技术领域
[0001] 本
发明总体上涉及霍尔元件感测电路和方法。
背景技术
[0002] 市场上有三种用于检测磁通量的霍尔传感器产品，并且这三种霍尔传感器产品包括具有模拟输出的缓冲式霍尔传感器、具有数字输出的缓冲式霍尔传感器以及非缓冲式霍尔元件。具有模拟输出的缓冲式霍尔传感器通常具有霍尔元件以及诸如
运算放大器的集成电路(“IC”)以放大来自霍尔元件的感测
信号并将该感测信号转换为放大的
模拟信号。具有数字输出的缓冲式霍尔传感器通常具有霍尔元件以及诸如比较器或者
模数转换器(“ADC”)的IC。如果使用比较器，则提供高逻辑
输出信号或低逻辑输出信号，其中逻辑输出信号表示穿过霍尔传感器的通量的方向。如果使用ADC，则提供许多数字输出信号，这些数字输出信号与穿过霍尔传感器的通量的大小和方向相对应。非缓冲式霍尔元件仅仅是如下霍尔元件：该霍尔元件不具有相应的信号调节IC，但是可以被设置在类似于缓冲式霍尔传感器的封装内。
[0003] 图1A是根据
现有技术的非缓冲式霍尔元件的时序图，并且图1B是根据现有技术的用于生成图1A的时序图中所示的信号的霍尔元件102的示意图。在图1B中，非缓冲式霍尔元件102耦接于VC和地之间，并且生成差分输出信号VH＝VH+-VH-，其中VH+和VH-为单端输出信号。图1A示出了地
电压电平和VC电压电平以及以地为参考的VH信号和以VC/2为参考的VH+和VH-信号。霍尔元件的输出信号是与感测的通量对应的模拟或线性信号。
[0004] 图2A是根据现有技术的包括附加的处理电路的缓冲式霍尔传感器电路的时序图，并且图2B是根据现有技术的用于生成图2A的时序图中所示的信号的缓冲式霍尔传感器电路的示意图。在图2B中，霍尔元件202耦接于VC和地之间，并且生成差分输出。霍尔元件202的差分输出耦接至包括
运算放大器204的运算放大器电路，所述运算放大器电路具有
电阻器RA和
电阻器RB以及参考电压VC/2用于生成VOUT输出信号。图2A中示出了地电压电平和VC电压电平以及以VC/2为参考的VOUT信号。如果将霍尔元件202和运算放大器204一起耦接在封装内，则提供了具有模拟输出的缓冲式霍尔传感器。输出信号可以通过微
控制器206中的模数转换器(“ADC”)208被转换为数字输出信号VH，所述
微控制器206具有耦接于VC和地之间的电
力端子VDD和Vss。如果将霍尔元件202、运算放大器204以及ADC 208或者ADC 208与微控制器206一起耦接在封装内，则提供了具有数字输出的缓冲式霍尔传感器。
[0005] 图3A是根据现有技术的包括附加的处理电路的具有数字输出的缓冲式霍尔传感器电路的时序图，并且图3B是根据现有技术的用于生成图3A的时序图中所示的信号的具有数字输出的缓冲式霍尔传感器电路的示意图。在图3B中，霍尔元件302耦接于VC和地之间并生成差分输出。霍尔元件302的差分输出耦接至具有正极输入端和负极输入端以及输出端的比较器304以生成VOUT数字输出信号。如果将霍尔元件302和比较器304一起耦接在封装内，则提供了具有数字输出的缓冲式霍尔传感器。
[0006] 尽管图2B和图3B所示的缓冲式霍尔传感器电路对于很多感测应用是可接受的，但是由于将附加的
信号处理电路与霍尔元件一起封装的成本，对于被实现到最低成本的应用及操作环境，它们可能是不可接受的。
发明内容
[0007] 根据本发明的实施方式，霍尔传感器电路包括：第一霍尔元件，具有耦接至第一电源的第一电力
节点、耦接至第二电源的第二电力节点、第一
输出节点以及第二输出节点；第二霍尔元件，具有耦接至第一电源的第一电力节点、耦接至第二电源的第二电力节点、第一输出节点以及第二输出节点；第一模数转换器(“ADC”)通道输入端和第二ADC通道输入端，分别无源地耦接至第一霍尔元件的第一输出节点和第二输出节点；第三ADC通道输入端和第四ADC通道输入端，分别无源地耦接至第二霍尔元件的第一输出节点和第二输出节点；第一ADC输出端，与第一ADC通道输入端和第二ADC通道输入端通信以提供第一数字输出信号；以及第二ADC输出端，与第三ADC通道输入端和第四ADC通道输入端通信以提供第二数字输出信号。
附图说明
[0008] 为了更完整地理解本发明及其优点，现在参考以下结合附图进行的描述，其中：
[0009] 图1A是根据现有技术的霍尔元件的时序图；
[0010] 图1B是根据现有技术的用于生成图1A的时序图中所示的信号的霍尔元件的示意图；
[0011] 图2A是根据现有技术的包括附加的处理电路的具有模拟或数字输出的霍尔传感器电路的时序图；
[0012] 图2B是根据现有技术的用于生成图2A的时序图中所示的信号的传感器电路的示意图；
[0013] 图3A是根据现有技术的包括附加的处理电路的具有数字输出的附加的霍尔传感器电路的时序图；
[0014] 图3B是根据现有技术的用于生成图3A的时序图所示的信号的传感器电路的示意图；
[0015] 图4A是根据实施方式的在没有附加的处理电路的情况下的用于生成
转子位置输出信号的附接至电机的
定子的三个霍尔元件的示意图；
[0016] 图4B是根据实施方式的在没有附加的处理电路的情况下的用于生成转子位置输出信号的附接至电机的定子的两个霍尔元件的示意图；
[0017] 图5A是根据实施方式的霍尔传感器电路的时序图；
[0018] 图5B是根据实施方式的用于生成图5A的时序图中所示的信号的传感器电路的示意图；
[0019] 图6是根据实施方式的示出转子位置输出信号的时序图；
[0020] 图7是根据实施方式的微控制器与两个霍尔元件传感器电路的示意图；
[0021] 图8是根据实施方式的微控制器与三个霍尔元件传感器电路的示意图；以及[0022] 图9是根据实施方式的电机控制系统的示意性
框图。
具体实施方式
[0023] 图4A是根据实施方式的在没有附加的处理电路的情况下的用于生成转子位置输出信号的附接至电机的定子的三个霍尔元件的示意图。虽然本文描述了诸如ADC的附加的处理电路以提供完整的传感器电路，但是图4A中所示的封装的霍尔元件中并不包括这样的附加的处理电路。例如，在某些应用中，本文所描述的霍尔元件将在可以远离附加的处理电路但与附加的处理电路通信的物理位置附接至电机。在实施方式中，霍尔元件可以在不包括附加的处理电路的情况下封装成
半导体封装。
[0024] 永磁电机的控制需要关于电机的转子位置的信息，使得控制器可以输出正确
角度的电压以便于电机正常运行。霍尔元件可以应用在如下文将进一步详细描述的位置感测电路和方法中。图4A示出了定子408和转子406。在实施方式中定子是大体上圆形的。通过嵌入定子408或附接至定子408，霍尔元件Hall-1、Hall-2和Hall-3被附接到定子408以检测由旋转的转子406所生成的变化的磁通量。尽管霍尔元件Hall-1、Hall-2和Hall-3被示出为封装的器件，但是应当注意，该封装只包含基本的霍尔元件并不包括相应的比较器、运算放大器或者任何其他有源信号处理电路，从而降低成本。霍尔元件Hall-1、Hall-2和Hall-3间隔120度的角度，其中霍尔元件Hall-1在120度处，霍尔元件Hall-2在240度处，而霍尔元件Hall-3在0度处。每个霍尔元件输出的对应的输出信号402也在图4A中示出，包括信号VHALL1、VHALL2和VHALL3。
[0025] 图4B是根据实施方式在没有附加的处理电路的情况下的用于生成转子位置输出信号的附接至电机的定子的两个霍尔元件的示意图。图4B中也示出了定子408和转子406。在实施方式中定子是大体上圆形的。通过嵌入定子408中或附接至定子408，霍尔元件Hall-
1和Hall-2被附接至定子408以检测由旋转的转子406所生成的变化的磁通量。尽管霍尔元件Hall-1和Hall-2被示出为封装的器件，但是应当注意，该封装只包含基本的霍尔元件并不包括相应的比较器、运算放大器或者任何其他有源信号处理电路，从而降低成本。霍尔元件Hall-1和Hall-2间隔90度的角度，其中霍尔元件Hall-1在0度处，霍尔元件Hall-2在90度处。每个霍尔元件输出的对应的输出信号404也在图4B中示出，包括信号VHALL1和VHALL2。
[0026] 尽管图4A中以特定的配置示出了三个霍尔元件，并且图4B中以特定的配置示出了两个霍尔元件，但是本领域的技术人员将领会的是，可以以各种配置使用其他数量的霍尔元件。例如，尽管在实施方式中通常使用一到三个霍尔元件，但是如果需要，可以将四个霍尔元件以霍尔元件之间90度的角间距附接到定子。
[0027] 图5A是根据实施方式的霍尔传感器电路的时序图并且图5B是根据实施方式的用于生成图5A的时序图所示的信号的传感器电路的示意图。根据实施方式，使用在没有添加诸如模拟比较器或运算放大器的有源部件作为信号调节电路的情况下封装的霍尔元件来描述传感器电路和方法。如前所述，图5A和图5B中在霍尔元件上存在两个输出信号，标记为VH+和VH-。两个输出信号被无源地耦接至两个ADC输入通道CH1和CH2。耦接可以是直接耦接，或者是通过图5B所示的包括电阻器RC和电容器C的无源电阻-电容
滤波器(RC滤波器)的间接耦接。虽然没有使用有源处理电路来将霍尔元件502的输出耦接至ADC 506的输入通道CH1和CH2，但是可以将霍尔元件502选择成具有足够的电压输出以便被ADC 506正确地感测到。例如，具有超过300mV的输出差分电压的霍尔元件502是可用的。ADC 506可以是微控制器504的一部分。微控制器504具有耦接于VC电源和地之间的电源端子VDD和VSS。ADC 506分别
采样和转换两个模拟信号VH+和VH-。两个信号VH+和VH-的采样结果通过微控制器504相减以生成数字输出信号VH＝VH+-VH-。一旦减法完成，微控制器504生成霍尔传感器的输出信号。两个模拟信号VH+和VH-可以同时采样(如果ADC 506的设计允许同时采样)，或者可以顺序采样(如果ADC 506的设计不允许同时采样)。在最低转子速度(下文将会进一步详细描述)时，样本之间的采样延迟时间对于确定转子位置的准确性影响并不大。图5A示出了VH+、VH-和VH信号的
波形以及VC
电源电压电平和地电平。图5B示出了包括霍尔元件502、无源RC滤波器(RC，C)以及前面所述的包括ADC 506的微控制器504的传感器电路。
[0028] 图6是示出了根据实施方式的转子位置输出信号的时序图。图6的左侧部分示出了使用包括窄时间片602的第一时基的VHALL1、VHALL2和VHALL3信号。图6的右侧部分示出了具有第二扩展时基的时间片602以示出VHALL1、VHALL2和VHALL3信号。如图7和图8进一步详细所示的，VH3等于通道5上的H3+-通道6上的H3-，VH1等于通道1上的H1+-通道2上的H1-，并且VH2等于通道3上的H2+-通道4上的H2-。图6右侧部分的X轴上示出了所有六个通道的在三个连续脉冲宽度调制(“PWM”)周期中的三个连续的ADC转换606。
[0029] 在电机控制系统中，霍尔元件的数量在不同的实现和实施方式中可以从一个到三个(或者更多个)变化。每个霍尔元件都可以如图7(两个霍尔元件)及图8(三个霍尔元件)所示被无源地耦接至ADC。不需要模拟比较器或运算放大器，从而降低成本并在较低成本的电机控制应用中实现盈利。为了滤除来自电机控制系统的其他部分的噪声，可能需要简单的无源RC滤波。
[0030] 图7是根据实施方式的微控制器与两个霍尔元件传感器电路的示意图。霍尔元件702与霍尔元件704通过VC和地供电。尽管在实施方式中可以使用直接耦接，但是霍尔元件
702的差分输出信号H1+和H1-通过无源RC滤波器712被无源地耦接至微控制器708中的ADC
710的通道1和通道2。尽管在实施方式中可以使用直接耦接，但是霍尔元件704的差分输出信号H2+和H2-通过无源RC滤波器712被无源地耦接至微控制器708中的ADC 710的通道3和通道4。ADC转而生成
数字信号VH1和VH2。虽然图7中示出了单个ADC 710，但是本领域的技术人员将领会的是，在实施方式中可以使用两个或更多个ADC。
[0031] 图8是根据实施方式的微控制器与三个霍尔元件传感器电路的示意图。霍尔元件802、霍尔元件804与霍尔元件806通过VC和地供电。尽管在实施方式中可以使用直接耦接，但是霍尔元件802的差分输出信号H1+和H1-通过无源RC滤波器812被无源地耦接至微控制器
808中的ADC 810的通道1和通道2。尽管在实施方式中可以使用直接耦接，但是霍尔元件804的差分输出信号H2+和H2-通过无源RC滤波器812被无源地耦接至微控制器808中的ADC 810的通道3和通道4。尽管在实施方式中可以使用直接耦接，但是霍尔元件806的差分输出信号H3+和H3-通过无源RC滤波器812被无源地耦接至微控制器808中的ADC 810的通道5和通道6。
ADC转而生成数字信号VH1、VH2和VH3。虽然图8中示出了单个ADC 810，但是本领域的技术人员将领会的是，在实施方式中可以使用两个、三个或更多个ADC。
[0032] 下面描述无刷直流电机(“BLDC”电机)或永磁同步电机(“PMSM”)的电机控制系统。需要由电机内部的
永磁体磁极生成的磁通量的角度信息(转子角度)以有效地控制电机。在实施方式中，电机控制系统包括与
电流传感器结合的
霍尔效应传感器。
[0033] 图9是根据实施方式的电机控制系统900的示意性框图。微控制器902包括电机控制
算法块904、霍尔/磁通角度
开关906、霍尔
软件块908、磁通估计器910以及ADC 912。微控制器使用PWM总线上的PWM信号控制功率级914。功率级914通过由电流传感器916所测量的三个输出电流耦接至电机918。霍尔元件920如前所述测量电机918的转子位置。
[0034] 图9的示意性框图示出了使用霍尔元件920和霍尔软件块908的电机控制系统900，霍尔软件块908根据由ADC转换器912在所示的霍尔反馈总线上所采样的霍尔输入Hall-1、Hall-2和Hall-3生成转子角度(HallAngle)以及转子
频率(HallFreq)。图9的示意性框图还示出了可选的
软件模块910(磁通估计器)，该软件模块910通过使用电机电流(Iu/Iv/Iw)及施加至电机的电压(Vα/Vβ)来估计转子角度(FluxAngle)及转子频率(FluxFreq)。电机控制软件块904使用来自霍尔软件块908的角度与频率信息(HallAngle/HallFreq)来启动电机918。当电机
加速至预定的转速/频率时，角度开关906可以进行切换以将FluxAngle和FluxFreq信息耦接至电机控制算法块904。切换转速(频率)可以通过微控制器902配置。将电机918的控制从霍尔元件920转移至电流传感器916的预定转速将取决于所使用的特定电机。但在一般情况下，较低的操作速度将由霍尔元件角度和频率信息控制，而较高的操作速度将由磁通角度和频率信息控制(磁通角度和频率信息不是源自霍尔元件，而是源自电流传感器916信息)。
[0035] ADC 912可以包括单个ADC或多个ADC。ADC 912的输入包括来自功率级914的直流总线电压、来自电流传感器916的电机电流总线以及来自霍尔元件920的霍尔反馈总线。ADC 912被示出为提供对应于电机918中转子的转子位置的三个输出信号。
[0036] 对于如前所述的提供模拟输出的非缓冲式霍尔元件，ADC 912的输出提供相应的数字值，其数字值范围为-2048到+2047(在12位ADC的情况下，原始输出在0到4095的数值范围内通常是无符号的，然后如果非缓冲式霍尔元件的零信号输入位于ADC输入范围的中间，那么通常将上述原始输出转换至-2048到+2047的有符号数值范围)。
[0037] 霍尔软件块908包括Hall-1输入端、Hall-2输入端和Hall-3输入端以及如前所述的HallAngle和HallFreq输出端。HallAngle和HallFreq输出端被耦接至霍尔/磁通角度开关906的第一输入端。磁通估计器910使用电机电流(Iu/Iv/Iw)和电压信息(Vα/Vβ)以生成FluxAngle和FluxFreq输出，FluxAngle和FluxFreq输出耦接至霍尔/磁通角度开关906的第二输入端。霍尔/磁通角度开关906的输出在微控制器输入的控制下，微控制器输入由如前所述的电机918的旋转频率控制。开关906的输出端被耦接至转子角度输入端与转子频率输入端。电机控制算法块接收命令信号以生成电机运行所需的PWM信号。
[0038] 块904、块908和块910中可以使用各种算法。以下描述根据实施方式的特定算法的各个方面，但是也可以实现其他算法。
[0039] 霍尔软件块908可以包括功能块以根据霍尔输入生成转子角度和转子频率(HallAngle和HallFreq)。取决于设计，霍尔元件的数量可以如前所述从一个到三个变化。可以使用不同的已知公式将霍尔元件信号转换为HallAngle值，HallAngle值表示由霍尔元件所感测的磁极的电角度。HallFreq表示磁极的旋转速度，并且可以根据当前计算周期的HallAngle值与上一个计算周期的HallAngle值的差来获得。HallAngle可以从当前所感测的霍尔元件信号直接转换而来。由于霍尔元件的非线性、霍尔元件位置的偏移、磁极的特性或与磁极相关的霍尔元件的位置，直接HallAngle值的线性度对于某些应用可能不够精确。
例如，在某些情况下，可能会出现过大的电机噪声或振动。附加处理可用于生成更加平滑的HallAngle，这会帮助降低电机噪声和振动。例如，可以计算同一角度两次出现之间的时间差，而这个时间信息又可以被用于通过线性增量生成实际的HallAngle输出。为了更进一步平滑HallAngle，可以将同一角度两次出现之间的时间差通过
低通滤波器进行滤波。
[0040] 磁通估计器910可以包括功能块以在没有霍尔元件信号的情况下生成转子角度和转子频率(块910中的FluxAngle和FluxFreq)。在该功能块中，基于电机电流和电机电压信息来计算FluxAngle和FluxFreq。为了使磁通估计器正确地工作，电机反电动势(“EMF”)信息必须存在。电机反电动势信息与电机速度成比例。如果电机不动就不存在反电动势，或者如果电机转速很低，则反电动势信息太小以致无法正确控制电机。角度开关906由微控制器902控制，以将转子角度和转子频率信息与来自霍尔软件块908或者磁通估计器块910的最合适的角度信息一起馈送到电机控制算法904中。总之，当电机不转动或以低速转动时，转子角度和转子频率来自霍尔块908。当电机速度在某一
阈值以上时，可以使用来自磁通估计器块910的角度和频率。切换速度可以取决于电机规格和控制板设计而变化。典型的切换速度可以设置在最大电机速度的3％到10％之间，因为对于合理设计的电机控制系统，来自磁通估计器的转子角度应该已经稳定。霍尔角度/频率和磁通角度/频率之间的切换也可以在实施方式中进行平滑处理。
[0041] 电机控制算法904可以包括功能块以针对功率级914中的每个开关器件生成接通/关断信号(PWM信号)。存在很多电机控制算法可用于控制电机。PWM信号的占空比和模式在不同电机角度或在不同负载状况下是不同的。PWM信号的占空比和模式的改变会导致施加在电机各相的电压和电流不同。PWM输出占空比和模式是基于转子角度和转子频率计算的，转子角度和转子频率是霍尔软件块908或者磁通估计器块910的输出。一些控制算法，比如，
磁场定向控制(“FOC”控制)也需要电机电流信息以调节电机各相的电流。
[0042] 在用于
驱动电机918的实施方式中，功率级914可以包括多个(比如，四个或六个)功率器件。功率级914还可以包括用于生成直流总线电压信息的滤波电容器和
分压器。
[0043] 在实施方式中，电流传感器916可以包括与功率器件中的至少一些功率器件相关联的感测电阻器或单独的电流感测输出。其他电流感测电路或设备在本领域是已知的。
[0044] 电机918可以包括尤其适用于低成本应用(诸如包括
风扇和其他
家用电器的小电器)的各种交流电机。
[0045] 虽然图9示出了三个霍尔元件920，但是如上所述，可以使用任意数量的霍尔元件。
[0046] 总之，在不需要相应的信号处理电路诸如比较器或运算放大器的情况下，只需要两个ADC通道以无源地感测(直接地或者通过
无源滤波器)每个霍尔元件输出的信号。已经描述了使用霍尔元件并且无源地耦接至一个ADC或多个ADC的特定实施方式和应用诸如电机控制应用。
[0047] 尽管已参考示例性实施方式对本发明进行了描述，但是不旨在以限制性意义来解释本
说明书。参考说明书，说明性实施方式以及本发明的其他实施方式的各种
修改和组合对本领域的技术人员是明显的。因此，所附
权利要求书旨在包含任何这样的修改或实施方式。
