Журнал «ИСУП». (Информатизация и системы управления в промышленности)
ИТ, КИПиА, метрология, АСУ ТП, энергетика, АСКУЭ, промышленный интернет, контроллеры, экология, электротехника, автоматизации в промышленности, испытательные системы, промышленная безопасность

Микросхемы датчиков магнитного поля на эффекте Холла разработки ООО «ИДМ-ПЛЮС»

Представлены новые разработки компании «ИДМ-ПЛЮС» – малогабаритные одноосевой и трехосевой датчики магнитного поля на эффекте Холла. За счет применения усовершенствованных конструктивно-схемотехнических решений новые датчики обладают улучшенными характеристиками.

Компания «ИДМ-ПЛЮС», г. Москва, Зеленоград

IDM_20-let.png

скачать pdf >>

Компания ООО «ИДМ-ПЛЮС» имеет многолетний опыт разработки и изготовления микросхем датчиков магнитного по­ля (ДМП) на эффекте Холла и их применения в собственных датчиках то­ка, углового положения, скорости вращения и др. С использованием наработанного опыта и современных полупроводниковых технологий ООО «ИДМ-ПЛЮС» продолжает совершенствование конструктивно-схемотехнических решений датчиков с целью улучшения электрических и габаритных параметров и повышения функциональности. Вниманию читателя предлагается обзор новых разработок компании, выполненных в рамках программы импортозамещения электронных компонентов.


Малогабаритный одноосевой датчик магнитного поля на эффекте Холла

По конструкции ДМП на эффекте Холла делятся на две большие группы: линейные датчики (с выходным сигналом, линейно меняющимся при изменении величины магнитной индукции) и пороговые датчики (со скачкообразным изменением выходного сигнала при изменении величины магнитной индукции). Основные области применения линейных и пороговых ДМП приведены в табл. 1.

Таблица 1. Основные области применения ДМП на эффекте Холла

Tab_1.png

Современные измерительные и управляющие системы предъявляют высокие требования к характеристикам компонентов и составных частей, в частности, датчиков и преобразователей, используемых для получения входной информации. Большое значение имеют такие характеристики датчиков, как смещение нулевого сигнала, коэффициент передачи, температурная зависимость нулевого сигнала и коэффициента передачи, ток потребления. С учетом нелинейности характеристик элементов Холла, сформированных с использованием интегральной КМОП-технологии1, разработка малогабаритного ДМП с высокими характеристиками становится сложной задачей.

Используя опыт, накопленный за несколько десятилетий разработки микросхем, специалисты компании ООО «ИДМ-ПЛЮС» создали малогабаритный аналоговый одноосевой ДМП на эффекте Холла с высокими характеристиками для построения широкого ря­да датчиков физических величин, в числе которых датчики переменного/постоянного то­ка или напряжения, давления, температуры, скорости, вибрации и др. Структурная схема одноосевого аналогового ДМП на эффекте Холла приведена на рис. 1.

Ris_1_small.png

Рис. 1. Структурная схема одноосевого аналогового ДМП на эффекте Холла (увеличить изображение)

В основе ДМП находится планарный элемент Холла, сформированный из стандартных слоев КМОП-технологии. Питание элемента Холла осуществляется от стабилизированного источника питания током величиной 250 мкА. Схема включения элемента Холла реализована по ти­пу двукратного spinning current (дословно «вращающийся ток»), то есть при каждом тактовом импульсе выполняется отключение и подключение элемента Холла с поворотом на ±90°. Такой подход, традиционно использующийся в схемотехнике ДМП, позволяет существенно снизить напряжение офсета элемента Холла. Выходной сигнал элемента Холла поступает на усилитель, состоящий из двух каскадов. Второй каскад усилителя имеет функцию автообнуления для устранения офсета, внесенного самими усилителями. Фильтр низких частот обеспечивает снижение шу­ма выходного сигнала. Последняя ступень усиления обеспечивает ратиометрический выходной сигнал ДМП.

В ДМП также предусмотрена цифровая подстройка то­ка питания и коэффициента передачи. Коэффициенты подстройки хранятся в постоянной памяти с возможностью однократной записи. Доступ к цифровой части ДМП и записи коэффициентов осуществляется через аналоговый выход микросхемы, который переводится в состояние однопроводного интерфейса UART путем подачи импульса напряжения после включения.

Сборка ДМП планируется в малогабаритный трехвыводной корпус ТО92UA с размерами 4,0 × 3,0 × 1,5 мм (рис. 2). Основные характеристики разработанного одноосевого ДМП приведены в табл. 2.

Ris_2.png

Рис. 2. Аналоговый ДМП в корпусе ТО92UA

Таблица 2. Основные характеристики разработанного одноосевого ДМП

Tab_2.png


Малогабаритный трехосевой датчик магнитного поля на эффекте Холла

Подавляющее большинство линейных ДМП на эффекте Холла, представленных на рынке, позволяют проводить измерение только одного компонента вектора магнитной индукции – Z-компонента, направленного нормально к поверхности кристалла. В последнее десятилетие на рынке появились ДМП, обеспечивающие измерение двух и трех компонентов вектора магнитной индукции. Дополнительно к планарному элементу Холла трехосевые ДМП имеют два вертикальных элемента Холла, развернутых друг относительно друга на 90 градусов; эти элементы обеспечивают измерение X- и Y-компонентов вектора магнитной индукции. Для совмещения на одном кристалле трех чувствительных элементов и достижения высоких параметров ДМП разработаны специализированные БиКМОП-технологии, включающие формирование на поверхности подложки низколегированного слоя n-типа и разделительных канавок между вертикальными элементами Холла и остальной частью структуры. Возможность измерения сразу трех компонентов вектора магнитной индукции существенно расширяет области применения ДМП. В частности, с использованием трехосевых ДМП легко реализуются джойстики для игровых консолей и промышленных пультов управления.

Одно из важных практических применений трехосевого ДМП, разработанного «ИДМ-ПЛЮС», – регистрация несанкционированного внешнего воздействия на приборы учета электрической и тепловой энергии и приборы учета воды. Обязательное наличие такой функции напрямую указывается в требованиях к интеллектуальным приборам учета электроэнергии, установка которых планируется в рамках реализации концепции интеллектуальных сетей учета в Российской Федерации.

В соответствии с Постановлением Правительства РФ № 950 от 29.06.2020 интеллектуальный прибор учета электроэнергии должен обеспечивать контроль наличия внешнего переменного и постоянного магнитного по­ля и фиксацию воздействия постоянного или переменного магнитного по­ля с указанием да­ты и времени воздействия со значением модуля вектора магнитной индукции свыше 150 мТл (пиковое значение) [1]. Наиболее эффективно данная задача решается путем установки в прибор учета электроэнергии малогабаритного трехосевого ДМП, имеющего режим низкого энергопотребления. В настоящее время такие приборы учета электроэнергии активно разрабатываются и производятся ООО «Милур – Интеллектуальные Системы», ООО НТЦ «Нартис», ООО «Тайпит – Измерительные приборы», НПО «МИР», ООО «Петербургский завод измерительных приборов» и другими крупными приборостроительными компаниями.

ООО «ИДМ-ПЛЮС» разработало малогабаритный трехосевой цифровой ДМП с высокими характеристиками для использования в системах мониторинга внешнего магнитного поля.

Структурная схема трехосевого цифрового ДМП на эффекте Холла приведена на рис. 3, характеристики – в табл. 3.

Ris_3_small.png

Рис. 3. Структурная схема трехосевого цифрового ДМП на эффекте Холла (увеличить изображение)

Таблица 3. Основные характеристики разработанного трехосевого ДМП

Tab_3.png

Трехосевой ДМП имеет три элемента Холла, обеспечивающих преобразование X-, Y- и Z-компонентов вектора магнитной индукции в напряжение. Элементы Холла сформированы из стандартных слоев КМОП-технологии с проектными нормами 0,18 мкм. Дополнительно в непосредственной близости от элементов Холла на кристалле расположен датчик температуры. Питание элементов Холла осуществляется от стабилизированного источника то­ка, при этом реализуется схема 4-кратного spinning current, то есть при каждом тактовом импульсе выполняется отключение и подключение элементов Холла с поворотом на 90 градусов. Подключение каждого элемента Холла, а также датчика температуры к усилителю осуществляется с использованием мультиплексора. После усиления сигнал поступает на АЦП с разрядностью 16 бит. Далее выполняется демодуляция и фильтрация цифрового сигнала. После демультиплексирования ко­ды значений компонентов вектора магнитной индукции и значения температуры записываются в выходные регистры, из которых по интерфейсу I2С передаются на внешний микроконтроллер.

Трехосевой ДМП имеет несколько режимов работы: режим непрерывного измерения, режим измерения с частотой 10 и 100 Гц, режим измерения по запросу микроконтроллера. Также трехосевой ДМП может функционировать в режиме измерения порогового значения магнитного по­ля, передавая сигнал на микроконтроллер в случае его превышения. В режимах с пониженной частотой выборки ток потребления ДМП составляет несколько десятков микроампер, что удовлетворяет требованиям применений, связанных с мониторингом внешнего воздействия. Также ДМП имеет спящий режим, в котором ток потребления составляет 2,4 мкА. Для реализации разных режимов работы ДМП оснащен двумя тактовыми генераторами: высокой и низкой частоты.

Информация о температуре кристалла может быть использована во внешнем микроконтроллере для коррекции температурной зависимости выходного сигнала. Сборка ДМП планируется в малогабаритный корпус QFN16 с размерами 3,0 × 3,0 × 0,8 мм (рис. 4).

Ris_4.png

Рис. 4. Трехосевой цифровой ДМП в корпусе QFN16

Датчики, разработанные ООО «ИДМ-ПЛЮС», имеют высокие характеристики, позволяющие им конкурировать с лучшими зарубежными образцами и выполнять задачи импортозамещения, поставленные Правительством РФ. Пополнение номенклатуры датчиков, выпускаемых ООО «ИДМ-ПЛЮС», позволит расширить сферу применения высокотехнологичной продукции и предоставить потребителям дополнительные возможности для реализации собственных конструктивных решений в области датчиков и систем мониторинга физических величин.


ИДМ-ПЛЮС разработал новую интегральную схему датчика тока K5331HH025

Микросхема K5331HH025 представляет собой компактное решение в корпусе SO-8 со встроенными элементами Холла и токовым проводником. Устанавливается на печатную плату в разрыв токовой цепи и имеет следующие технические характеристики: напряжение питания 5 В, диапазон измеряемых токов от –10 до 10 А или –5 до 5 А (в зависимости от исполнения), ток потребления не более 15 мА, рабочий температурный диапазон от –60 до +85 °C.

Микросхема предназначена для применения в автоматизированных системах управления приводами, системах защиты от перегрузки по току, источниках питания малой мощности, для установки в приборы учета электроэнергии и уже сейчас доступна для заказа.


Литература

1. Постановление Правительства РФ от 29 июня 2020 г. № 950 «О внесении изменений в некоторые акты Правительства Российской Федерации по вопросам совершенствования организации учета электрической энергии» // ГАРАНТ.РУ, информационно-правовой портал : [сайт]. URL: https://base.garant.ru/74323646/?ysclid=lsel44uv4n938502258 (да­та обращения: 25.04.2024).
__________________________________

1КМОП (от «комплементарная структура металл – оксид – полупроводник») – технология изготовления интегральных микросхем.

Опубликовано в журнале ИСУП № 2(110)_2024

ООО «ИДМ-ПЛЮС»,
г. Москва, Зеленоград,
тел.: +7 (495) 018-1231,
e-mail: sales@idm-plus.ru,
сайт: idm-plus.ru