Hall-Sensor zielt auf sicherheitskritische Automobilsysteme ab

Ein Hall-Effekt-Sensor variiert seine Ausgangsspannung als Reaktion auf ein Magnetfeld. Hall-Effekt-Geräte werden als Näherungssensoren und zur Positions-, Geschwindigkeits- und Stromerfassung verwendet. Ein Hall-Effekt-Sensor ist eine langlebige Lösung, da es keine mechanischen Teile gibt, die sich im Laufe der Zeit abnutzen könnten.

Melexis hat den ASIL-fähigen Linear-Hall-Sensor-IC MLX91377 angekündigt. Das Gerät ist für den Einsatz in sicherheitskritischen Fahrzeugsystemen wie der elektrischen Servolenkung (EPAS) vorgesehen. Entwickelt als Safety Element Out of Context (SEooC), entspricht der MLX91377 dem ISO 26262-Standard und ist nach AEC Q-100 Grade 0 qualifiziert.

Hall-Effekt-Sensoren

Der Hall-Effekt ist die messbare Spannung durch einen Leiter (oder Halbleiter), wenn ein durch ihn fließender elektrischer Strom von einem Magnetfeld beeinflusst wird. Unter diesen Bedingungen wird aufgrund des Ausgleichs der Lorentz- (elektromagnetischen) und elektrischen Kräfte senkrecht zum angelegten Strom eine Querspannung erzeugt.

Die Konstruktion eines Hall-Effekt-Erkennungsgeräts erfordert ein magnetisches System, das in der Lage ist, auf den über eine elektronische Eingangsschnittstelle erkannten physikalischen Parameter zu reagieren. Der Hall-Effekt-Sensor erkennt das Magnetfeld und erzeugt ein analoges oder digitales Signal, das entsprechend den Anforderungen der Elektronik geeignet in einen Standard umgewandelt wird.

Da sie dadurch berührungslos arbeiten, finden Hall-Sensoren daher ein breites Anwendungsspektrum:Sie werden beispielsweise als Näherungs-, Positions- und Geschwindigkeitssensoren eingesetzt.

Hallsensoren arbeiten in ihrer einfachsten Form als analoge Wandler, die eine Spannung zurückgeben; in einem bekannten Magnetfeld ist es daher möglich, den Abstand zur Hall-Platte zu messen. Häufig findet man auch Hall-Sensoren in Kombination mit Schaltungen, die es dem Gerät ermöglichen, digital – Ein/Aus – und damit als Schalter zu agieren. Eine weitere typische Anwendung von Hall-Sensoren ist die Messung der Drehzahl von Wellen und Rädern, beispielsweise in Tachometern, Zündanlagen von Verbrennungsmotoren oder Antiblockiersystemen.

Automobilanwendungen sind einer Vielzahl von Betriebsbedingungen ausgesetzt, die von sehr kalt (-40 °C) bis sehr heiß (160 °C) reichen. Außerdem sind sie hohen Vibrationen und möglicher Verschmutzung durch Schmutz, Staub, Flüssigkeiten etc. ausgesetzt. Auch unter diesen Bedingungen müssen sie über viele Jahre störungsfrei arbeiten. Ein Hallsensor muss auch in diesem breiten Bereich eine gute Leistung erbringen.

Melexis-Lösung

Mit einer Umgebungstemperatur von bis zu 160 °C und einer Kombination aus hoher Linearität mit hervorragender thermischer Stabilität, einschließlich geringer Offset- und Empfindlichkeitsdrift, unterstützt der MLX91377 eine genaue, zuverlässige Drehmomenterfassung in EPAS-Systemen, um eine sichere Steuerung beim konventionellen und autonomen Fahren zu ermöglichen.

Der MLX91377 erfüllt eine Vielzahl von Anwendungsfällen für die kontaktlose Positionserfassung in der Automobil- und Industrieindustrie, darunter Lenkdrehmomentsensoren, Beschleunigungs-, Brems- oder Kupplungspedalsensoren, absolute Linearpositionssensoren, Schwimmer-Level-Sensoren, berührungslose Potentiometer, Kleinwinkel-Positionssensoren und kleine Hubpositionssensoren.

„Der MLX91377 bietet eine verbesserte Leistung auf der ganzen Linie, um sehr anspruchsvolle sicherheitskritische Anwendungen wie die Drehmomentmessung in der Automobilindustrie zu ermöglichen. Derzeit ist kein Entwicklungsboard verfügbar, aber das MLX91377 wird vom Standard-Programmiertool von Melexis, dem PTC-04, unterstützt“, sagte Nick Czarnecki, Global Marketing Manager, Position and Speed ​​Sensors, bei Melexis.

Abbildung 1:MLX91377-Blockdiagramm

Der programmierbare Messbereich und die Mehrpunktkalibrierung verbessern die Flexibilität für Entwickler, und die Vielfalt der Ausgabeprotokolle ermöglicht die Verwendung einer einzigen integrierten Schaltung in mehreren Anwendungen, wodurch der Aufwand für die Neuqualifizierung und die Kosten reduziert werden. Das Short PWM Code (SPC)-Protokoll ermöglicht die Durchführung und Übertragung von Messungen, nachdem ein Triggerimpuls erkannt wurde. Dadurch können bis zu vier MLX91377-Sensoren mit bis zu 2 kHz synchronisiert werden, was mehrere gleichzeitige Messungen magnetischer Parameter mit deterministischer Latenz ermöglicht, um eine hohe Genauigkeit zu gewährleisten (Abbildung 1).

„Je nach Ausgangstyp könnte der MLX91377 vom Protokoll getriggert oder intern getriggert werden. Der MLX91377 bietet beide Methoden. Bei Verwendung des SPC-Protokolls wartet der MLX91377, bis ein Triggerimpuls vom steuernden Mikrocontroller empfangen wird“, sagte  Nick Czarnecki.

Er fuhr fort:„Wenn der Impuls erkannt wird, erfasst der Sensor schnell die magnetischen Daten, digitalisiert sie und kompensiert Offset- und Empfindlichkeitsfehler, linearisiert sie gemäß einer programmierbaren Lookup-Tabelle und überträgt sie dann in einem digitalen Format gemäß der SENT-Format. Beim Betrieb im analogen Ausgabemodus erfasst der MLX91377 selbstständig die Daten, führt die gleiche Kompensation wie im SPC-Modus durch und gibt den Wert dann über eine analoge ratiometrische Spannung zum Lesen durch den Systemmikrocontroller aus. Beide Schnittstellen werden häufig in der Automobilindustrie verwendet, wobei SPC neuer ist und im Allgemeinen für Multi-IC-Konfigurationen bevorzugt wird. Die triggerbare Natur von SPC ermöglicht es allen Sensoren, das Magnetfeld gleichzeitig zu erfassen, wodurch die Zeitverzögerung zwischen den Messungen zwischen den ICs minimiert wird. Die Zeit bis zum Empfang der Antwort hängt von der Protokollkonfiguration ab, beträgt jedoch typischerweise <500us und ist für den Analogausgang erheblich niedriger.“

Abbildung 2:SPC-Timing-Darstellung im 1,5-μs-Tickzeitmodus und H.2-Format

Im SPC-Modus startet der MLX91377 die Datenerfassung, sobald der Triggerimpuls empfangen wurde, unabhängig vom konfigurierten Modus. Es sendet die erfassten Daten im selben SENT-Frame. Diese Funktion ist für jede Tickzeit größer oder gleich 1,5 μs verfügbar (Abbildung 2 und 3).

Abbildung 3:SPC-Standard-Master-Slave-Konfiguration

Der MLX91377 unterstützt den funktionalen Sicherheitslevel ASIL-C im Digitalmodus (SENT oder SPC) und ASIL-B im Analogmodus, bietet ein hohes Maß an Diagnose auf Chipebene und ist in der Lage, interne Fehler zu erkennen und sich selbst in einen sicheren Zustand zu versetzen verhindern unerwünschtes Fahrzeugverhalten.

Die nächsten Herausforderungen werden zunehmend eine Betriebsumgebung mit immer kritischeren Betriebstemperaturen sein. Ebenso wird die Störfestigkeit gegenüber Streufeldern mit zunehmender Elektrifizierung von Fahrzeugen immer weiter verbreitet, ebenso wie die Anforderungen an die funktionale Sicherheit.

>> Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht am unsere Schwesterseite Power Electronics News.