Microchip电感式位置传感器可以显著克服EMI问题

随着电动汽车市场发展，各种电动机和电池使用量增多，一个老问题正在逐渐凸显：杂散磁场。

这种电磁干扰 (EMI) 影响当前的位置传感器解决方案（例如霍尔效应传感器），例如磁性旋转变压器和线性可变差动变压器 (LVDT) 。而感应式位置传感器则较少的受EMI影响，可以提供高精度位置感测。

磁场并不是一种未知的人工产物，甚至不是半导体和电子世界中新发现的要素。它们是半导体整体功能的一部分，并在每个芯片的设计中得到考虑。

(资料图片仅供参考)

电机和电池对 EMI 产生有何影响

当无刷直流（BLDC）电机、永磁同步电机（PMSM）、电机电流或大电池电流靠近电子模块和传感器时，杂散磁场会产生干扰，甚至可能引发关键应用的安全故障。

BLDC 和 PMSM 电机是电动和混合动力两轮和四轮车辆中最常用的驱动电机。 它们在转子上使用非常强的磁铁，当电流从电机控制器流出并施加到定子以激活电磁体时，它们就会起作用。电机中使用的磁铁和电流都会向周围区域发射 EMI。

其他 BLDC 电机存在于车辆的许多区域，包括制动和转向电机。另外一个造成杂散磁场存在的因素是电池，也就是大电流充放电时所带来的电磁场。

霍尔效应传感器：一种流行但脆弱的解决方案

位置传感是许多电子设备设计的关键部分，包括车辆内各种应用中的电子设备，例如脚踏板、油门控制、制动定位、变速箱跟踪、信息娱乐旋钮、换档、转向传感器等。 历史上，磁性旋转变压器、线性可变差动变压器 (LVDT) 传感器和霍尔效应传感器一直被用作位置感测的主要方法。

霍尔效应传感器是应用最广泛的解决方案之一，旨在确定磁场的强度和方向，从而能够确定靠近传感器放置的磁体或电磁体的位置。该设备的传感部分是一块薄硅，当暴露在磁场中时，会将电子和空穴推向硅的相对边缘。这会产生一个非常小的电压电位，称为霍尔效应，并且需要强磁场来产生传感环境。

当存在EMI时，霍尔效应传感器面临着扭曲、过早或错误的磁体检测的危险，并且可能面临永久性损坏的风险。为了降低 EMI 引起的故障风险，使用吸磁金属来屏蔽传感器免受杂散磁场的影响，但这会增加解决方案的尺寸和成本。

电感式位置传感器：高 EMI 环境中的游戏规则改变者

在充满 EMI 的应用中，一种日益流行的降低风险、成本和尺寸的解决方案是电感式位置传感器。 这些传感器不是磁性的，也不需要使用磁铁或磁性金属，但顾名思义，它们是基于电感器的解决方案。

电感式位置传感器提供精确的位置测量，不受杂散磁场的影响，并且不需要外部磁性设备。

通过传感器主体（带有嵌入式金属迹线绕组的薄 PCB）的设计，实现了 EMI 的无源抑制。 当称为目标的导电金属片经过传感器时，PCB 上的初级线圈（类似于变压器上的初级线圈）发出的磁场会受到干扰和目标所在位置的磁场降至零。

PCB 中还嵌入了两个接收线圈（变压器的次级），用于检测磁场干扰引起的不同电压。 由此产生的信息在 IC 上进行处理，将基于位置的输出值返回给系统。 这些器件的设计内置了干扰抑制系统。

电感式位置传感器中的噪声过滤

有源和无源噪声过滤是许多电感式位置传感器设计中实现的一些关键功能。

杂散磁场的主动抑制是通过同步解调和带宽滤波器实现的。结合这些技术可以测量特定信号，同时忽略来自环境的其他侵入性噪声。发射器和接收器源自同一系统，因此我们可以计算两个信号之间的精确相位并主动抑制磁场噪声。

无源滤波由电压检测线圈启用。在这些线圈上检测到的干扰可用于根据正弦和余弦的比率计算精确位置。由于使用来自接收线圈的信号进行比率度量计算，有效气隙范围之外的金属不会记录在传感电路中。实施这些噪声抑制方法可提供高度准确的位置检测，不受杂散磁场的影响，同时无需笨重且昂贵的磁铁或 EMI 屏蔽。

电磁干扰实验

为了支持这些令人难以置信的 EMI 抗扰度的说法，Microchip Technology 的团队通过对靠近传感器的感应磁场进行感应式位置传感器的实验收集了证据。

在一项实验中，使用丙烯酸结构将钕磁铁放置在线性 PCB 传感器主体上方约 15 毫米处，这样目标就可以在磁铁下方自由通过。 此外，磁体可以沿着传感器主体静态或动态移动。 沿着传感器还放置了一个高斯计探头来检测磁铁的强度。

尽管探头检测到 7.2 mT (5716.9 A/m) 磁场，但当目标沿着 PB 移动时，这并不影响目标位置的精确感测。 根据 ISO11452-8 汽车标准进行的其他测试证明，这些编码器的抗扰度水平达到 IV 级，甚至超过这些水平，在 10 Hz 频率下实现 7,000 A/m (8.8 mT) 的电磁导抗扰度。

尽管磁场进入到了传感器，但感应式编码器技术始终如一地运行，不会受到干扰。 目标检测的准确度和精密度不会因同步解调和 IC 设计的工作频率而被削弱或失真。

总结

由于现代设计要求要求在保持或提高性能的同时不断缩小外形尺寸，因此电感式位置传感器成为老化磁性解决方案的绝佳升级。 同一 IC 可以使用简单的 PCB 传感器主体和小型金属目标来支持线性和旋转位置传感设计。 该解决方案不受杂散磁场的影响，同时保持非常高的精度，并且能够支持高可靠性（AEC Q100 0 级）和安全评级（ASIL D）标准。

为了推动电感式位置传感的发展，Microchip 开发了一系列此类传感器，支持多种低速和高速传感应用，包括电机控制。 这些传感器非常适合精密位置传感器设计，包括存在高水平磁干扰的传感器。

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