【SimpleFOC】霍尔元件基础知识

霍尔传感器是一种磁传感器。用它可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔传感器以霍尔效应为其工作基础，是由霍尔元件和它的附属电路组成的集成传感器。霍尔传感器在工业生产、交通运输和日常生活中有着非常广泛的应用。

 

一、霍尔效应 霍尔元件 霍尔传感器

（一）霍尔效应

如图1所示，在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压，它们之间的关系为：

式中d 为薄片的厚度，k称为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。

上述效应称为霍尔效应，它是德国物理学家霍尔于1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。

 

（二）霍尔元件

根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。

 

（三）霍尔传感器

由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器。

霍尔传感器也称为霍尔集成电路，其外形较小，如图2所示，是其中一种型号的外形图。

 

二、霍尔传感器的分类

霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。

（一）线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。

（二）开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。

 

 

 

霍尔IC通常按输出信号类型分为数字霍尔IC和线性霍尔IC。数字霍尔IC通过外部磁场的强弱控制输出导通或关断，类似开关的作用，因此常称为开关型霍尔IC。线性霍尔IC输出为模拟信号，输出电压与外部磁场的强弱通常成线性关系。

开关型霍尔IC常又分为单极型霍尔IC（Unipolar）、锁存型霍尔IC（Latch）、双极型霍尔IC（Bipolar）、全极型霍尔IC（Omnipolar）四类。为便于说明，按通常约定，当外加磁场的南极(S极)接近霍尔IC打有标志的一面时，作用到霍尔IC上的磁场方向为正，当北极 (N极)接近标志面时，磁场为负。

单极型霍尔IC：经常被称为开关霍尔IC、霍尔开关（Hall Switch）、霍尔效应开关（Hall Effect Switch）。只对单个磁极（常为S极）有响应。如图1，大多数单极霍尔IC，当S极面向标记面，且施加的磁感应强度B超过工作点（BOP）时（即B>BOP>0），输出导通, 输出由高变低。当磁感应强度减弱低于释放点(BRP)（即0<B<BRP）或撤除（B=0）时，输出 关断, 输出由低变高。单极型霍尔IC在上电过程中如果外部磁场大于BOP，输出初始状态将 为导通。相反，如上电过程中外部磁场小于BOP，输出初始状态将为关断。上电状态可确定是单极型霍尔IC的一个重要特性。

图 1 单极型霍尔IC 输出特性图

锁存型霍尔IC：必须S极和N极交替作用于霍尔IC。如图2，大多数锁存型霍尔IC，当S极面向标记面，且施加的磁感应强度超过工作点（BOP）（即B>BOP>0）时，输出导通，输出由高变低。当磁感应强度减弱直至撤除（B=0），输出保持导通。当N极面向标记面，且施加的磁感应强度超过释放点（BRP）（即B<BRP<0）时，输出关断, 输出由低变高。锁存型霍尔IC上电过程中，如果外部磁场处于BOP和BRP之间，输出初始状态将不确定。

图 2 锁存型霍尔IC输出特性图

全极霍尔IC：是较新出现的类型，将S极和N极等同对待。一般情况下，如图3，任何一个磁极面向标记面，且施加的磁感应强度B超过工作点（BOP）(即|B|>BOP), 输出导通, 输出由高变低。当磁感应强度减弱低于释放点(BRP)（即|B|<BRP）或撤除（B=0）时，输出关断，输出由低变高。也有部分与以上输出状态相反的全极霍尔IC。全极霍尔IC这一类似干簧管的特性，在许多用于替换干簧管以提高可靠性。

图 3 全极型霍尔IC 输出特性图

双极型霍尔IC：是比较早期的一种类型，最初因半导体工艺限制，生产出较的霍尔IC灵敏度分布范围很大，一致性差。同一型号霍尔，如图4，部分是锁存型的(中间曲线)，部分是单极型的（右边曲线），部分是N极单极型的（右边曲线），是三种的混合体。往往指标只给出最大BOP(>0)和最小BRP(<0)，任何一颗双极型霍尔IC,不能确定是单极型霍尔IC、锁存型霍尔IC或负单极霍尔IC。目前，新型号中很少再有双极型霍尔IC。注意，很多用户会把双极型霍尔IC误认为（或称为）是锁存型霍尔IC，也有误认为（或称为）是全极型霍尔IC。

图4 双极型霍尔IC输出特性图

线性霍尔 IC：输出为模拟信号，输出电平在一定的范围类与外加磁场成线性关系，称为线性磁场范围。外加磁场超出线性磁场范围，将不再成线性关系，直至输出饱和，有最低输出饱和电压和最高输出饱和电压。

图 5 线性霍尔IC 输出特性图

以上是简单常用的霍尔IC，除了这些，近几年还出现了一些集成度高、功能复杂的专用霍尔IC，如差分霍尔IC(双霍尔IC)，集成ADC、DAC 和信号处理电路的旋转位置传感器、三轴位置传感器，集成了电机控制和驱动电路的无刷电机驱动芯片。此外，利用霍尔原理设计的电流传感器IC也是霍尔IC的一大类别。

随着手机、笔记本电脑、DV等便携式设备的普及，对霍尔IC的功耗提出要求，由此产生了一类新的霍尔IC—微功耗霍尔IC。它是数字霍尔 IC 按功耗单独分出的一类，其内部 采用休眠机制降低功耗，平均功耗可以达到uA极。它也可按功能分为单极型霍尔IC、锁存型霍尔IC、和全极霍尔IC三类。这类一般用于电池长期供电的系统。霍尔器件分类总结如图6。

图 6 霍尔器件分类

 

 

参考资料：

霍尔传感器介绍，非常详细！

作者：爱电子

https://zhuanlan.zhihu.com/p/1935031828282049002

 

霍尔传感器的分类及工作原理

作者：响拇指

https://zhuanlan.zhihu.com/p/360164020