【导读】本文重点介绍基于霍尔效应开关的主要反馈系统，提供关于一般工作原理和传感器要求的说明，展示了英飞凌 BLDC 应用专用霍尔效应开关。
图 1 显示了霍尔效应开关反馈的最简单的应用示例。三个霍尔传感器被 120°相角隔开，通过转子磁体触发。这些传感器每 60°获得一个新的数字状态，并据此产生图 2 所示的开关样式。因此，可以知晓转子位置，分辨率为 60°；若将霍尔传感器放置在合适的位置，就可以令信号转换与线圈励磁理想换向点精确匹配。 在这个包络内，可以使用任意恒定的或脉宽调制 (PWM) 驱动信号为线圈供电，驱动电机运转。
图 1内部转子 BLDC 电机
图 2霍尔开关 S1 至 S3 在转子旋转一周过程中的开关模式
在许多无刷直流电机中，霍尔传感器直接检测转子磁体的磁场。其结果是，传感器安装在电机内部，暴露在高温和振动中，缺乏密封保护，气体和液体可能对部件造成影响。此外，安装新的传感器，尤其是更换故障部件是非常细致的工作，费用很高。有些电机在轴上加装一个磁环，通过这个磁环来触发霍尔开关，从而允许霍尔开关远离加热部件。图 3 显示的就是这类应用示例。这个解决方案的好处是温度更低、更便于接触并且提高了设计的灵活性，但这些优势也是有代价的：增加了加装磁码盘的费用。在这类设计中，霍尔开关模式中的角度传感器别具吸引力。
图 3BLDC 电机，带外部霍尔开关磁体
1、传感器类型
霍尔效应开关在两种逻辑状态之间切换，这两个开关点之间有一定的滞后。人们通常将这类器件分成两个大类：单极开关，双极锁存。 这里不考虑全极开关和双极开关。
图 4单极开关与双极开关
单极开关
图 4 介绍了单极开关的工作原理。当外加磁场穿过工作点 BOP 时，器件输出开启。若磁场被释放，在 Brp 达到零场之前，器件切换回关闭状态。通过一些滞后 Bhys 来避免两种状态之间发生瞬态快速切换事件。
双极锁存器
与单极开关相似，双极锁存器也在磁场穿过 Bop 后开启。不过，释放磁场之后，双极锁存器即使在零场中也会保持其状态。只有当极性反转的磁场通过 Brp 后，器件才会返回到关闭状态，如图 4 所示。因此这些器件名副其实，能够有效地锁存其状态。
1、霍尔效应开关的要求
接下来，让我们来看一些关于 BLDC 电机换向用霍尔效应开关的具体要求：
单极与双极
传感器的任务是准确地检测转子的位置。理想的情况是，转子位置每次正好改变 60°时传感器就提供一个换向信号，不考虑电机速度和施加的扭矩，每个传感器每 180°切换一次输出。图 5 显示了一个传统的单极开关和两个不同的双极锁存器的行为。可以看出，单极开关会带来不平衡的占空比，而双极锁存器在 Bop 和 Brp 绝对值相等时，占空比正好为 50％。灵敏度越高，延迟就越小，这就是首选接近 0mT 的开关点的原因。因此，高灵敏度的双极锁存器是这个应用的最佳选择。
图 5不同霍尔开关的开关图。高灵敏度的双极锁存器延迟最低，占空比平衡
开关点精度
很遗憾，由于半导体制造过程中有过程差异，所以无法创造出相同的传感器。每个传感器都有其个性，并且事实证明，磁开关点是一个严重受工艺差异影响的参数。此外，环境的影响，例如因二次成型或湿度导致的机械应力等，也会导致开关点在器件寿命期间发生偏移。为了减少这些影响，一些霍尔效应开关采用斩波原理，通过一个巧妙的方法来消除霍尔探头和输入放大器级的偏移。此技术允许用户在仅具有小差异的狭窄窗口内指定开关点。由此带来的机械应力高抗性能也是 TLE49x6 系列的另一大优势。
图7是显示了有不同开关点差异的两个双极锁存器之间的对比情况。可以看出，在最坏的情况下，如果Bop和Brp正好在指定开关点范围的任一端上，占空比可能很不平衡。 部分器件采用上述斩波原理，开关点的差异更小，因此对占空比的影响非常小，旋转一整周过程中电机可以实现平衡致动。
图 6开关点差异对占空比的影响较小的差异可以带来平衡的占空比
延迟
磁场过零点后立刻换向，不应传感器内部处理而被延迟。英飞凌的霍尔开关是基于一个输入与输出只有微小延迟的快速信号路径。
抖动
开关样式的重复性是电机换向应用的另一个重要标准。用抖动参数来识别常规操作过程中开关点的变化幅度有多大。
图 7固定式开关点与温度补偿式开关点
2、霍尔开关模式的角度传感器
针对可以使用如图 3 所示外部霍尔磁体的应用，有只要一个传感器就可以创建霍尔效应开关的开关模式，基于获诺贝尔奖的巨磁阻 (GMR) 效应原理，将标准硅处理工艺融入其成功的 iGMR 技术中。如图 8 显示，在电机轴上安装一个简单的圆柱形磁体，用于创建通过2、3、4、6、7、8、12 和16 个极对驱动转子所需的开关模式。凭借自动校准算法，在温度范围和工作寿命期间可以获得小于 1°的角度误差（机械），其开关模式通常可以比最精确的霍尔开关提供的开关模式更准确。
对一些要求更高转矩平滑性的电机来说，只使用在大多数无刷直流电机中采用的块换向是不够的，它们需要使用特殊的绕组设计和适配的驱动算法来同步驱动电机。这些永磁同步电机 (PMSM) 通常需要更精确的反馈。
图 8安装霍尔传感器，轴上有一块径向磁体
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