1879年，霍耳發(fā)現(xiàn)：沿x方向流過的電流受到其垂直方向（z方向）的磁場(chǎng)作用時(shí)，帶電離子會(huì)受到y(tǒng)方向的磁力影響而產(chǎn)生電勢(shì)積累，這就是霍耳效應(yīng)。其中產(chǎn)生的電勢(shì)差稱為霍耳電壓。由于變化的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，那么，利用霍耳效應(yīng)做磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)是可行的，事實(shí)上也是目前普遍采取的方法。基于霍耳效應(yīng)的傳感-控制芯片廣泛應(yīng)用在電機(jī)控制、手機(jī)、電動(dòng)車、電流及磁場(chǎng)測(cè)量等領(lǐng)域。

　　實(shí)際應(yīng)用中，例如常用于PC散熱等用途的直流無刷電機(jī)，由于外部障礙物等因素，可能異常停止運(yùn)轉(zhuǎn)。那么，電機(jī)控制芯片需要通過霍耳傳感器對(duì)磁場(chǎng)相位監(jiān)測(cè)，判別異常停轉(zhuǎn)情況，及時(shí)關(guān)閉電機(jī)并延時(shí)重啟，以便電機(jī)能夠恢復(fù)正常工作。

　　圖1給出了本設(shè)計(jì)中霍耳效應(yīng)電機(jī)控制芯片的設(shè)計(jì)框圖，由霍耳感應(yīng)單元得到與磁場(chǎng)變換相關(guān)的電壓信號(hào)，經(jīng)放大器放大及磁滯比較器判別，控制邏輯監(jiān)測(cè)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，做出關(guān)斷或延時(shí)自啟動(dòng)等功能，功率輸出管驅(qū)動(dòng)外部電機(jī)工作。

圖1 霍耳效應(yīng)芯片的系統(tǒng)框圖

　　通常，電機(jī)需要在較寬的電壓范圍工作。在本設(shè)計(jì)中，目標(biāo)要求芯片能夠工作在3.3V~28V的電壓范圍，并且當(dāng)電機(jī)控制電壓高于54.7V時(shí)，將輸出電壓鉗位防止燒毀電機(jī)。

　　芯片工作電壓由其內(nèi)部電壓源產(chǎn)生，而常見的帶隙基準(zhǔn)很難在這樣寬的電壓范圍內(nèi)正常的工作。因此，設(shè)計(jì)中采用三極管時(shí)代流行的齊納二極管鉗位方法產(chǎn)生電壓源，如圖2所示。這種電壓源可以在很寬的電壓范圍工作，但也有電流消耗較大，且輸出隨電源電壓、溫度變化較大等諸多缺點(diǎn)。所幸在電機(jī)應(yīng)用中，這些缺點(diǎn)是次要的。

　　當(dāng)電壓VIN高于齊納管的反向擊穿電壓（一般約為6~7V，這里取6.5V）后，Vz電壓被鉗制在6.5V，R1起到限流的作用。而VIN低于6.5V而高于一定值，M1也可以導(dǎo)通，使得VCC有電壓，同樣可使內(nèi)部電路工作。其中，M1,M2,M3皆為高壓器件。經(jīng)過適當(dāng)設(shè)計(jì)，該電壓源可以在3V~65V之間工作。

圖2 內(nèi)部電壓源的產(chǎn)生

　　霍耳感應(yīng)單元常用的形狀和工藝材料等有多種，此設(shè)計(jì)使用正方形外形并基于無特殊摻雜的CMOS工藝。 在圖3左圖中，電流自+Vs流向地端，磁場(chǎng)垂直于該片面，則將在方形的另外兩頂點(diǎn)之間會(huì)形成霍耳電壓Vo1。而通過開關(guān)控制，在下一時(shí)刻，電流流向及霍耳電壓取向改為右圖所示，這樣也能夠消除硅片的壓電電阻（ΔR)效應(yīng)。這樣較其他設(shè)計(jì)中常見的采用2個(gè)或4個(gè)霍耳感應(yīng)單元消除壓電電阻效應(yīng)的方法更省面積，復(fù)雜度也有所減小。

圖3 霍耳感應(yīng)單元

　　感應(yīng)的霍耳電壓經(jīng)過放大器放大和磁滯比較器輸出相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。根據(jù)實(shí)際情況，在典型情況下可以將工作點(diǎn)設(shè)為30高斯，釋放點(diǎn)設(shè)為-30高斯，磁滯寬度為60高斯。

　　磁滯比較器的輸出信號(hào)交由芯片控制邏輯部分處理。為克服電機(jī)工作中的意外終止，本設(shè)計(jì)包含了防鎖死及自動(dòng)重啟機(jī)制。該機(jī)制根據(jù)比較器輸出信號(hào)相位的改變進(jìn)行邊沿監(jiān)測(cè)、計(jì)數(shù)、重置等工作，與其他邏輯信號(hào)來判斷芯片的工作狀態(tài)。

圖4 防鎖死重啟電路及時(shí)序

　　防鎖死重啟電路及時(shí)序如圖4所示，CompA經(jīng)過延遲后與延遲之前信號(hào)進(jìn)行異或運(yùn)算，即可監(jiān)測(cè)出脈沖邊緣變化。若使用1MHz的時(shí)鐘信號(hào)，計(jì)數(shù)器持續(xù)計(jì)數(shù)到218=262,144μs時(shí)，電路進(jìn)入鎖死狀態(tài)。21位計(jì)數(shù)器繼續(xù)工作直到溢出，其間時(shí)間差為221-218=1,835,008μs，約1.8秒后嘗試重啟，直到電機(jī)正常工作。

　　作為電機(jī)控制芯片，設(shè)計(jì)要求對(duì)輸出功率管的開關(guān)按照一定邏輯順序進(jìn)行，并且需要監(jiān)視防鎖死重啟電路的輸出，以及控制功率管的死區(qū)(dead zone)時(shí)間等。這些功能由芯片邏輯控制部分完成，該部分簡(jiǎn)化電路如圖5所示。Comp信號(hào)為經(jīng)過處理的磁滯比較器的輸出，Osc信號(hào)來自振蕩器，H_peak信號(hào)是計(jì)數(shù)器的輸出，Reset及其反信號(hào)是重啟動(dòng)控制信號(hào)。當(dāng)正常工作時(shí)，開關(guān)SW1及SW3有效；當(dāng)系統(tǒng)需要重啟動(dòng)時(shí)，開關(guān)SW2及SW4有效。由En信號(hào)控制開關(guān)組選擇芯片處于正常狀態(tài)或是重啟動(dòng)狀態(tài)，En信號(hào)電平由防鎖死重啟邏輯判斷給出。