面向消费品和工业市场的3D磁性传感器

全新3D磁性传感器TLV493D-A1B6采用小巧的6脚封装，能以极低的功耗实现高度精确的三维感测。通过检测x、y和z方向的磁场，该传感器能够可靠地感测三维线性和旋转运动。TLV493D-A1B6适用于操纵杆、控制元件（白色家电、多功能旋钮）、电表（防篡改）以及其他需要进行准确的角度测量或低功耗的应用。

传统的线性霍尔传感器、霍尔开关和角度传感器只能检测和芯片表面垂直方向上的磁场分量（GMR角度传感器只能检测同一平面上的磁场分量），而TLV493D-A1B6传感器可以同时检测磁场的x轴、y轴和z轴分量（图1）。

因为能提供所有三个轴的磁场分量，该传感器可让客户全面掌握三个维度上的磁场。磁体的任何运动都会改变至少一个三维传感器可以检测到的磁场分量。

三维感测可通过将纵向和横向霍尔板都整合在传感器芯片上实现。纵向霍尔板可以检测x和y方向的平面磁场分量。横向霍尔板可以检测垂直方向的磁场分量（z方向）。

TLV493D-A1B6传感器的主要开发目标之一是低功耗。通过采用低功耗振荡器这样的创新设计技术，该传感器的功耗被降低到只有几毫微安的最低水平。因为将开发重点放在核心需求、准确的三维磁场感测和低功耗上，所以传感器是一个采用小型封装的小巧芯片。TLV493D-A1B6所用的TSOP-6封装只有2.9 mm x 1.6 mm大小，令当今市场的其他3D磁性传感器望尘莫及。

由于封装小巧、功耗极低，TLV493D-A1B6可以用在磁性传感器此前从未进入过的应用中，取代电位计和光学解决方案。凭借非接触式位置感测和磁阈值的高温稳定性，TLV493D-A1B6可让系统变得更小巧、更精确、更稳定。

该传感器可通过两线标准I�C接口提供一个数字输出端，从而在传感器与单片机之间实现高速、总线方式和双向通信。

TLV493D-A1B6符合RoHs标准，也已通过JESD47认证，因此可让客户的系统满足最高质量标准和各种环境法规的要求。

结构和主要特点 该传感器采用由三个主要功能单元组成的结构（图2）：功率模式控制单元、传感单元和通信单元。

功率模式控制单元负责IC（集成电路）中的功率分布。同时它还负责传感器的启动。

传感单元由纵向和横向霍尔板以及温度传感器组成。传感单元可对x、y和z方向的磁场进行测量。每个x、y和z霍尔板按顺序与多路复用器相连，多路复用器与模数转换器（ADC）相连。温度传感器也与多路复用器相连，可以确定为可选项。温度测量功能被禁用时，总电流消耗可减少25%左右。

通信单元由I2C接口和寄存器文件组成，单片机在任何功耗模式下都可访问通信单元，以读取寄存器值。三个坐标轴以及温度对应的数值存储在单独的寄存器里。接口符合I2C快速模式标准（400 kBit/s），但其电气设置数据传输速率可达1 Mbit/s甚至更多。根据I�C协议的准则，传感器可与其他设备一起在一根I�C总线上运行。采用通信总线系统可减少布线数目，实现单片机的控制机制（总线主控）。TLV493D-A1B6传感器的标准总线地址由出厂设置。上电时，该地址可通过地址针改变。新地址在传感器工作期间一直有效，只在断开电源后恢复成出厂设置。

进行三维磁场感测时，TLV493D-A1B6在每个测量方向均提供12位数据分辨率。这使得该传感器具有0.098mT/位（LSB）的高数据分辨率，可以检测到最小的磁体运动。

该传感器可以测量+/- 150mT线性磁场范围内所有三个维度的线性磁场（B）分量（Bx、By 和Bz）。这使得客户可以检测和覆盖长距离的磁体运动。工作范围大也让磁路设计简单、稳健而灵活。

通过用垂直霍尔板测量平面磁场分量（x和y方向），传感器可实现+/- 2%的最佳磁场匹配。这为其进行准确的角度测量创造了条件。

面向工业和消费品应用的TLV493D-A1B6传感器，可在2.7-3.5伏的电源电压下以及-40�C-125�C的温度范围内工作。该产品已通过行业标准JESD47的认证。

灵活选择功耗模式，最大限度减少电流消耗 每个测量周期结束后，传感器可向连接的单片机发送中断信号。单片机即可读取寄存器中的磁场强度和温度值。传感器的中断信号可用于唤醒处于睡眠模式的单片机系统。因为单片机系统处在睡眠模式，只在读数阶段才开始工作，所以系统的总功耗可被显著降低。

TLV493D-A1B6有五种功耗模式可供用户选择，它们分别是：“休眠模式”、“快速模式”、“低功耗模式”、“超低功耗模式”和“主控模式”（表1）。功耗模式在传感器工作时可通过I�C接口设置。

上电时，传感器最初为出厂设置。经过很短的时间后，所有功能模块被激活。这之后传感器进入“休眠模式”，所有功能模块停止工作。这期间不进行任何磁场测量。功耗降至7nA。在两块标准的AA电池（每块2,400 mAh）驱动下，传感器在该模式下可以运行超过39,000年。

在“快速模式”下，读数速度达到最高水平。在对来自上一次转换的被测样品进行读数的同时，下一次转换已经在进行。这种模式适合需要检测快速磁体运动的应用，比如操纵杆。传感器此时的功耗最高，为3.7mA；但其采样频率也最高，达到10kHz，相当于每秒钟完成10,000次测量。

在“低功耗模式”下，传感器每隔10ms就从“休眠模式”被唤醒，进行磁场测量。“低功耗模式”下传感器的功耗为100�A。这种模式适合控制元件（比如多功能旋钮）等需要以较低功耗进行定期磁场感测的应用。

“超低功耗模式”可让传感器功耗降低10倍。唤醒周期延长至100ms，功耗降至10�A。防篡改电表等电池供电的应用可以受益于这种模式，因为它的功耗非常低。

在“主控模式”下，传感器可根据应用需求进行灵活读数。每次测量完成后，传感器等待单片机（主控机）读取寄存器值。根据应用的实际需求，读数可以立刻进行，也可以延迟一定时间。一旦单片机采集到磁场数据，新的测量周期即被触发。这种模式在多台TLV493D-A1B6传感器通过I�C总线相连以检测大幅线性运动时特别有用。因此单片机（主控机）可以决定哪个传感器数据与其更息息相关，然后触发相应的传感器。

图3显示了不同功耗模式和温度下传感器的电流消耗。

应用：电表防篡改保护 传统电表无法侦测或应对篡改行为，因为它们只能根据电压及在输入和输出端子间流动的电流计量电能。对于这些电表，篡改数据非常容易，但侦测很难。而如今部署的电表可以侦测篡改并采取适当的措施。

电磁干扰大概是最常见和最容易的篡改电表方式。电流互感器（CT）等磁场电流传感器最容易受这种干扰的影响。一个很强的永磁体被放在靠近CT的箱子里时，会产生很强的磁场，该磁场可以很快让磁芯饱和，从而导致电流传感器失效。而如果CT失效，电流读数就会是零，使得电量读数也为零。

为防篡改而实施磁场感测的传统方法需要两颗霍尔传感器（一颗焊接在相关的PCB上，另一颗与其垂直，焊接在另一个小PCB上，图4）。这种方式存在机械制造、校准和微调困难等缺点。此外，功耗和成本都很高。

新型三维传感器不仅不需要额外的PCB，还能降低系统复杂度进而提高可靠度。此外，TLV493D-A1B6还能满足这类应用的所有其他需求，包括磁场范围大、分辨率高、温度测量、功耗很低、数字输出、无额外组件、封装小和成本低等等。

操纵杆和控制元件 12位分辨率和快速通信使TLV493D-A1B6成为操纵杆应用的首选解决方案。非接触式磁场感测、高温稳定性和基本上不存在的老化效应，为给工业应用（比如人机界面）设计新一代操纵杆提供了可能。

而且，新型三维传感器可让白色家电中的控制元件（比如用户友好型旋/推按钮）节省成本和能源。准确的角度测量和小巧的系统架构可供打造全新的触觉用户体验。

评估板和免费软件 为了加快设计和缩短工程设计时间，客户可以在线订购价格低廉的评估板（www.ehitex.com）。该“3D Magnetic Sensor 2Go”评估板采用TLV493D-A1B6传感器及英飞凌32位单片机XMC1100。结合附加的磁体和提供的传感器软件，首次测量可在几分钟内完成。用XMC1100作为单片机还便于使用免费开发平台DAVE™开发传感器系统。

汽车应用总结和展望 TLV493D-A1B6传感器可为各种应用提供精准、节能的三维磁场感测技术。灵活的工作模式可实现专用、可扩展的系统设计，提供宽泛的测量范围以实现准确的位置探测，同时使电流消耗被控制在最低水平。

TLV493D-A1B6传感器工程样品将于2015年7月提供。该传感器预计在2016年1月份开始量产。为服务汽车行业的客户，英飞凌将对传感器进行全面AEC-Q100认证。通过汽车应用认证的TLE493D-A1B6传感器预计在2016年年中实现量产。

英飞凌的这款前所未有的三维传感器标志着3D磁性传感器家族的开端。未来几月，英飞凌将推出更多三维传感器版本。

www.infineon.com/3Dmagnetic

图1（Figure1）：TLV493D-A1B6三维传感器的原理 图2（Figure2）：TLV493D-A1B6和主要功能单元——功率模式控制系统、传感单元和I2C接口——框图 图3（Figure3）：电流消耗vs温度 图4（Figure4）： TLV493D-A1B6适用于智能电表的防篡改保护 表1（Table1）：功耗模式及其对应的电流消耗和采样频率