霍爾效應數字開關測試裝置的設計研究

張文輝+袁文

摘 要：本文介紹了霍爾效應數字開關的分類、工作原理以及各項重要參數?；魻栃獢底珠_關測試裝置的總體設計方案充分考慮了測試的便捷和可操作性，利用實驗室常用設備如電源、示波器以及數字多用表和測試適配器進行構建。設計制作集合電磁鐵、開關、測試夾具和接口的綜合測試臺具有操作簡單、結構穩定、體積小和方便搬移等特點。依據設計方案完成的測試裝置可以快速準確地測量霍爾效應數字開關的各項電參數和磁參數，并且具有測試和篩選功能。

關鍵詞：霍爾效應數字開關；測試裝置；設計

一、引言

霍爾集成電路是一種磁敏傳感器?？梢詸z測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合中使用?；魻柤呻娐肥且曰魻栃頌榛A工作的。按照霍爾集成電路的功能可將它們分為：霍爾線性集成電路和霍爾開關集成電路。前者輸出模擬量，后者輸出數字量。通過霍爾集成電路能將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應力、位置、位移、速度、角度、轉速等轉變成電量來進行檢測和控制?；魻栭_關集成電路又稱霍爾效應數字開關，在直流無刷電機、無觸點開關、位置控制、轉速檢測、隔離檢測 、電流保護器、汽車點火器和安全報警裝置方面應用非常廣泛。

目前，在國標和行業標準中，還沒有對霍爾效應數字開關的測試形成統一的標準，國內也沒有廠家生產專門的測試儀器。傳統的霍爾器件測試系統大多由器件生產廠家自行研發，主要是由模擬分立元件構成，測試參數受環境影響較大，長期工作穩定性差，并且以指針式表頭來顯示測量參數，不夠直觀，讀數不方便。本文設計的測試裝置實現了檢測方法的科學規范，元器件檢測篩選的快速有效，器件參數準測試的確可靠。

二、霍爾效應數字開關原理和分類

霍爾效應數字開關由穩壓電源、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發器和輸出級組成。在外磁場的作用下，當磁感應強度超過導通閾值BOP 時，霍爾電路輸出管導通，輸出低電平。之后，磁感應強度B再增加，仍保持導通態。若外加磁場的B值降低到BRP 時，輸出管截止，輸出高電平。我們稱BOP 為工作點，BRP 為釋放點，BOP-BRP=BH 稱為回差?；夭畹拇嬖谑归_關電路的抗干擾能力增強。

霍爾效應數字開關根據其磁電轉換特性分為鎖定型和開關型。一般規定，當外加磁場的南極（S極）接近霍爾器件外殼上打有標志的一面時，作用到霍爾電路上的磁場方向為正磁場，北極（N極）接近標志面時為負磁場。

鎖定型霍爾效應數字開關的特點是：當外加正磁場B 正向增加，達到BOP 時，電路導通，之后無論B 增加或減小，甚至將B除去，電路都保持導通態，只有負磁場達到負向的BRP 時，才改變為截止態，因而稱為鎖定型。

開關型霍爾效應數字開關的特點是：當外加正磁場B 正向增加，達到BOP 時，電路導通，之后B減小到BRP 時即改變為截止態。

三、技術方案

（一）總體方案

設計的霍爾效應數字開關測試裝置可以完成對器件的主要特性參數工作點磁感應強度BOP、釋放點磁感應強度BRP、回差BH、輸出高電平電流IOH、輸出低電平電壓VOL、電源電流ICC、輸出上升時間tr和下降時間tf的測量要求。測試裝置應具有測試速度快，精度高，性能可靠的特點。

測試裝置的設計需要充分考慮到測試的便捷和可操作性，利用直流電源、示波器以及數字多用表和測試適配器進行構建。

測試裝置由穩壓電源、磁場發生裝置、測試適配器和結果測試儀器組成。測試裝置組成框圖見圖1。其中穩壓電源為器件提供直流電壓信號VCC；磁場發生裝置提供磁感應強度穩定和方向可變的磁信號；測試適配器用于實現被測器件與測試裝置的電氣連接，并配有相關接口連接結果測量儀器；結果測試儀器可測量器件的電壓、電流和時間參數。

霍爾效應數字開關測試原理圖如圖2所示。圖中直流穩壓電源、電流表2、極性切換開關K2和電磁線圈組成了磁場發生裝置，直流穩壓電源為電磁線圈提高線圈電流，電流表2讀取線圈電流的準確數值，極性切換開關K2控制線圈中的電流流向。Vcc、GND、Vout分別為霍爾效應數字開關的輸入端、地和輸出端，電流表1讀取工作電源電流。RL為霍爾效應數字開關的工作下拉電阻。K1開關控制下拉電阻RL的閉合和斷開。

根據電磁轉換原理，電磁線圈產生的磁場大小和線圈中流過的電流大小成正比。在設計中，通過調節電磁線圈兩端電壓，即調節直流穩壓電源輸出電壓控制磁感應強度。測量流過線圈的電流值，將電流值換算成器件的磁感應強度。

（二）測試裝置綜合測試臺設計

為了提高測試的效率應設計制作一個操作簡單的綜合測試臺。綜合測試臺應集合電磁鐵、開關、測試夾具和接口等。設計的綜合測試臺俯視圖如圖3所示，從上至下為散熱片、電磁鐵和操作面板。電磁鐵為圓柱體碳鋼鐵心磁鐵，散熱片與電磁鐵緊密貼合，將霍爾效應數字開關插入測試夾具使其正面敏感點應能正對電磁鐵中心點即可進行測試。操作面板上有共有測試夾具和2個開關，左右側面共有8個接線端子。開關和接線端子具體作用為：K1開關為器件下拉電阻閉合和斷開開關，閉合時下拉電阻為2KΩ； K2開關為磁場方向開關，分別為正磁場、斷開（無磁場）和負磁場；左側4個接線端子從上至下為Vcc、GND、Vout和示波器。右側4個接線端子從上至下為電磁鐵電源正端、負端、Vcc和Vout。

四、效果及其評價

（一）裝置測試效果

測試裝置完成安裝調試后，使用測試裝置對多個型號器件進行測試。測試結果基本與廠家測試結果或其它機構一致，但測試時間與傳統的霍爾器件測試系統相比縮短了近一半。限于篇幅，僅給出部分測試結果，如下表。

（二）測試裝置的特點

1.設計的磁場發生裝置磁感應強度穩定，重復性良好；采用優質碳鋼鐵心的電磁線圈，每次使用后剩磁均低于0.1 mT，幾乎不影響測試結果，無需進行剩磁處理。通過在直流穩壓電源和電磁線圈回路上增加一個雙刀雙擲開關實現了磁場極性可變；根據電磁轉換原理使用數字電流表和特斯拉計對電磁線圈回路電流與磁感應強度進行了多次測量，完成了電磁鐵電源電流與磁感應強度對應關系表得出相關系數，解決了現有設備能力不足無法測試磁感應強度的問題。

2.設計完成的綜合測試臺將電磁鐵、開關、測試夾具和接口很好的結合在一起。電磁線圈隱藏綜合測試臺之中不僅解決了電磁鐵磁屏蔽問題，又解決了電磁線圈的散熱問題；操作面板上各開關、測試夾具和接口布局合理、操作簡單、不易出錯；測試夾具設計成插拔拆卸式，方便多種封裝形式霍爾效應數字開關的測試夾具的安裝。整個綜合測試臺體積小，結構穩定，方便搬移。

五、結論

本文設計研究出的測試裝置經過不斷地調整修改，應用相關測試方法對霍爾效應數字開關進行了反復測試，結果表明裝置運行穩定可靠。實際測試過程也證明該系統具有操作簡便直觀、測試數據準確、工作效率高等特點。

參考文獻

[1] 半導體集成電路HK643型霍爾效應數字開關詳細規范[M].南京中旭電子科技有限公司. 2010.06.

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