可选的，所述信号处理单元还包括：

连接在所述第二斩波开关和所述低通滤波器之间的采样保持电路，所述采样保持电路用于对经交换后的差分信号中的每个信号，在每个时钟周期的前后两个半周期内分别采集数据并分为两路采样信号各自输出。

可选的，所述低通滤波电路包括第一滤波器，所述第一滤波器用于对所述采样保持电路输出的两对采样信号分别进行相加处理，消除偏差信号。

可选的，所述低通滤波电路还包括第二滤波器，所述第二滤波器用于对所述第一滤波器输出的差分信号进行滤波放大。

可选的，所述输出控制电路包括第一开关和第二开关，所述第一开关与所述输出端口连接在第一电流通路中，所述第二开关与所述输出端口连接在与所述第一电流通路方向相反的第二电流通路中，所述第一开关和第二开关在所述开关型检测信号的控制下选择性地导通。

可选的，所述输出控制电路具有自所述输出引脚向外流出电流的第一电流通路、自所述输出引脚向内流入电流的第二电流通路、以及连接在所述第一电流通路和第二电流通路其中一个通路中的开关，所述开关由所述磁场检测电路输出的磁场检测信息控制，使得第一电流通路和第二电流通路选择性导通。

可选的，所述磁场检测信号为开关型检测信号，所述输入端口用于连接外部交流电源，所述开关型检测信号的开关切换频率与所述交流电源的频率成比例或等于所述交流电源的频率的两倍。

本实用新型实施例另一方面提供一种磁传感器集成电路，包括用于连接外部电源的输入端口、输出端口及磁场检测电路，所述磁场检测电路包括用于感知外部磁场并输出检测电信号的磁感知元件、用于对所述检测电信号进行放大去干扰处理的信号处理单元以及用于将经过所述信号处理单元处理的检测电信号转换为磁场检测信号的转换单元；其中，所述信号处理单元中具有折叠式级联放大器。

可选的，所述信号处理单元上述任一种信号处理单元的特征。

可选的，所述磁传感器还包括与所述输入端口连接的整流电路，所述磁场检测电路由所述整流电路的输出电压供电。

可选的，所述磁场检测信号经所述输出端口向外输出。

可选的，所述检测电信号包括磁场信号和偏差信号，所述信号处理单元包括：

用于将所述磁感知元件输出的偏差信号和磁场信号分离到基带频率和斩波频率的斩波开关；

用于消除分离到所述斩波频率的偏差信号的高通滤波器；以及

将所述磁场信号解调回基带频率的解调器。

本实用新型实施例再一方面提供一种电机组件，包括电机和电机驱动电路，所述电机驱动电路具有上述的磁传感器集成电路。

本实用新型实施例再一方面提供一种具有上述电机组件的应用设备。

较佳的，所述应用设备为泵、风扇、家用电器或者车辆。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本实用新型实施例公开了一种磁传感器集成电路和磁传感器，其内部的信号处理单元采用折叠式级联放大器，能够将很小的输入信号放大到足够的增益倍数，并具有高带宽特性，能够准确处理频域跨度很大的信号，具有非常好的频率特性和摆率，能够保证磁场检测电路最终输出结果的准确性和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例公开的磁传感器的结构示意图；

图2为本实用新型实施例公开的信号处理单元的结构示意图；

图3A为本实用新型实施例公开的斩波放大器的结构示意图；

图3B为本实用新型实施例公开的另一个斩波放大器的结构示意图；

图4为本实用新型实施例公开的磁传感器集成电路的结构示意图；

图5为本实用新型实施例公开的整流电路的电路示意图；

图6为本实用新型实施例公开的霍尔感测器和第一斩波开关的电路示意图；

图7为图6所示电路中的信号示意图；

图8为本实用新型实施例公开的滤波电路的结构示意图；

图9为本实用新型实施例公开的比较电路的结构示意图；

图10为本实用新型实施例公开的判断磁场极性的原理示意图；

图11为本实用新型实施例公开的周期时钟信号下的各信号输出示意图；

图12为本实用新型实施例公开的输出控制电路的电路示意图；

图13为本实用新型实施例公开的另一个输出控制电路的电路示意图；

图14为本实用新型实施例公开的又一个输出控制电路的电路示意图；

图14A为本实用新型实施例公开的又一个输出控制电路的电路示意图；

图15为本实用新型实施例公开的电机组件的电路结构示意图；

图16为本实用新型实施例公开的同步电机的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1为本实用新型实施例公开的磁传感器的结构示意图，参见图1所示，所述磁传感器包括输入端口1、磁场检测电路2、输出端口3。

输入端口用于连接外部电源，向磁场检测电路2提供电源。本实施例中，该外部电源可以是直流电源。

所述磁场检测电路2包括用于感知外部磁场并输出检测电信号的磁感知元件21、用于对所述检测电信号进行放大去干扰处理的信号处理单元22以及用于将经过所述信号处理单元22处理的检测电信号转换为磁场检测信号的转换单元23；所述磁场检测信号可经输出端口3向外输出。所述信号处理单元22中具有折叠式级联放大器220。较佳的，所述磁场检测信号是开关型数字信号。

所述检测电信号可以包括磁场信号和偏差信号。其中，所述磁场信号为所述磁感知元件检测到的与外部磁场匹配的理想磁场电压信号，所述偏差信号包括所述磁感知元件的直流漂移。对检测电信号进行去干扰处理包括消除所述磁感知元件的直流漂移。

图2示出了所述信号处理单元22的结构示意图，参见图2所示，所述信号处理单元22包括：用于将所述磁感知元件输出的偏差信号和磁场信号分离到基带频率和斩波频率的第一斩波开关Z1；用于对经分离的偏差信号和磁场信号进行放大并将经放大的偏差信号和磁场信号交换到所述斩波频率和所述基带频率的斩波型放大器IA；较佳的，所述斩波频率大于100K赫兹，所述基带频率小于200赫兹。

参见图3A，在一个可能的实现方式中，所述斩波型放大器IA可以包括依次连接的第一放大器A1和第二斩波开关Z2；其中，所述第一放大器A1包括折叠式级联放大器，用于对所述第一斩波开关Z1输出的偏差信号和磁场信号进行第一级放大；所述第二斩波开关Z2用于将经所述第一放大器A1进行第一级放大的偏差信号和磁场信号交换到所述斩波频率和基带频率。

所述信号处理单元22还包括用于消除交换到所述斩波频率的偏差信号的低通滤波电路LPF。

所述低通滤波电路LPF可以包括用于消除所述偏差信号的第一滤波器。

进一步的，在其他的实施例中，所述低通滤波电路LPF除上述第一滤波器外，还包括第二滤波器，所述第二滤波器用于对所述第一滤波器输出的信号进行进一步滤波和放大。

图3B为本实用新型实施例公开的另一个斩波放大器的结构示意图，如图3B所示，所述信号处理单元22除了所述第一斩波开关Z1、所述斩波型放大器IA(包括第一放大器A1和第二斩波开关Z2)和所述低通滤波器LPF外，还可以包括连接于所述斩波型放大器IA和所述低通滤波器LPF之间的第二放大器A2，所述第二放大器A2用于对经过交换的偏差信号和磁场信号进行第二级放大。较佳的，第二放大器A2可以是单级放大器。

在其他的实施例中，所述第二放大器A2也可设置在所述斩波型放大器IA的电路结构中，设在第一放大器A1和第二斩波开关Z2之间。

本实用新型实施例公开的磁传感器，其内部的信号处理单元具有折叠式级联放大器，能够将很小的输入信号放大到足够的增益倍数，并具有高带宽特性，能够准确处理频域跨度很大的信号，具有非常好的频率特性和摆率，能够保证磁场检测电路最终输出结果的准确性和可靠性，进而保证了磁传感器磁场极性判断结果以及输出的相关控制信号的准确性。

图4示出了依据本实用新型另一实施例的磁传感器集成电路，所述磁传感器集成电路包括输入端口4、输出端口5、整流电路110、磁场检测电路120和输出控制电路130。

所述输入端口1可以包括连接外部交流电源的第一输入端口41和第二输入端口42。本实用新型中，输入端口4连接外部电源既包括输入端口与外部电源两端直接连接的情形，也包括输入端口与外部负载串接于外部电源两端的情形，本实用新型对此并不做限定，具体视情况而定。

在本实用新型的一个具体实施例中，所述整流电路110包括全波整流桥以及与所述全波整流桥的输出连接的稳压单元，其中，所述全波整流桥用于将所述交流电源输出的交流信号转换成直流信号，所述稳压单元用于将所述全波整流桥输出的直流信号稳定在预设值范围内。磁场检测电路120和输出控制电路130可由整流电路110的输出电压直接或间接供电。

图5示出整流电路60的一种具体电路，其中，稳压单元包括连接于全波整流桥61的两个输出端之间的稳压二极管621，所述全波整流桥61包括：串联的第一二极管611和第二二极管612以及串联的第三二极管613和第四二极管614；所述第一二极管611和所述第二二极管612的公共端与所述第一输入端口VAC+电连接；所述第三二极管613和所述第四二极管614的公共端与所述第二输入端口VAC-电连接。

其中，所述第一二极管611的输入端与所述第三二极管613的输入端电连接形成全波整流桥的接地输出端，所述第二二极管612的输出端与所述第四二极管614的输出端电连接形成全波整流桥的电压输出端VDD，稳压二极管621连接于所述第二二极管612和第四二极管614的公共端与所述第一二极管611和所述第三二极管613的公共端之间。

所述磁场检测电路120可以包括：依次连接的霍尔感测器121(也可称作磁感知元件)、第一斩波开关122、放大器123、采样保持电路124、滤波电路125和比较电路126。

所述霍尔感测器121的输入端连接整流电路110的输出端，接入所述整流电路110输出的直流电压，用于根据所述直流电压输出磁场感知信号给所述第一斩波开关122。

图6为本实用新型实施例的霍尔感测器和第一斩波开关的一种具体电路。其中，霍尔感测器121为霍尔板，包括两组相对而设的接线端子11、12、13和14，第一斩波开关122包括可切换开关16、18、19和20。可切换开关16控制接线端子11和14交替性地与电源端VCC导通，可切换开关18控制接线端子12和13交替性地与地导通。可切换开关19控制接线端子11和14交替性地与输出端P1导通，可切换开关20控制接线端子12和13交替性地与输出端N1导通。所述四个可切换开关被配置为当接线端子11或14其中之一与VCC导通时，接线端子11或14其中之另一与输出端P1导通，接线端子12和13中与该连通VCC的端子相对的接线端子与地导通，接线端子12和13中未与地连通的端子与输出端N1导通。输出端P1和N1输出一对差分信号。

也就是说，当可切换开关16和18控制霍尔板的接线端子11和13分别与电源Vcc和地导通时，可切换开关19和20控制接线端子12和14作为输出端导通；当可切换开关16和18控制接线端子14和12分别与电源Vcc和地导通时，可切换开关19和20控制接线端子11和13作为输出端导通。

在另一种可能的方案中，还可以通过配置切换开关，在时钟的半个周期使接线端子11和13分别与电源Vcc和地导通，使接线端子12和14作为输出端导通；在时钟的另外半个周期切换为使接线端子12和14分别与电源Vcc和地导通，使接线端子13和11作为输出端导通。

下表1示出各接线端子在一个时钟周期的前后两个半周期的一种可能的连接方案。

表1

接线端子	前半周期	后半周期
			11	Vcc	P1
12	P1	Vcc
			13	地	N1
14	N1	地

下表2示出另一种具体实例中各接线端子在一个时钟周期的前后两个半周期的一种可能的连接方案。

表2

在上述两种连接方案中，在一个时钟周期的后半周期，连接电源Vcc和地的一对连接端子各自转换为沿顺时针(或者是逆时针)方向旋转90度后相应位置处的连接端子在前半周期的连接状态，连接输出端P1和N1的一对连接端子则转换为沿逆时针(或者是顺时针)相反方向旋转90度后相应位置处的连接端子在前半周期的连接状态。在一下个时钟周期的前半周期，各连接端子则切换回上一时钟周期的前半周期的连接状态，以此类推。

较佳的，电源Vcc可以是对整流电路110的输出进行降压稳压处理后的恒压源。可以理解，电源也可以是恒流源。

较佳的，每一可切换开关由一对开关实现，该对开关同为高电平导通或低电平导通，并由一对互补的时钟信号控制。通过给四对开关提供两对频率相同且两两互补的时钟信号可以实现前述的导通方式。本实用新型实施例中，时钟信号的频率可大于100K赫兹，较佳为几百K赫兹。

图7为图6所示电路中的信号示意图。其中，CK1为时钟信号；Vos为霍尔感测器121的偏差电压信号，霍尔板121的物理性质决定，可以假设其在时钟信号周期内的任何时刻都是保持不变的。Vin和-Vin为第一斩波开关输出在时钟信号CK1的前半周期和后半周期输出的理想磁场电压信号，即霍尔板121无偏差信号干扰的理想输出。如前面所述，在时钟信号CK1的一个半周期，接线端子11和13分别与电源Vcc和地导通，接线端子12和14作为输出端导通；在时钟信号CK1的另一个半周期接线端子12和14分别与电源Vcc和地导通时，接线端子11和13作为输出端导通。在时钟信号CK1的前后两个半周期，第一斩波开关输出的理想磁场电压信号大小相等，方向相反。Vout为第一斩波开关的输出信号，是偏差信号Vos和理想磁场信号Vin的叠加。经过第一斩波开关，上述偏差电压信号和理想磁场电压信号分离到基带频率和斩波频率。其中，斩波频率为时钟信号的频率，基带频率是霍尔板所检测的外部磁场的极性变化频率。

在本实用新型的一种实施方案中，所述霍尔感测器121输出的理想磁场电压信号非常小，通常只有零点几毫伏，偏差信号Vos接近10毫伏，因此后期需要消除偏差信号，并对理想信号进行高增益处理。

本实施例中放大器123可以采用图3B中所示的斩波放大器，包括第一放大器A1、第二斩波开关Z2和第三放大器A2。第一放大器A1和第二斩波开关用于对经分离的偏差信号和磁场信号进行放大并将经放大的偏差信号和磁场信号交换到所述斩波频率和所述基带频率。第二级放大器A2对交换后的信号作进一步放大。其中，第一放大器A1是折叠式放大器，第二放大器A2可以是单级放大器。

本实施例中，第一放大器A1的输出也是一对差分信号，第二斩波开关Z2被配置为在每个时钟周期的前半周期直接输出该对差分信号而在每个时钟周期的后半周期将该对差分信号互换输出，第二斩波开关的一对输出信号表示为P2和N2。

所述采样保持电路124用于从所述差分信号P2和N2中采集出每个信号在不同的时钟半周期，即前后两个半周期的信号输出值并输出至所述滤波电路125，其中P2在不同的时钟半周期的采样信号为P2A和P2B，N2在对应的时钟半周期的采样信号为N2A和N2B。

所述滤波电路125用于对所述P2A&P2B以及N2A&N2B信号进行消除偏差处理，并可对消除偏差后得到的差分信号进行增益放大，输出增益放大后的差分信号P3和N3至所述比较电路126。

本实施例中，所述滤波电路125为低通滤波器。参考图8所示，较佳的，滤波电路125可以包括第一滤波器F1和第二滤波器F2。第一滤波器F1对所述两对采样信号P2A、P2B以及N2A、N2B进行两两相加处理，以消除偏差信号，同时可以对信号进行增益放大；第二滤波器F2用于对第一滤波器F1输出的差分信号再次进行滤波和增益放大，输出一对差分信号P3和N3。

可以理解，在另外的实施例中，滤波电路125也可以只设置一个滤波器，此时其内部电路中的电阻值需要很大才能够保证信号获得比较大的增益。

所述比较电路126用于将所述差分信号P3和N3与参考电压进行比较，输出开关型磁场检测信号；所述磁场检测信号用于指示所述霍尔感测器121检测到的外部磁场的极性；所述比较电路126的输出端连接输出控制电路130。

图9为本实用新型实施例公开的比较电路的结构示意图，图10为本实用新型实施例公开的判断磁场极性的原理示意图，参见图9和图10所示，所述比较电路126较佳的为迟滞比较器，包括：第一比较器C1、第二比较器C2和锁存逻辑电路S；所述第一比较器C1和第二比较器C2分别连接差分信号P3、N3，以及一对差分参考电压Vh和Vl四路信号，第一比较器C1和第二比较器C2的该对差分参考电压反接。第一比较器C1用于将滤波电路输出的电压信号与一较高阈值Rh比较，第二比较器C2用于将滤波电路输出的电压信号与一较低阈值Rl比较。所述第一比较器C1和所述第二比较器C2的输出端被输入所述锁存逻辑电路S。

结合图10，锁存逻辑电路S被配置为第一比较器C1的比较结果是滤波电路输出的电压信号大于该较高阈值或外部磁场的磁场强度达到工作点Bop时使比较电路126输出高电平，表示外部磁场为一种磁极性，当第二比较器C2比较得出滤波电路输出的电压信号小于该较低阈值或外部磁场的磁场强度未达到释放点Brp时，使比较电路126输出低电平，表示外部磁场为另一种磁极性，当滤波电路输出的电压信号处于较高阈值和较低阈值低之间，或外部磁场的磁场强度在工作点Bop和释放点Brp之间时，使比较电路126的输出保持原输出状态不变。

可以理解，在另一实施例中，锁存逻辑电路S可被配置为第一比较器C1的比较结果是滤波电路输出的电压信号大于该较高阈值或外部磁场的磁场强度达到工作点Bop时使比较电路126输出输出低电平；当第二比较器C2比较得出滤波电路输出的电压信号小于该较低阈值或外部磁场的磁场强度未达到释放点Brp时，使比较电路126输出高电平；当滤波电路输出的电压信号处于较高阈值和较低阈值低之间，或外部磁场的磁场强度在工作点Bop和释放点Brp之间时，使比较电路126的输出保持原输出状态不变。

本实用新型实施例中，对所述霍尔感测器121的灵敏性要求较高，霍尔感测器121输出的实际检测信号会非常小，例如可能只有零点几毫伏，因此需要对其进行相应的放大，这就要求所述放大器123具有一个比较高的增益值，以将所述霍尔感测器121的实际检测信号尽可能放大，便于后续对其进行相应的处理。

在一个较佳实例中，磁场检测电路的供电电压约2.5V，信号处理单元的放大倍数在1000倍到2000倍之间，较佳的为1600倍，可以将以将所述霍尔感测器121输出的零点几豪伏的理想磁场电压放大至该供电电压的一半左右。信号处理单元中，放大器主要作用是信号的放大，滤波电路主要作用是消除干扰信号。滤波电路中，第一滤波器F1主要进行滤波，其增益值可以小于第二滤波器的增益值。因此，所述放大器123的增益值大于所述滤波电路的增益值，第一滤波器的增益值大于第二滤波器的增益值。在一个具体实现中，所述放大器123是增益值可以为50，所述滤波电路125的增益值可以为32左右。在一个具体实现中，第一滤波器的增益值可以为4，第二滤波器F2增益值可以为8。

本实用新型实施例中的所述放大器123中采用折叠式级联结构的放大器，这种结构可同时提供高增益和高带宽处理能力，具有很好的频率特性和摆率。

结合图11，对本实用新型实施例公开的磁场检测电路的信号处理单元的信号处理过程进行说明，图11左边示出各模块在周期时钟信号下的各差分信号输出，右边是对应的信号频域示意图。

从上面介绍到的内容可知，第一斩波开关的输出信号Vout是偏差信号Vos和理想磁场信号Vin的叠加，同时等于差分信号P1与N1的差值，差分信号P1与N1大小相等，方向相反。依据前面描述可知在时钟信号CK1的前后两个半周期，第一斩波开关输出的理想磁场电压信号大小相等，方向相反。参考图11左边图示，信号P1在时钟信号前后两个半周期分别用P1A和P1B表示，信号N1在时钟信号前后两个半周期分别用N1A和N1B表示，其输出分别为：

P1A＝(Vos+Vin)/2；P1B＝(Vos-Vin)/2

N1A＝-P1A＝-(Vos+Vin)/2；N1B＝-P1B＝-(Vos-Vin)/2

为便于理解，下面的描述中省略差分信号的系数1/2，经过第一放大器A1，第二斩波开关的输入信号为一对差分信号P1’和N1’，信号P1’在时钟信号前后两个半周期分别用P1A’和P1B’表示，信号N1’在时钟信号前后两个半周期分别用N1A’和N1B’表示，其输出分别为：

P1A’＝A(Voff+Vin)/2；P1B’＝A(Voff-Vin)/2

N1A’＝-P1A’＝-A(Voff+Vin)/2；N1B’＝-P1B’＝-A(Voff-Vin)/2

其中，A是第一放大器的放大倍数，Voff是第一放大器的输出信号中的固定偏差，等于霍尔感测器121的固定偏差Vos和第一放大器的固定偏差之和。为便于理解，下面的描述中省略差分信号的系数和放大器的放大系数。

则经过采样保持电路后：

第二斩波开关Z2被配置为在每个时钟周期的前半周期直接输出该对差分信号而在每个时钟周期的后半周期将该对差分信号互换输出，第二斩波开关的一对差分输出信号表示为P2和N2。信号P2在时钟信号前后两个半周期分别用P2A和P2B表示，信号N2在时钟信号前后两个半周期分别用N2A和N2B表示，其输出分别为：

P2A＝P1A’＝(Voff+Vin)；P2B＝N1B’＝-(Voff-Vin)

N2A＝N1A’＝-(Voff+Vin)；N2B＝P1B’＝(Voff-Vin)；

采样保持电路124对于差分信号P2和N2中每个信号，在每个时钟周期的前后两个半周期内分别采集数据并分为两路采样信号各自输出，即采样保持电路输出两对采样信号，一对是P2A和P2B，另一对是N2A和N2B。

上述经过采样得到的四路信号经过所述滤波电路，输出P3和N3；滤波电路的滤波器对采样保持电路输出的两对采样信号分别进行相加处理，其输出分别为：

P3＝P2A+P2B＝(Voff+Vin)+(-(Voff-Vin))＝2Vin

N3＝N2A+N2B＝-(Voff+Vin)+(Voff-Vin)＝-2Vin

可以看出，滤波电路的输出信号P3和N3中只有理想磁场电压信号，偏差信号已被消除。

参考图11右边图示，从频域的角度来看，经过第一斩波开关，磁感知元件输出的偏差信号和磁场信号被分离到基带频率和斩波频率，斩波频率为时钟信号的频率，如前面所述，斩波频率较佳的为几百K赫兹，基带频率与外部磁场的变化频率相等。当将本实施例的磁传感器集成电路用于同步电机控制时，外部磁场可是永磁转子磁场，其变化频率等于交流电源频率的2倍。当该同步电机由通常的50赫兹或60赫兹的市电交流电供电时，基带频率为100赫兹或120赫兹。经过第二斩波开关，经放大的偏差信号和磁场信号被交换到所述斩波频率和基带频率。由于本实用新型实施例中，斩波频率和基带频率的频域跨度非常大，要求所述放大器123在具有高增益的同时还具有高带宽处理能力，以实现对理想检测信号的增益放大。

在本实用新型的另一个实施例中，磁场检测电路输出的检测电信号包括磁场信号和偏差信号，所述信号处理单元包括用于将所述磁感知元件输出的偏差信号和磁场信号分离到基带频率和斩波频率的斩波开关、用于消除分离到所述斩波频率的偏差信号的高通滤波器、以及将所述磁场信号解调回基带频率的解调器。

输出控制电路130用于至少基于所述开关型检测信号，使所述磁传感器集成电路至少在自所述输出端口向外部流出电流的第一状态和自外部向所述输出端口流入电流的第二状态其中一个状态下运行。

在一个优选实施例中，输出控制电路130被配置为至少基于所述开关型检测信号，使所述集成电路至少在自所述输出端口向外部流出电流的第一状态和自外部向所述输出端口流入电流的第二状态间切换。

值得说明的是，本实用新型实施例中，磁传感器集成电路在第一状态和第二状态间切换运行，并不限于其中一个状态结束后立即切换为另一个状态的情形，还包括其中一个状态结束后间隔一定时间再切换为另一个状态的情形。在一个较佳的应用实例中，两个状态切换的间隔时间内磁传感器集成电路的输出端口无输出。

在上述实施例的基础上，在本实用新型的一个实施例中，所述输出控制电路130包括：第一开关和第二开关，所述第一开关与所述输出端口连接在所述第一电流通路中，所述第二开关与所述输出端口连接在与所述第一电流通路方向相反的第二电流通路中，所述第一开关和第二开关在所述磁场检测信息的控制下选择性地导通。较佳的，所述第一开关可以为三极管，所述第二开关可以为三极管或二极管，本实用新型对此并不做限定，视情况而定。

具体的，在本实用新型的一个实施例中，如图12所示，所述第一开关31和第二开关32为一对互补的半导体开关。所述第一开关31为低电平导通，所述第二开关32为高电平导通，其中，所述第一开关31与所述输出端口Pout连接在第一电流通路中，所述第二开关32与所述输出端口Pout连接在第二电流通路中，所述第一开关31和所述第二开关32两个开关的控制端均连接磁场检测电路20，第一开关31的电流输入端接较高电压(例如直流电源)，电流输出端与第二开关32的电流输入端连接，第二开关32的电流输出端接较低电压(例如地)。若所述磁场检测电路20输出的磁场检测信息是低电平，第一开关31导通，第二开关32断开，负载电流自较高电压经第一开关31和输出端口Pout向外流出，若所述磁场检测电路20输出的磁场检测信息是高电平，第二开关32导通，第一开关31断开，负载电流自外部流入输出端口Pout并流过第二开关32。图12的实例中第一开关31为正通道金属氧化物半导体场效应晶体管(P型MOSFET)，第二开关32为负通道金属氧化物半导体场效应晶体管(N型MOSFET)。可以理解的是，在其他实施例中，第一开关和第二开关也可以是其他类型的半导体开关，例如可以是结型场效应晶体管(JFET)或金属半导体场效应管(MESFET)等其他场效应晶体管。

在本实用新型的另一个实施例中，如图13所示，所述第一开关31为高电平导通的开关管，所述第二开关32为单向导通二极管，第一开关31的控制端和第二开关32的阴极连接磁场检测电路20。第一开关31的电流输入端连接整流电路的输出，第一开关31的电流输出端和第二开关32的阳极与输出端口Pout均连接。其中，所述第一开关31与所述输出端口Pout连接在第一电流通路中，所述输出端口Pout、所述第二开关32与所述磁场检测电路20连接在第二电流通路中，若所述磁场检测电路20输出的磁场检测信息是高电平，第一开关31导通，第二开关32断开，负载电流自整流电路经第一开关31和输出端口Pout向外流出，若所述磁场检测电路20输出的磁场检测信息是低电平，第二开关32导通，第一开关31断开，负载电流自外部流入输出端口Pout并流过第二开关32。可以理解，在本实用新型的其他实施例中，所述第一开关31和所述第二开关32还可以为其他结构，本实用新型对此并不做限定，具体视情况而定。

在本实用新型的另一个实施例中，所述输出控制电路30包括连接于所述磁场检测电路与所述输出端口之间的开关，所述磁场检测电路输出的磁场检测信息控制所述开关，使得电流自所述输出端口向外流出或自所述输出端口向内流入。

作为一种具体实现，如图14所示，所述输出控制电路30包括一单向导通开关33，单向导通开关33与输出端口Pout连接在第一电流通路中，其电流输入端可连接磁场检测电路20的输出端，磁场检测电路20的输出端还可经电阻R1与输出端口Pout连接在与所述第一电流通路方向相反的第二电流通路中。单向导通开关33在磁场感应信号为高电平时导通，负载电流经单向导通开关33和输出端口Pout向外流出，所述磁场感应信号为低电平时单向导通开关33断开，负载电流自外部流入输出端口Pout并流经电阻R1和磁场检测电路20。作为一种替代，所述第二电流通路中的电阻R1也可以替换为与单向导通开关33反向并联的单向导通开关。这样，自输出端口流出的负载电流和流入的负载电流较为平衡。

在另一种具体实现中，如图14A所示，所述输出控制电路30包括反向串联于磁场检测电路20的输出端和输出端口Pout之间的二极管D1和D2、与串联的二极管D1和D2并联的电阻R1、以及连接于二极管D1和D2的公共端与电源Vcc之间的电阻R2，其中，二极管D1的阴极与磁场检测电路20的输出端连接。二极管D1由磁场检测信息控制。在磁场检测信息为高电平时二极管D1截止，负载电流经电阻R2和二极管D2自输出端口Pout向外流出，所述磁场检测信息为低电平时，负载电流自外部流入输出端口Pout并流经电阻R1和磁场检测电路20。

本实用新型实施例的磁传感器集成电路中，采用折叠式级联结构的放大器，能够将很小的输入信号放大到足够的增益倍数，并具有高带宽特性，能够准确处理频域跨度很大的信号，具有非常好的频率特性和摆率，能够保证整个磁场检测电路最终输出结果的准确性和可靠性，进而保证了磁传感器集成电路磁场极性判断结果及相关控制输出信号的准确性。

下面结合一具体应用，对本实用新型实施例所提供的磁传感器集成电路进行描述。

如图15所示，本实用新型实施例还提供了一种电机组件，所述电机组件包括：由一交流电源100供电的电机200、与所述电机200串联的双向导通开关300、以及依据本实用新型上述任一实施例所提供的磁传感器集成电路400，所述磁传感器集成电路400的输出端口与所述双向导通开关300的控制端电连接。优选的，双向导通开关300可以是三端双向可控硅开关(TRIAC)。可以理解，双向导通开关也可由其他类型的合适的开关实现，例如可以包括反向并联的两个硅控整流器，并设置相应的控制电路，依据磁传感器集成电路的输出端口的输出信号经所述控制电路按照预定方式控制这两个硅控整流器。

优选的，所述电机组件还包括降压电路500，用于将所述交流电源100降压后提供给所述磁传感器集成电路400。磁传感器集成电路400靠近电机200的转子安装以感知转子的磁场变化。

在上述实施例的基础上，在本实用新型的一个具体实施例中，所述电机为同步电机，可以理解，本实用新型的磁传感器集成电路不仅适用于同步电机，也适用于其他类型的永磁电机如直流无刷电机。如图16所示，所述同步电机包括定子和可相对定子旋转的转子11。定子具有定子铁心12及绕设于定子铁心12上的定子绕组16。定子铁心12可由纯铁、铸铁、铸钢、电工钢、硅钢等软磁材料制成。转子11具有永磁铁，定子绕组16与交流电源串联时转子11在稳态阶段以60f/p圈/分钟的转速恒速运行，其中f是所述交流电源的频率，p是转子的极对数。本实施例中，定子铁心12具有两相对的极部14。每一极部具有极弧面15，转子11的外表面与极弧面15相对，两者之间形成基本均匀气隙。本申请所称基本均匀的气隙，是指定子与转子之间大部分形成均匀气隙，只有较少部分为非均匀气隙。优选的，定子极部的极弧面15上设内凹的起动槽17，极弧面15上除起动槽17以外的部分则与转子同心。上述配置可形成不均匀磁场，保证转子在静止时其极轴S1相对于定子极部的中心轴S2倾斜一个角度，允许电机在集成电路的作用下每次通电时转子可以具有起动转矩。其中转子的极轴S1指转子两个极性不同的磁极之间的分界线，定子极部14的中心轴S2指经过定子两个极部14中心的连线。本实施例中，定子和转子均具有两个磁极。可以理解的，在更多实施例中，定子和转子的磁极数也可以不相等，且具有更多磁极，例如四个、六个等。

在上述实施例的基础上，在本实用新型的一个实施例中，所述输出控制电路30被配置为在所述交流电源100为正半周期且所述磁场检测电路20检测所述永磁转子的磁场为第一极性、或者所述交流电源100为负半周期且所述磁场检测电路20检测所述永磁转子的磁场为与所述第一极性相反的第二极性时，使所述双向导通开关300导通。当所述交流电源100为负半周期且永磁转子为所述第一极性，或者所述交流电源100为正半周期且所述永磁转子为第二极性时,使所述双向导通开关300截止。

优选的，所述输出控制电路30被配置为在所述交流电源100输出的信号位于正半周期且所述磁场检测电路20检测所述永磁转子的磁场为第一极性时，控制电流由所述集成电路流向所述双向导通开关300，并在所述交流电源100输出的信号位于负半周期且所述磁场检测电路20检测所述永磁转子的磁场为与所述第一极性相反的第二极性时，控制电流由所述双向导通开关300流向所述集成电路。可以理解，永磁转子为第一磁极性且交流电源为正半周期，或者永磁转子为第二磁极性且交流电源为负半周期时，所述集成电路流出或流入电流既包括上述两种情况整个持续时间段内都有电流流过的情形，也包括上述两种情况下仅部分时间段内有电流流过的情形。

本实用新型一个较佳实施例中，双向导通开关300采用三端双向可控硅开关(TRIAC)，整流电路60采用图5所示的电路，输出控制电路采用图12所示的电路，输出控制电路30中第一开关31的电流输入端连接全波整流桥61的电压输出端，第二开关32的电流输出端连接全波整流桥61的接地输出端。当交流电源100输出的信号位于正半周期且所述磁场检测电路20输出低电平时，输出控制电路30中第一开关31导通而第二开关32断开，电流依次流过交流电源100、电机200、集成电路400的第一输入端子、降压电路(图中未示出)、全波整流桥61的第二二极管612输出端、输出控制电路30的第一开关31，自输出端口流向双向导通开关300回到交流电源100。TRIAC300导通后，降压电路500和磁传感器集成电路400形成的串联支路被短路，磁传感器集成电路400因无供电电压而停止输出，而TRIAC300由于流过其两个阳极之间的电流足够大(高于其维持电流)，在控制极与其第一阳极间无驱动电流的情况下，TRIAC300仍保持导通。当交流电源100输出的信号位于负半周期且所述磁场检测电路20输出高电平时，输出控制电路30中第一开关31断开而第二开关32导通，电流从交流电源100流出，自双向导通开关300流入输出端口，经输出控制电路30的第二开关32、全波整流桥61的接地输出端和第一二极管611、集成电路400的第一输入端子、电机200回到交流电源100。同样的，TRIAC300导通后，磁传感器集成电路400因被短路而停止输出短路，TRIAC300则可保持导通。当交流电源100输出的信号位于正半周期且所述磁场检测电路20输出高电平，或者交流电源100输出的信号位于负半周期且所述磁场检测电路20输出低电平，输出控制电路30中第一开关31和第二开关32均不能导通,TRIAC300截止。由此，所述输出控制电路30可基于交流电源100的极性变化和磁场检测信息，使所述集成电路控制双向导通开关300以预定方式在导通与截止状态之间切换，进而控制定子绕组16的通电方式，使定子产生的变化磁场配合转子的磁场位置，只沿单个方向拖动转子旋转，从而保证电机每次通电时转子具有固定的旋转方向。

本实用新型实施例中，磁场检测信号为开关型检测信号，在电机的稳态阶段，所述开关型检测信号的开关切换频率等于所述交流电源的频率的两倍。

在本实用新型另一个实施例的电机组件中，电机可以与双向导通开关串联于外部交流电源两端之间，电机与双向导通开关串联形成的第一串联支路与降压电路和磁传感器集成电路形成的第二串联支路并联。磁传感器集成电路的输出端口与双向导通开关连接，控制双向导通开关以预定方式在导通与截止状态之间切换，进而控制定子绕组的通电方式。

本实用新型实施例中的电机组件可以用于但不限于泵、风扇、家用电器、车輌等设备中，所述家用电器例如可以是洗衣机、洗碗机、抽油烟机、排气扇等。

可以理解，前面只是结合一种可能的应用对本实用新型的磁传感器集成电路做出的描述，本实用新型的磁传感器并不仅限于上述应用，例如，不仅用于电机驱动，还可用于其他具有磁场检测的应用。

本实施例中，所述磁传感器内部的信号处理单元具有折叠式级联放大器，能够将很小的输入信号放大到足够的增益倍数，并具有高带宽特性，能够准确处理频域跨度很大的信号，具有非常好的频率特性和摆率，能够保证整个磁传感器集成电路最终输出结果的准确性和可靠性，进而保证了磁场极性判断结果的准确性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (20)

1.一种磁传感器集成电路，其特征在于，包括用于连接外部电源的输入端口、磁场检测电路、输出端口和输出控制电路；

所述磁场检测电路包括用于感知外部磁场并输出检测电信号的磁感知元件、用于对所述检测电信号进行放大去干扰处理的信号处理单元以及用于将经过所述信号处理单元处理的检测电信号转换为磁场检测信号的转换单元；其中，所述信号处理单元中具有折叠式级联放大器；

所述输出控制电路用于至少基于所述磁场检测信号，使所述磁传感器集成电路至少在自所述输出端口向外部流出电流的第一状态和自外部向所述输出端口流入电流的第二状态其中一个状态下运行。

2.根据权利要求1所述的磁传感器集成电路，其特征在于，所述检测电信号包括磁场信号和偏差信号，所述信号处理单元包括：

用于将所述磁感知元件输出的偏差信号和磁场信号分离到基带频率和斩波频率的第一斩波开关；

用于对经分离的偏差信号和磁场信号进行放大并将经放大的偏差信号和磁场信号交换到所述斩波频率和所述基带频率的斩波型放大器；以及

用于消除交换到所述斩波频率的偏差信号的低通滤波电路。

3.根据权利要求2所述的磁传感器集成电路，其特征在于，所述斩波频率大于100K赫兹和/或所述基带频率小于200赫兹。

4.根据权利要求2所述的磁传感器集成电路，其特征在于，所述斩波型放大器包括依次连接的第一放大器和第二斩波开关；其中，

所述第一放大器包括折叠式级联放大器，用于对第一斩波开关输出的偏差信号和磁场信号进行第一级放大；

所述第二斩波开关用于将经所述第一放大器进行第一级放大的偏差信号和磁场信号交换到所述斩波频率和基带频率。

5.根据权利要求4所述的磁传感器集成电路，其特征在于，所述信号处理单元还包括连接于所述斩波型放大器和所述低通滤波器之间的第二放大器，所述第二放大器用于对经过交换的偏差信号和磁场信号进行第二级放大。

6.根据权利要求4所述的磁传感器集成电路，其特征在于，所述第一放大器输出一对差分信号，所述第二斩波开关被配置为在每个时钟周期的后半周期将该对差分信号互换输出。

7.根据权利要求4所述的磁传感器集成电路，其特征在于，所述信号处理单元还包括：

连接在所述第二斩波开关和所述低通滤波器之间的采样保持电路，所述采样保持电路用于对经交换后的差分信号中的每个信号，在每个时钟周期的前后两个半周期内分别采集数据并分为两路采样信号各自输出。

8.根据权利要求7所述的磁传感器集成电路，其特征在于，所述低通滤波电路包括第一滤波器，所述第一滤波器用于对所述采样保持电路输出的两对采样信号分别进行相加处理，消除偏差信号。

9.根据权利要求8所述的磁传感器集成电路，其特征在于，所述低通滤波电路还包括第二滤波器，所述第二滤波器用于对所述第一滤波器输出的差分信号进行滤波放大。

10.根据权利要求1所述的磁传感器集成电路，其特征在于，所述输出控制电路包括第一开关和第二开关，所述第一开关与所述输出端口连接在第一电流通路中，所述第二开关与所述输出端口连接在与所述第一电流通路方向相反的第二电流通路中，所述第一开关和第二开关在所述开关型检测信号的控制下选择性地导通。

11.根据权利要求10所述的磁传感器集成电路，其特征在于，所述输出控制电路具有自所述输出引脚向外流出电流的第一电流通路、自所述输出引脚向内流入电流的第二电流通路、以及连接在所述第一电流通路和第二电流通路其中一个通路中的开关，所述开关由所述磁场检测电路输出的磁场检测信息控制，使得第一电流通路和第二电流通路选择性导通。

12.根据权利要求1所述的磁传感器集成电路，其特征在于，所述磁场检测信号为开关型检测信号，所述输入端口用于连接外部交流电源，所述开关型检测信号的开关切换频率与所述交流电源的频率成比例或等于所述交流电源的频率的两倍。

13.一种磁传感器集成电路，其特征在于，包括用于连接外部电源的输入端口、输出端口及磁场检测电路，所述磁场检测电路包括用于感知外部磁场并输出检测电信号的磁感知元件、用于对所述检测电信号进行放大去干扰处理的信号处理单元以及用于将经过所述信号处理单元处理的检测电信号转换为磁场检测信号的转换单元；其中，所述信号处理单元中具有折叠式级联放大器。

14.根据权利要求13所述的磁传感器集成电路，其特征在于，所述信号处理单元具有权利要求2-9任一项中所述信号处理单元的特征。

15.根据权利要求13所述的磁传感器集成电路，其特征在于，所述磁传感器还包括与所述输入端口连接的整流电路，所述磁场检测电路由所述整流电路的输出电压供电。

16.根据权利要求15所述的磁传感器集成电路，其特征在于，所述磁场检测信号经所述输出端口向外输出。

17.根据权利要求13所述的磁传感器集成电路，其特征在于，所述检测电信号包括磁场信号和偏差信号，所述信号处理单元包括：

用于将所述磁感知元件输出的偏差信号和磁场信号分离到基带频率和斩波频率的斩波开关；

用于消除分离到所述基带频率的偏差信号的高通滤波器；以及

将所述磁场信号解调回基带频率的解调器。

18.一种电机组件，其特征在于，包括电机和电机驱动电路，所述电机驱动电路具有如权利要求1至17任一所述的磁传感器集成电路。

19.一种具有如权利要求18所述电机组件的应用设备。

20.如权利要求19所述的应用设备，其特征在于，所述应用设备为泵、风扇、家用电器或者车辆。