導(dǎo)言

在電子器件領(lǐng)域快速發(fā)展的背景下，如何在不影響性能的前提下實(shí)現(xiàn)功耗優(yōu)化，已成為工程師面臨的重要挑戰(zhàn)。

本應(yīng)用筆記聚焦微功耗霍爾傳感器的工作原理，這些原理對(duì)于提升現(xiàn)代電子系統(tǒng)的運(yùn)行效率與應(yīng)用性能至關(guān)重要。隨著行業(yè)逐漸轉(zhuǎn)向更注重功耗的應(yīng)用場(chǎng)景，為特定需求選擇適配器件時(shí)，深入理解微功耗器件相關(guān)的權(quán)衡要素變得愈發(fā)關(guān)鍵。

此外，本文還剖析了微功耗開關(guān)及鎖存器磁傳感器的基本原理，并提供了涵蓋器件選型與無源元件集成的全面技術(shù)指南，助力系統(tǒng)性能提升。

滿足一個(gè)低功耗世界的需求

延長(zhǎng)電池壽命和提高能源效率的需求促進(jìn)了微功耗應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域的普及，許多市場(chǎng)和應(yīng)用可以從微功耗磁傳感技術(shù)中獲益良多。

在智能家居中，微功耗開關(guān)和鎖存器傳感器使高能源效率門鎖和電表防篡改檢測(cè)成為可能，從而增強(qiáng)了設(shè)施安全并防止了能源盜竊。窗戶、門和便攜式電子設(shè)備（如手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦）的開/關(guān)檢測(cè)系統(tǒng)也依靠微功耗磁傳感器實(shí)現(xiàn)了高效節(jié)能運(yùn)行。暖通空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)在阻尼器、閥門和電磁線圈中使用微功耗開關(guān)/鎖存器傳感器，以實(shí)現(xiàn)精確控制和更好的能源效率。能量收集應(yīng)用（從周圍環(huán)境中收集能量的應(yīng)用）也受益于微功耗傳感器，以最大限度地利用收集的能量。

這些應(yīng)用展示了微功耗磁傳感技術(shù)在消費(fèi)、工業(yè)和汽車領(lǐng)域優(yōu)化能源效率和延長(zhǎng)電池壽命方面的多元化實(shí)例。這些應(yīng)用都有獨(dú)特的要求，必須考慮這些要求以確保系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。

例如，筆記本電腦的開/關(guān)檢測(cè)系統(tǒng)必須對(duì)于用戶有足夠的響應(yīng)速度，同時(shí)也必須足夠節(jié)能以在充電前保障電池電量。此外，對(duì)于不頻繁監(jiān)測(cè)環(huán)境的電池供電的防篡改系統(tǒng)，具有較慢的刷新率和響應(yīng)時(shí)間的傳感器可能更為合適，從而在設(shè)計(jì)中充分利用其低功耗特性。像AllegroAPS11753和APS12753微功耗霍爾傳感器權(quán)衡了這些和更多應(yīng)用中所需的性能、低功耗和設(shè)計(jì)靈活性。

圖1 微功耗器件的應(yīng)用

圖1說明了微功耗磁傳感應(yīng)用的范圍及其在功耗和響應(yīng)時(shí)間之間的權(quán)衡。

超低功耗系統(tǒng)經(jīng)常使用紐扣電池。因此，必須保證傳感器在低電池電壓供電時(shí)保持性能的能力。Allegro APS11753和APS12753的供電電壓范圍為2.2 V至5.5V，簡(jiǎn)化了將高性能磁傳感器集成到節(jié)能電池供電的設(shè)計(jì)過程。

微功耗鎖存器和開關(guān)：降低功耗

微功耗磁開關(guān)或鎖存器的目標(biāo)是最小化功耗，同時(shí)保持應(yīng)用所需的功能和性能。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，APS11753和APS12753通過內(nèi)置的占空比機(jī)制減少平均電流消耗，該機(jī)制定期激活和關(guān)閉傳感器的內(nèi)部電路。這個(gè)循環(huán)過程包括兩個(gè)不同的階段：一個(gè)"喚醒"階段(tAWAKE)和一個(gè)"睡眠"階段(tSLEEP)（見圖2）。

圖2 器件輸出周期性刷新

喚醒階段(tAWAKE)

在喚醒階段的短暫時(shí)間內(nèi)，傳感器和信號(hào)通路處于激活狀態(tài)，傳感器進(jìn)入穩(wěn)態(tài)并測(cè)量磁場(chǎng)。為了最小化能量消耗，喚醒階段的持續(xù)時(shí)間必須設(shè)計(jì)得剛好足夠進(jìn)入穩(wěn)態(tài)和準(zhǔn)確采樣。

睡眠階段(tSLEEP)

為了節(jié)省功耗，在喚醒階段之后，傳感器和信號(hào)通路電路關(guān)閉。在這個(gè)睡眠階段期間，輸出鎖定為最后采樣的狀態(tài)，無論外部磁場(chǎng)有任何變化，都保持該輸出狀態(tài)。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來說，睡眠階段對(duì)系統(tǒng)工作沒有顯著影響。

平均電流消耗(ICC(AVERAGE))

對(duì)于微功耗開關(guān)或鎖存器，平均電流消耗(ICC(AVERAGE))由睡眠和喚醒階段的電流消耗(ICC(AWAKE)和ICC(SLEEP))的加權(quán)平均值確定，通常計(jì)算為：

輸出電氣配置

通常情況下，磁開關(guān)或鎖存器傳感器具有開漏或推挽式輸出配置。具有開漏配置的設(shè)備需要外部上拉電阻才能正常工作。通過該電阻的電流也必須計(jì)算在系統(tǒng)的整體功耗中。使用較大的電阻值來減小電流消耗似乎是一個(gè)淺顯的設(shè)計(jì)思路；然而，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，傳感器輸出晶體管的漏電流會(huì)產(chǎn)生偏移，這限制了上拉電阻的最大值。

針對(duì)微功耗應(yīng)用，通常最好選擇像APS11753或APS12753這樣具有推挽式輸出的器件。在這種配置中，內(nèi)部集成的晶體管用于上拉輸出，從而避免了外部上拉電阻及其相關(guān)的功耗。這種方法還節(jié)省了所使用的器件數(shù)量。

圖3：輸出驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)對(duì)比

刷新率與電池壽命的關(guān)系

為滿足特定應(yīng)用要求，APS11753和APS12753在器件響應(yīng)時(shí)間和功耗方面提供了靈活的可選配置。為說明這一點(diǎn)，圖4展示了一個(gè)紐扣電池充電狀態(tài)的仿真。該仿真采用了兩種不同配置的低壓微功耗開關(guān)APS11753用于估算電流消耗。可以觀察到，刷新率的不同在很大程度上會(huì)影響電池壽命：

?tSLEEP= 1.5ms的器件在4,000小時(shí)內(nèi)耗盡電池電量。

?tSLEEP= 48ms的器件在47,000小時(shí)后耗盡電池電量。

圖4：APS11753模擬電池壽命對(duì)比

結(jié)論

選擇合適的微功耗開關(guān)或鎖存器，需要細(xì)致考量功耗需求，同時(shí)兼顧所需的傳感器刷新率。本應(yīng)用筆記探討了微功耗霍爾傳感器（如Allegro APS11753和APS12753）的功能和優(yōu)勢(shì)；并強(qiáng)調(diào)了霍爾傳感器選型對(duì)實(shí)際應(yīng)用中功耗控制及電池壽命的直接影響。

通過理解并考量這里提到的關(guān)鍵因素，工程師可以更有信心地選擇先進(jìn)的Allegro磁傳感器解決方案，以滿足其特定應(yīng)用要求，為創(chuàng)新節(jié)能設(shè)計(jì)開辟新路徑。