№6 / 2017 Статья 6 Системы управления питанием на базе магнитных датчиков

Рос Айзенбис (Texas Instruments)

Выключатели с датчиком Холла производства компании Texas Instruments – универсальное и наиболее популярное решение для многих устройств промышленной и бытовой электроники. В частности, они рекомендуются к применению там, где режим электропитания устройства должен зависеть от тех или иных механических операций или характеристик.

Правильно спроектированная электронная схема использует ровно столько энергии, сколько требуется для конкретной операции. Это особенно важно для устройств с батарейным питанием. Однако приборы, питающиеся от сети, также выигрывают при минимизации потребления, так как это приводит к снижению рассеиваемой мощности, увеличению срока службы и сокращению затрат электричества. Максимальной эффективности можно добиться если выполнять переход в режимы пониженного потребления без участия пользователя. В будущем такая автоматизация будет иметь первостепенное значение для электронных систем. Когда режим питания должен меняться в зависимости от какого-либо механического движения, подходящей для использования технологией часто являются датчики Холла.

Датчики Холла

Во всем мире полупроводниковые интегральные схемы (ИС) со встроенным датчиком Холла используются в различных устройствах в качестве датчиков положения. Среди применений – персональная электроника, промышленные системы, медицинское оборудование, автомобильные приложения, авиационная и космическая техника. Несмотря на наличие других магнитных технологий, датчики Холла остаются наиболее популярным решением благодаря уникальным достоинствам:

  • невысокой стоимости – ИС со встроенным датчиком Холла серийно производятся по стандартной КМОП-технологии;
  • высокой надежности – являясь твердотельными сенсорами, которые измеряют магнитное поле бесконтактным способом, датчики Холла способны работать в течении десятилетий;
  • простоте – несмотря на то, что внутри ИС интегрированы тысячи сложных схем, большинство датчиков имеет всего три внешних вывода. Сигнал с выхода таких ИС позволяет определять расстояние до магнита и может быть напрямую считан микроконтроллером;
  • работе на расстоянии – магнитное поле, распространяясь в пространстве, способно проникать через большинство веществ без искажений. Это позволяет размещать сенсоры внутри корпуса, тем самым защищая их от воздействия внешней среды и делая их скрытыми от глаз пользователя.

Примеры использования

Уже достаточно давно датчики Холла совместно с магнитами, встроенными в корпус, используются в качестве датчиков открытия крышки в ноутбуках и планшетных компьютерах. Они позволяют добиваться высокой эффективности за счет автоматической системы пробуждения. Когда крышка закрыта, все электронные компоненты отключены, за исключением датчика и микроконтроллера, следящего за состоянием выхода сенсора. Для таких приложений был разработан выключатель DRV5032 с датчиком Холла и ультрамалым потреблением.

Сейчас автомобили, как никогда ранее, насыщены электронными компонентами, из-за чего возникает необходимость в использовании интеллектуальных систем управления питанием. Чтобы не разряжать аккумулятор при выключенном двигателе, каждый электронный блок управления (ЭБУ, Electronic Control Unit, ECU) должен потреблять не более 100 мкА. Очевидно, что энергию аккумулятора необходимо экономить и рационально использовать. Добиться этого можно за счет датчиков, которые будут автоматически включать питание остальных частей схемы. Многие системы предполагают активизацию, когда происходят различные события, например, при открывании дверей, при повороте рулевого колеса, при нажатии педалей, при посадке водителя на сиденье или открытии «бардачка». Один из методов обнаружения этих событий заключается в использовании малопотребляющих датчиков Холла.

Медицинские пилюли-модули со встроенными видеокамерами – это новое неинвазивное решение для выполнения эндоскопии пищевого тракта. Так как малые размеры и гладкая форма являются для таких устройств ключевыми, то на их поверхности нет возможности разместить какой-либо выключатель. Тем не менее, стоит задача экономить энергию встроенной аккумуляторной батареи. В итоге необходимо включать и выключать питание бесконтактными способом. В подобных случаях оптимальным инструментом коммутации становятся малопотребляющие выключатели с датчиком Холла, например, такие как DRV5012. Для активации модуля врачу необходимо поднести к устройству северный полюс магнита. Для выключения используется южный полюс магнита. Это более простое, компактное и эффективное решение, чем использование беспроводных радиоинтерфейсов.

Рис. 1. Датчик веса

Рис. 1. Датчик веса

Рис. 2. Беспроводной датчик системы безопасности

Рис. 2. Беспроводной датчик системы
безопасности

Для создания датчика веса может быть использован магнит и расположенный в непосредственной близости датчик Холла (рисунок 1). При увеличении нагрузки расстояние между ними уменьшается. Такой сенсор достаточно просто интегрировать в кресло для обнаружения сидящего человека, что обеспечивает возможность построения самых различных интеллектуальных систем.

Новые системы обнаружения вскрытия дверей и окон становятся абсолютно беспроводными. Они содержат собственную батарейку, беспроводной микроконтроллер, датчик Холла и способны работать до 10 лет от одного элемента питания CR2032. Примером реализации таких устройств является схема TIDA-01066 производства компании Texas Instruments (рисунок 2). Добиться столь долгого срока службы от небольшой батарейки удалось за счет использования выключателя DRV5032, который применяется для обнаружения вскрытия и пробуждает микроконтроллер CC1310 только при необходимости.

Электрические характеристики

Выключатель DRV5032 выпускается в различных исполнениях: с частотой измерений 5 или 20 Гц, с выходом типа открытый сток или с полноценной транзисторной подтяжкой (push-pull). Версии датчика с частотой измерений 5 Гц отличаются меньшим потреблением, но для них время обновления сигнала на выходе составляет 200 мс, в то время как для второй модификации с частотой измерений 20 Гц время обновления равно 50 мс. Датчики с выходом push-pull при низком уровне выходного сигнала потребляют меньше энергии по сравнению с датчиками с открытым стоком. Это связано с тем, что датчики с открытым стоком требуют внешнего подтягивающего резистора, через который протекает нагрузочный ток, равный отношению VDD/RPULLUP.

Так как датчики DRV5032 имеют диапазон рабочих напряжений 1,65…5,5 В, то они могут напрямую питаться от литий-ионных аккумуляторов 3 В, двух или трех последовательно включенных алкалиновых или никель-марганцевых батареек либо от литий-полимерных аккумуляторов 4 В. Для оценки срока службы аккумулятора при питании датчика необходимо использовать значение емкости в мА•ч при минимальном выходном токе с учетом потерь при саморазряде. Например, для обычной батарейки CR2032 заявленная емкость составляет 210 мА• ч с саморазрядом 1% в год. Версия датчика DRV5032 с частотой измерений 5 Гц потребляет 0,69 мкА при питании 3 В. 210 мА•ч/0,00069 мА = 300000 часов или более 26 лет, даже с учетом саморазряда.

В системах управления питанием цифровой выход датчика Холла обычно подключается к порту ввода-вывода микроконтроллера или ко входу силового ключа (рисунок 3).

Рис. 3. Типовая схема включения при работе с микроконтроллером

Рис. 3. Типовая схема включения при работе с микроконтроллером

Порт ввода-вывода может быть настроен на прерывание для автоматического наблюдения за изменением состояния датчика и принятие решения о пробуждении оставшейся части схемы (рисунок 4).

Рис. 4. Типовая схема включения при работе с силовым ключом

Рис. 4. Типовая схема включения при работе с силовым ключом

В случае использования силового ключа разработчики должны решить, при каком условии следует включать питание схемы: когда магнит находится близко или далеко от сенсора. Большинство переключателей со встроенным датчиком Холла переводит выход в состояние с низким уровнем, когда магнит располагается в непосредственной близости от сенсора. Если магнита рядом нет, то выход переводится в состояние с высоким уровнем.

  • Если требуется включать питание, когда магнит находится вблизи датчика, то следует использовать переключатель с активным низким уровнем, например, TPS22910A.
  • Если требуется включать питание, когда магнит находится вдали от датчика, то следует использовать переключатель с активным высоким уровнем, например, TPS22914.

В заключение стоит отметить, что магнитный датчик не обязательно должен иметь малый уровень собственного потребления. Добиться минимального среднего потребления можно за счет периодической подачи управляющих сигналов на вход разрешения работы датчика (sleep/enable) или за счет включения и выключения питания на выводе VCC с помощью внешней схемы управления, как это описано в документе SLYY058.

Рекомендуемые устройства со схожим функционалом и дополнительные технические описания представлены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1. Рекомендуемые устройства со схожим функционалом

Наименование Достоинства Особенность использования
TPS22902 Ток потребления IQ менее 1 мкА Высокое собственное сопротивление Ron, не работает с напряжением питания 5 В
DRV5033 Доступно корпусное исполнение TO-92 Для минимизации потребления требуется внешняя схема управления периодическим включением и выключением
DRV5053 Аналоговый выход Для минимизации потребления требуется внешняя схема управления периодическим включением и выключенем

Таблица 2. Дополнительная техническая документация

Наименование Технические возможности
SBOA162 Измерение тока для обнаружения аварийных ситуаций
SBOA168 Контроль тока для обнаружения множества аварийных ситуаций различного уровня

 

TI_DRV5032_NE_06_17