英飛凌科技在TLE 4921-3U上整合了兩個霍爾感測器、一個差分放大器以及評估電路，該元件只評估場強差異值，而不是絕對的場強值，這意味著溫度漂移、製造容差和磁場環境等因素對測量結果的影響可以降到最低。如果採用一個帶外部電容器的高帶通濾波器對測量訊號進行動態處理，將可進一步減少干擾影響。
該元件目的是在惡劣的汽車環境中應用。一個小的永久偏磁體需要用來感應各種形狀的鐵磁齒輪，正確的切換能確保檢測出輪齒和齒隙之間的最小場強差異。對於一個470nF的濾波電容器來說，典型的較低切換頻率大約為10Hz。TLE 4921-3U元件的封裝厚度為1mm，只有四個接腳。
功能設計
當該霍爾元件處在任何極性的?琠w磁場中時，其上的兩個霍爾感測器將產生同樣的輸出訊號。無論該磁場的絕對強度有多大，它們之間的差值總為零。然而，由於一個單元針對磁場集中的輪齒，另一個單元則針對一個齒隙，如果兩個霍爾單元之間存在磁場梯度，那麼將產生一個差值訊號，並在晶片上放大。實際上，這個差值體現了一個小偏移，它可由相應整合的控制機制來修正。這種動態差分原理使感測器表面與齒輪之間存在較大氣隙的條件下能保持高靈敏度。
如圖1所示，一個施密特觸發器用來對該訊號進行數位化，一個開集電極輸出電路提供輸出訊號。晶片上還整合了過壓保護、反極性保護和抗電磁干擾功能，因而可以應用在汽車中常見的惡劣環境。
工作方法
對於差值訊號的產生和評估，這?堨i以一個感應鐵磁齒輪這樣的典型應用來解釋。安裝在元件背面任何一端的一個永久磁體產生一個?琠w的偏置磁場，元件內的兩個霍爾感測器相隔2.5mm。如果一個感測器暫時面對一個輪齒而另一個面對齒隙，那麼該輪齒將作為一個磁通量聚集器，它透過該霍爾感測器增加了磁通密度，由此產生一個差分訊號。隨著齒輪的轉動，該差分訊號的極性將改變，改變的速度同輪齒與齒隙之間變換的速度一樣。
當過零點直接出現在該輪齒或齒隙的中心時，該輪齒的邊緣就會產生最大的差值。當該差值超過上限閾值時，TLE 4921-3U的輸出電晶體將切斷。這就是圖2中靠近接腳4的霍爾感測器2感應到該輪齒的情況。隨著差值降到下限閾值，電晶體打開，這就是靠近接腳1的霍爾感測器1感應到輪齒。
其上整合的高通濾波器利用一個時間常數來調節該差值訊號到零，該時間常數可由一個外部電容器來設定。這種方式只對那些以最低速率變化的差值進行評估(最低速率取決於電容器值)。輸出訊號在穩態下沒有限定，它所達到的精密度將允許存在小的切換磁滯和較大氣隙(最大3.5mm)。
齒輪、感應距離和角精密度
一個齒輪可由其類比數位來表徵：m=d/z。其中d是齒徑，z是輪齒數量。輪齒到輪齒的距離為T，齒距的運算公式為T=π×m。
當一個霍爾感測器面對一個輪齒而另一個霍爾感測器面對一個齒隙時，感應到的差值最大。該元件內兩個霍爾感測器的間隔為2.5mm，在類比數位為1，對應的齒距為3.14mm的條件下，該元件都可以感應到差值。如果該類比數位大於3或者齒輪不規則，將可能在一段較長時間內檢測不到足夠的差值，這意味著輸出訊號將不確定。
感測器和齒輪之間允許的最大距離是溫度、類比數位、磁體和速度的一個函數，速度可以用每次輪齒/齒隙轉變時在輸出端出現一個脈衝來表徵。
如果減少距離，將產生較大的有用訊號。因此，切換精密度可以隨感測器低/高轉變次數的增加而增加，這種低/高轉變可以代表齒輪的一個旋轉角度。
濾波器電容器
濾波器電容器在該霍爾元件的修正功能中起重要作用。如果一個應用需要工作在100攝氏度以上的溫度條件下，建議採用陶瓷電容器(X7R)。濾波電容器接腳和GND接腳之間的連接線要盡可能短。在濾波電容器接腳處的漏電流將引起切換閾值的漂移以及誤切換。切換閾值的漂移可以按下式運算：
其中IL、SC和RC分別是漏電流、對ΔB的濾波器靈敏度和濾波器輸入阻抗，這些參數在數據手冊中都已給出。要特別注意選用高DC阻抗的電容器，同時要注意其封裝。漏電流可能出現在該連接之間的印刷電路板上，或者出現在一個有缺陷的電容器中，而且漏電流有可能是感測器功能失效的一個原因。
抑制供纜線路瞬態干擾
圖3所示為採用TLE 4921-3U的測量電路。濾波電容器CF(470nF)直接連到接腳4，另外在供纜線路上加一個旁路電容器(CS=4.7nF)，並採用一個300Ω的串聯電阻(測試脈衝5採用400Ω電阻)。某些應用不允許這樣高的串聯電阻，因為會引起供電電壓下降。如果採用50到150Ω的較小串聯電阻，那麼幾乎不會對下面的結果產生影響，僅對脈衝5會有些影響。由於其長達400ms的持續時間，這種所謂的負載突降(load-dump)脈衝會使TLE 4921-3U元件產生很高的功耗。如果沒有一個足夠大的串聯電阻，該元件也許會損壞。因此，最小的電阻必須適應有關應用的負載突降需求，反之亦然。另一種可供選擇的方法是在供纜線路上加一個抑制二極體，這樣就不必採用大串聯電阻。
輻射干擾
這個測試在一個TEM單元內進行，安裝有霍爾感測器的印刷電路板進行了最佳化。從測量結果可以看出在整個頻率範圍內，在高達160V/m的磁場內TLE 4921-3U的工作不受到影響。
為最佳化TLE 4921-3U的EMI性能，首先要考慮印刷電路板的佈局。下面的推薦依據的是內部測試該元件時獲得的EMI測量結果。
元件參數值
CF=470nF 高通濾波電容器
CS=4.7nF 可選的高頻旁路電容器
R P =0~330Ω 與CP形成電源線上的低通濾波器
CP=4.7nF 防止電導耦合和快速干擾脈衝
R q =33Ω 與Cq用來平滑訊號的下降沿
Cq=4.7nF
RL=330Ω 負載電阻
以下是降低輻射干擾的最佳化措施：
1．接地(GND)：電路板上的基準點是霍爾元件的GND接腳。為了避免傳導干擾，到GND接腳的所有連線應該形成星形連接，否則抗干擾電磁的性能將會下降。
2．濾波電容器的連接：濾波電容器CF和GND接腳之間的連線要盡可能短(最理想的情況是CF的位置緊靠該霍爾元件)，而且要考慮到上面所提的到GND接腳的星形連接結構。否則，建議在CF和TLE 4921-3U之間採用第二個較小的電容器(例如82nF)，其目的是縮短在CF和各對應接腳之間的連線。這個措施僅適用於該霍爾元件附近只有很少可用空間的情況。
3．接地屏蔽：建議將該濾波電容器的GND連線延伸出去，作為該電容器到C接腳連接的一個接地屏蔽。
4．附加的RF旁路：RF旁路電容器CS能夠進一步提高抗電磁干擾性能。
上面列舉的最佳化步驟的效果(其重要性依次下降)會根據系統的具體特徵(感測器、電纜和控制單元)而變化，並不是所有這些措施都需要採用，要根據具體的應用要求來定。
探測旋轉速度
輪齒感測器的輸出訊號是矩形波，開關狀態的每次改變代表從輪齒到齒隙的一次變換。對於矩形輪齒(例如類比數位2)和1到2mm的感應距離來說，訊號的佔空比幾乎為1:1。速度資訊的形式取決於具體的應用，可能為數位形式，也可能為類比電壓形式。
1. 類比評估
速度控制是傳統控制工程中最常見的任務。類比控制器(比例、比例積分和比例積分微分)針對的受控變量是正比於速度的電壓。獲得這個正比於速度的電壓的第一步就是感測器輸出訊號透過一個單穩態的邊沿觸發器轉換成一個方波訊號，其‘開’時間固定，‘關’時間可變(取決於速度)。第二步是進行線性平均，採用一個轉換係數使它正比於速度。
一個運動線圈儀表特別適合於速度的類比顯示，這在較低的截止頻率(一般為10Hz)情況下它是一個理想的平均器。
2. 數位評估
如果正比於速度的電壓以數位形式產生，或者相關的系統中有一個微電腦可作為數位控制器，那麼該速度很容易運算出來。
將齒輪感測器連接到一個微控制器的計數輸入端(例如，8051單片機上計數器0的外部輸入端)，透過計數確定時間窗口(Twindow)內該感測器輸出高/低轉變的次數就可知道齒輪的旋轉速度。透過仔細確定這個時間窗口寬度，這個速度無須經過轉換就可直接產生‘每分鐘轉數(rpm)’值。例如一個具有15個輪齒的齒輪所需要的時間窗口是4秒。如果在該時間窗口內計數的脈衝是一個，這將對應1轉/分。同時，這也是可以達到的最高解析度。
然而，因為微控制器的工作頻率很高，所以設定長的時間窗口挺麻煩。如果你選擇一個較短的時間窗口，那麼該計數值必須乘一個修正係數，其比率在理想情況下和實際的窗口相配。不過，所達到的測量精密度和解析度最多只相當於這個係數。
例：
具有15個輪齒的齒輪，時間窗口是4秒。
實際的時間窗口是40毫秒，修正係數是100。
如果在這個設定的即時窗口內計數到一個脈衝，對應速度為100轉/分。
如果沒有脈衝，顯示值將為0。
由此，可以看出其測量底限可透過時間窗口的選擇來確定。
旋轉的感應檢測
1. 用邏輯電路實現
用兩個感測器就可簡單地實現旋轉感應的檢測。這些感測器應該安放在齒輪的圓周線上，以便它們的輸出訊號在相位上相差90度。這些感測器的切換順序透過一個邊沿觸發的D觸發器轉換成一個靜態的方向訊號，因為依據旋轉感應，一個感測器將比另一個感測器更早切換。
該動態齒輪感測器的輸出訊號只在速度高於最低速度時才有效，對於方向訊號也一樣。所以當一個齒輪被制動並接著開始朝反方向旋轉時，在停止點附近的輸出訊號和方向訊號並不一定正確。
2. 用軟體實現
切換序列也可由一個微控制器和軟體來實現評估。將這些感測器訊號連接到微控制器的兩個中斷輸入上，與此同時，可以用軟體監測較低的截止頻率。如果感測器訊號沒有超過該較低的截止頻率，那麼就不對它們進行評估。
作者：Ernst Katmaier
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