微功耗A32XX系列霍尔开关
摘要：Ａ３２ｘｘ 系列霍尔开关型传感器是美国Allegro Microsystemｓ公司生产的微功耗霍尔开关芯片，文中介绍了这种霍尔开关器件的特性原理和封装形式，分析了Ａ３２ｘｘ器件的构成原理和工作特性，给出了Ａ３２ｘｘ系列器件在低功耗应用时的限制条件。
关键词：霍尔开关；微功耗；低电压；斩波调零；Ａ３２ｘｘ
１ 概述 美国Ａｌｌｅｇｒｏ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ公司生产有各种类型的磁敏感（霍尔）器件，其中Ａ３２ｘｘ系列是一组微功耗霍尔开关型传感器。该系列有Ａ３２０９、Ａ３２１０、Ａ３２１２等三种器件，它们的共同特点为工作电压和功耗极低、不依赖于磁极，即任何磁极都能使其动作（开关导通）、超敏感、数字锁存输出等。特别适用于电池供电的手持设备，如手机、传呼机、无绳电话、掌上电脑等。Ａ３２ｘｘ系列的２．５Ｖ～３．５Ｖ低工作电压和内部定时工作结构降低了器件的平均功耗。Ａ３２０９的功耗为４００μＷ、Ａ３２１０为２５μＷ、Ａ３２１２为１５μＷ。该系列中各型号产品除了平均工作电流、磁灵敏性、工作时间和休眠时间比（以下称忙闲比）有差异外，其它特性几乎一样。该产品通过斩波调零（动态消除失调）技术来改善其稳定性，从而使残余失调电压得以降低。这些失调电压通常是由器件成型过程、温度系数和热应力产生的。该产品在一个硅晶片上集成了霍尔电压产生器、小信号放大器、斩波稳零器、锁存器和ＭＯＳ-ＦＥＴ输出驱动器。先进的ＢｉＣＭＯＳ工艺使该产品具有低工作电压、极低功耗、极低失调误差和很小的几何尺寸等特点。该产品有两种封装形式，一种是三脚贴片微小型封装，后缀为“ＬＨ”，如图１(ａ)；另一种是三脚直插封装，后缀为“ＵＡ”，如图１(ｂ)。
２ 低功耗特点 Ａ３２ｘｘ系列产品内部有一个定时电路，其作用是定时激活（也称唤醒）霍尔传感器以使其工作一段时间后，再定时使传感器休眠一段时间。传感器的工作时间加上休眠时间为一个定时周期，如图２所示。传感器的工作时间对不同的器件是不一样的，Ａ３２０９、Ａ３２１０为６０μｓ?Ａ３２１２为４５μｓ。定时周期对不同的器件也是不一样的，其中Ａ３２０９为４８０μｓ、Ａ３２１０为６０ｍｓ、Ａ３２１２为 ４５ｍｓ。在短暂的唤醒时间内，传感器进行采样测量并在定时脉冲的下降沿将数据锁存。而在休眠时间内，器件的输出为最近一次采样的结果。该器件的电源电流不受输出状态的影响。
３ 动态斩波技术 霍尔器件可以被看成类似于惠斯顿电桥的一组电阻阵列，这些电阻的匹配是造成器件失调的主要因素，而器件的成型过程、热应力和温度系数则是造成电阻不匹配的最主要因素。Ａ３２ｘｘ系列产品采用动态斩波技术消除失调，并通过内部集成的高频时钟控制ＣＭＯＳ开关来动态改变流过器件的电流方向和霍尔电压测量端内部采样保持电路所捕获的霍尔电压信号，然后通过低失调的双极电路进行处理，以使得电阻不匹配所造成的残余失调电压能相互抵消。该技术使Ａ３２ｘｘ器件具有极稳定的静态霍尔输出电压，而与热应力无关。图３为该技术的工作过程示意图，其中图３（ａ）、（ｂ）为技术原理图、图３（ｃ）为电路技术结构图。
４ 工作特性 Ａ３２ｘｘ系列与一般的霍尔开关不一样，该系列无论对Ｎ极还是对Ｓ极磁场，只要垂直于器件且磁通密度达到其动作点Ｂｏｐｎ或Ｂｏｐｓ以上，都会使器件开关导通?输出为低?，此时器件可以吸收１ｍＡ的电流。只要磁通密度降低到释放点Ｂｒｐｎ或Ｂｒｐｓ以下，都会使器件开关断开?输出为高?。磁通密度动作点和释放点的差异称为器件的磁滞Ｂｈｙｓ。该磁滞特性可保证即使出现外部振动和电气噪声，器件的开关过程均无抖动。图４给出了该系列器件的输出电压与磁通密度的关系特性。还有一种磁性开关称为舌簧开关，该开关有两大特点，一是基本无功耗，二是其开关动作不依赖于磁场磁力线的方向，即只要有磁力线穿过舌簧开关，无论其方向是从左到右还是从右到左，都会使舌簧开关动作。由于舌簧开关本质上是一种机械开关，其速度、可靠性和寿命都难以与电子开关相比。而Ａ３２ｘｘ系列器件本质上是一种电子开关，它的动作（导通）不依赖于磁极性，同时极低的功耗使得该产品能够方便地取代舌簧开关且具有更高的可靠性。
Ａ３２ｘｘ系列产品的内部结构如图５所示。图中，Ｘ为霍尔传感器。电路工作时，霍尔传感器、动作失调消除电路、小信号放大器、采样保持器电路共同完成测量与稳零，而后经过放大后进行施密特整形，并在唤醒脉冲的下降沿将整形结果锁存，再经ＭＯＳ-ＦＥＴ驱动输出。定时逻辑用于实现器件的唤醒和休眠周期的控制。在休眠阶段，开关断开，此时除定时逻辑和锁存器外，其它电路均不工作，降低了功耗。
５ 应用提示 在实际使用时，建议在器件的电源端加上０．１μＦ的旁路电容，以便对外部噪声和器件内部时钟噪声进行抑制，其典型连线方式见图６所示。由于Ａ３２ｘｘ器件本身带有唤醒测量和休眠停止工作方式，因此，Ａ３２ｘｘ系列器件通常不能用于较高速度的测量。设忙／闲定时周期为Ｔ，理论上速度小于１／Ｔ的测量均可使用，实际中往往在速度小于１／２Ｔ～１／３Ｔ的场合使用。因此，Ａ３２０９适用于小于等于１ｋＨｚ速率的测量，Ａ３２１０适用于不大于８Ｈｚ速率的测量，Ａ３２１２适用于１１Ｈｚ速率的测量。表１和表２分别列出了Ａ３２ｘｘ系列器件的电气参数和磁特性参数指标，以供使用时参考。
特 性符 号测试条件范 围 最 小典 型最 大单 位 电源电压 VDD 动作过程 2.5 2.75 3.5 V 输出漏电流 IOFF VOUT=3.5、BRPN - <<1.0 1.0 μA 输出接通电压 VOUT IOUT=1mA/VDD=2.5V - 100 300 mV 唤醒时间 tawake A3209Ex、A3210Ex 30 60 90 μs A3212Ex - 45 90 μs 忙闲时间 tperiod A3212Ex 240 480 720 μs A3209Ex 30 60 90 ms A3210Ex - 45 90 ms 忙闲比 d.c A3209Ex - 12.5 - % A3210Ex - 0.1 - % A3212Ex - 0.1 - % 斩波频率 fc - 340 - kHz 电源电流（2.5V≤VDD
≤3.5V） IDD(EN)芯片唤醒 A3209Ex、A3210Ex 0.1 - 3.0 mA A3212Ex - - 2.0 mA IDD（DIS）芯片休眠 A3209Ex、A3210Ex 1.0 10 50 μA A3212Ex - - 8 μA IDD（AVG）平均电流 A3209Ex、VDD=2.75 - 145 425 μA A3210Ex、VDD=2.75 - 8.8 2.5 μA A3212Ex、VDD=2.75 - 4.2 10 μA A3209Ex、VDD=3.5V - 195 425 μA A3210Ex、VDD=3.5V - 13 60 μA A3212Ex、VDD=3.5V - 4.8 10 μA 表2 A32xx系列器件的磁特性
特 性符 号测试条件范 围 最小典型最大单位 动作点 BOPS A3209、A3210 - 30 60 G A3212 - - 55 G BOPN A3209、A3210 -60 -35 - G A3212 -55 - - G 释放点 BRPS A3209、A3210 5.0 22 - G A3212 10 - - G BRPN A3209、A3210 - -2.7 -5.0 G A3212 - - -10 G 滞后 Bhys(BOPX-BRPX) A3209、A3210 - 7.7 - G A3212 - 8 - G ImgLoad(document.getElementById("BodyLabel"));
关键词：霍尔开关；微功耗；低电压；斩波调零；Ａ３２ｘｘ
１ 概述 美国Ａｌｌｅｇｒｏ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ公司生产有各种类型的磁敏感（霍尔）器件，其中Ａ３２ｘｘ系列是一组微功耗霍尔开关型传感器。该系列有Ａ３２０９、Ａ３２１０、Ａ３２１２等三种器件，它们的共同特点为工作电压和功耗极低、不依赖于磁极，即任何磁极都能使其动作（开关导通）、超敏感、数字锁存输出等。特别适用于电池供电的手持设备，如手机、传呼机、无绳电话、掌上电脑等。Ａ３２ｘｘ系列的２．５Ｖ～３．５Ｖ低工作电压和内部定时工作结构降低了器件的平均功耗。Ａ３２０９的功耗为４００μＷ、Ａ３２１０为２５μＷ、Ａ３２１２为１５μＷ。该系列中各型号产品除了平均工作电流、磁灵敏性、工作时间和休眠时间比（以下称忙闲比）有差异外，其它特性几乎一样。该产品通过斩波调零（动态消除失调）技术来改善其稳定性，从而使残余失调电压得以降低。这些失调电压通常是由器件成型过程、温度系数和热应力产生的。该产品在一个硅晶片上集成了霍尔电压产生器、小信号放大器、斩波稳零器、锁存器和ＭＯＳ-ＦＥＴ输出驱动器。先进的ＢｉＣＭＯＳ工艺使该产品具有低工作电压、极低功耗、极低失调误差和很小的几何尺寸等特点。该产品有两种封装形式，一种是三脚贴片微小型封装，后缀为“ＬＨ”，如图１(ａ)；另一种是三脚直插封装，后缀为“ＵＡ”，如图１(ｂ)。
２ 低功耗特点 Ａ３２ｘｘ系列产品内部有一个定时电路，其作用是定时激活（也称唤醒）霍尔传感器以使其工作一段时间后，再定时使传感器休眠一段时间。传感器的工作时间加上休眠时间为一个定时周期，如图２所示。传感器的工作时间对不同的器件是不一样的，Ａ３２０９、Ａ３２１０为６０μｓ?Ａ３２１２为４５μｓ。定时周期对不同的器件也是不一样的，其中Ａ３２０９为４８０μｓ、Ａ３２１０为６０ｍｓ、Ａ３２１２为 ４５ｍｓ。在短暂的唤醒时间内，传感器进行采样测量并在定时脉冲的下降沿将数据锁存。而在休眠时间内，器件的输出为最近一次采样的结果。该器件的电源电流不受输出状态的影响。
３ 动态斩波技术 霍尔器件可以被看成类似于惠斯顿电桥的一组电阻阵列，这些电阻的匹配是造成器件失调的主要因素，而器件的成型过程、热应力和温度系数则是造成电阻不匹配的最主要因素。Ａ３２ｘｘ系列产品采用动态斩波技术消除失调，并通过内部集成的高频时钟控制ＣＭＯＳ开关来动态改变流过器件的电流方向和霍尔电压测量端内部采样保持电路所捕获的霍尔电压信号，然后通过低失调的双极电路进行处理，以使得电阻不匹配所造成的残余失调电压能相互抵消。该技术使Ａ３２ｘｘ器件具有极稳定的静态霍尔输出电压，而与热应力无关。图３为该技术的工作过程示意图，其中图３（ａ）、（ｂ）为技术原理图、图３（ｃ）为电路技术结构图。
４ 工作特性 Ａ３２ｘｘ系列与一般的霍尔开关不一样，该系列无论对Ｎ极还是对Ｓ极磁场，只要垂直于器件且磁通密度达到其动作点Ｂｏｐｎ或Ｂｏｐｓ以上，都会使器件开关导通?输出为低?，此时器件可以吸收１ｍＡ的电流。只要磁通密度降低到释放点Ｂｒｐｎ或Ｂｒｐｓ以下，都会使器件开关断开?输出为高?。磁通密度动作点和释放点的差异称为器件的磁滞Ｂｈｙｓ。该磁滞特性可保证即使出现外部振动和电气噪声，器件的开关过程均无抖动。图４给出了该系列器件的输出电压与磁通密度的关系特性。还有一种磁性开关称为舌簧开关，该开关有两大特点，一是基本无功耗，二是其开关动作不依赖于磁场磁力线的方向，即只要有磁力线穿过舌簧开关，无论其方向是从左到右还是从右到左，都会使舌簧开关动作。由于舌簧开关本质上是一种机械开关，其速度、可靠性和寿命都难以与电子开关相比。而Ａ３２ｘｘ系列器件本质上是一种电子开关，它的动作（导通）不依赖于磁极性，同时极低的功耗使得该产品能够方便地取代舌簧开关且具有更高的可靠性。
Ａ３２ｘｘ系列产品的内部结构如图５所示。图中，Ｘ为霍尔传感器。电路工作时，霍尔传感器、动作失调消除电路、小信号放大器、采样保持器电路共同完成测量与稳零，而后经过放大后进行施密特整形，并在唤醒脉冲的下降沿将整形结果锁存，再经ＭＯＳ-ＦＥＴ驱动输出。定时逻辑用于实现器件的唤醒和休眠周期的控制。在休眠阶段，开关断开，此时除定时逻辑和锁存器外，其它电路均不工作，降低了功耗。
５ 应用提示 在实际使用时，建议在器件的电源端加上０．１μＦ的旁路电容，以便对外部噪声和器件内部时钟噪声进行抑制，其典型连线方式见图６所示。由于Ａ３２ｘｘ器件本身带有唤醒测量和休眠停止工作方式，因此，Ａ３２ｘｘ系列器件通常不能用于较高速度的测量。设忙／闲定时周期为Ｔ，理论上速度小于１／Ｔ的测量均可使用，实际中往往在速度小于１／２Ｔ～１／３Ｔ的场合使用。因此，Ａ３２０９适用于小于等于１ｋＨｚ速率的测量，Ａ３２１０适用于不大于８Ｈｚ速率的测量，Ａ３２１２适用于１１Ｈｚ速率的测量。表１和表２分别列出了Ａ３２ｘｘ系列器件的电气参数和磁特性参数指标，以供使用时参考。
特 性符 号测试条件范 围 最 小典 型最 大单 位 电源电压 VDD 动作过程 2.5 2.75 3.5 V 输出漏电流 IOFF VOUT=3.5、BRPN - <<1.0 1.0 μA 输出接通电压 VOUT IOUT=1mA/VDD=2.5V - 100 300 mV 唤醒时间 tawake A3209Ex、A3210Ex 30 60 90 μs A3212Ex - 45 90 μs 忙闲时间 tperiod A3212Ex 240 480 720 μs A3209Ex 30 60 90 ms A3210Ex - 45 90 ms 忙闲比 d.c A3209Ex - 12.5 - % A3210Ex - 0.1 - % A3212Ex - 0.1 - % 斩波频率 fc - 340 - kHz 电源电流（2.5V≤VDD
≤3.5V） IDD(EN)芯片唤醒 A3209Ex、A3210Ex 0.1 - 3.0 mA A3212Ex - - 2.0 mA IDD（DIS）芯片休眠 A3209Ex、A3210Ex 1.0 10 50 μA A3212Ex - - 8 μA IDD（AVG）平均电流 A3209Ex、VDD=2.75 - 145 425 μA A3210Ex、VDD=2.75 - 8.8 2.5 μA A3212Ex、VDD=2.75 - 4.2 10 μA A3209Ex、VDD=3.5V - 195 425 μA A3210Ex、VDD=3.5V - 13 60 μA A3212Ex、VDD=3.5V - 4.8 10 μA 表2 A32xx系列器件的磁特性
特 性符 号测试条件范 围 最小典型最大单位 动作点 BOPS A3209、A3210 - 30 60 G A3212 - - 55 G BOPN A3209、A3210 -60 -35 - G A3212 -55 - - G 释放点 BRPS A3209、A3210 5.0 22 - G A3212 10 - - G BRPN A3209、A3210 - -2.7 -5.0 G A3212 - - -10 G 滞后 Bhys(BOPX-BRPX) A3209、A3210 - 7.7 - G A3212 - 8 - G ImgLoad(document.getElementById("BodyLabel"));