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汽车安全系统中霍尔传感器的使用

霍尔传感器技术在汽车工业中有着广泛的应用，包括动力、车身控制、牵引力控制以及防抱死制动系统。为了满足不同系统的需要，霍尔传感器有开关式、模拟式和数字式传感器三种形式。

霍尔传感器可以采用金属和半导体等制成，效应质量的改变取决于导体的材料，材料会直接影响流过传感器的正离子和电子。制造霍尔元件时，汽车工业通常使用三种半导体材料，即砷化镓、锑化铟以及砷化铟。最常用的半导体材料当属砷化铟。

座椅位置感应

图 1.正面和侧面防撞安全气囊需要有关座椅和乘客位置的精确数据。

乘客安全是汽车设计最关键的要素之一。因此，必须一如既往地提高安全系统的可靠性，以减少并最终防止司乘人员在遭遇事故时受到伤害。

安全系统内采用了座椅位置感应技术，以确定乘客相对于方向盘的位置，从而防止安全气囊在用力过度时意外弹出。

目前最常用的解决方案是采用双线单极霍尔效应开关，感应独立的座椅位置区域。传感器 IC 必须以数字输出的形式，将该信息发送到指示特定区域的控制器。当车辆启动时，该信息必须正确，所以传感器 IC 输出必须在无用户操作时解码。

座椅调节导轨通常采用铁类金属材料制成，它们能中断霍尔效应传感器 IC 和磁体之间的磁场。座椅调节导轨的铁类金属会通过开关和磁体之间，导致开关开启或关闭，从而将座椅位置信息发送到控制器。传感器 IC 的输出状态变化会提示控制器，座椅已进入特定区域。

根据使用的霍尔传感器 IC 的具体数量，可以有任意数量的区域，假设每个座椅调节导轨上有两个传感器 IC，可能存在四个区域。控制器会处理霍尔传感器 IC 提供的信息，以确定相对于方向盘的座椅位置。离方向盘较近区域内的座椅会提示控制器，弹出安全气囊时需要更小的外力。离方向盘最远的后部区域内的座椅位置，需要以更大的外力弹出安全气囊。控制器会为霍尔效应传感器 IC 的输出状态解码，以确定座椅所在的区域。两个传感器 IC 将提供便捷的格雷码输出，如图 2 和下表所示。

图 2.在车辆启动时，位置传感器 IC 会向控制器发送正确的座椅位置信息。乘客并不知道，汽车无需借助用户界面，就能自动执行事关生死的操作。

品类繁多的霍尔传感器 IC 可为相同的应用提供不同的解决方案。可能需要更高的分辨率，以随时确定座椅的准确位置。分辨率最高的解决方案采用了线性模拟霍尔传感器 IC，它能产生与磁场强度成比例的电压输出。设计正确的话，采用线性侧滑配置的双极磁体能产生输出范围在 0 - 5 V 的电压。

霍尔效应技术是一种非常可靠和相对低廉的技术。用于自动感应的解决方案必须完全可靠。

如果需要更高的精度，可选用能编程的开关和线性器件，还能通过生产线终端测试，最大限度减小叠加误差。

使用反向偏压的霍尔传感器 IC 能检测铁类金属目标。这些传感器 IC 在一个包覆成型的组件内集成了霍尔电路和稀土球。反向偏压解决方案适用于开关和线性设计。这些组件不仅简化了生产过程，还能以包覆成型的单独封装，提供最佳的电气和磁场设计。

座椅安全带卡扣的感应

座椅安全带卡扣 (SBB) 是另一个能将霍尔效应技术应用于安全系统的领域。这种简单的可靠的双线单极开关是当今路面上的许多汽车常用的解决方案。霍尔效应器件 (HED) 的用途是确保搭扣正确锁闭，以保证在发生事故或急刹车时，安全带能将乘客固定在座位上。

与座椅位置感应类似，座椅安全带卡扣也采用叶片中断原理，进行开关操作。在此情况下，采用铁类金属材料制成的卡扣可中断磁体和霍尔效应器件之间的磁场。当磁场中断时，器件输出会开启，当卡扣移开时，器件输出会关闭。该信息会发送至控制器，然后控制器会处理该数据、座椅位置传感器 IC 发送的数据，以及其他输出数据，以确保在发生事故时能可靠地弹出安全气囊。

应用局限

由于 SBB 传感器 IC 的可用空间有限，所以很难使用印刷电路板。所以，最常见的做法是，在制作封装的过程中，将互连线焊接在 HED 引线上，以最大限度减小尺寸。但焊接引线需要专业焊接技术，这项工作通常会外包给焊接加工厂。焊接霍尔效应器件时最常出现的一个错误是，IC 位置极易产生的高温/过电流会彻底损坏打线。新焊接工艺中容易出现的另一个错误是，引线固定不牢导致在接触焊接喷嘴时，引线扭曲或拉伸。这同样会严重损坏打线。

除可用空间有限外，传感器 IC 还易受到下列因素导致的强静电释放 (ESD) 和磁场干扰的影响：

汽车内的乘客接触点，如卡扣组件的扣舌，

由于卡扣组件的铁类金属的特性，产生的磁场分流效应对传感器 IC 的影响

机械卡扣组件的宽容差，导致影响霍尔效应传感器 IC 的磁场剧烈变化。

选择正确的传感器 IC 对满足所有应用要求至关重要。

应用方案

图 3.典型的座椅安全带卡扣机械组件，它显示了与霍尔效应传感器 IC 的电气连接。

在传感器 IC 电源和传感器 IC 接地端之间焊接 0.1 µF 的旁路电容能提供瞬态/ESD 保护。在应用 PCB 时，除旁路电容外，还使用了 MOV，以防止使用底盘接地时产生的恶劣 EMC/ESD 工作条件影响传感器 IC。如果传感器 IC 能有效抗击 EMC/ESD 的影响，使用旁路电容就足够了。

需要使用足够的大的磁体，以消除卡扣组件本身产生的分流效应。钐钴和钕是座椅安全带卡扣中最常用的磁体材料。它们能产生强磁场，以补偿机械误差和应用中可能出现的较大气隙 (> 3 mm)。

机械组件的误差可能导致影响传感器 IC 的磁场强度发生剧烈变化(高达几百高斯)，所以必须描述所有工作条件的特性，以确保传感器 IC 不会进入错误工作状态。在下列条件下，霍尔效应传感器 IC 不得出现误开关：

推荐的器件

扣舌就位时的正常扣紧位置。

扣舌取出时的正常松脱位置。

扣入时，扣舌超出行程，并被就座的乘客或卡扣组件上固定的儿童座椅拉住。

扣舌以外的物体(冰棒棍、玩具等)扣入时，出现误锁闭状态，并在误锁闭条件下固定卡扣。

本文作者来自微信公众号电力电子技术与应用，作者 Christine Graham，系统工程师