隨著電動汽車的成長，到2026年，汽車產業應用中對小巧、精準的位置感測器的需求將大幅成長至16億美元。這些感測器追蹤負責牽引機械、動力轉向及車窗的馬達內轉子的位置，並確保控制與安全涵蓋範圍。首先，本文回顧傳統近接、位置偵測方式以及它們的限制因素。接著，在討論汽車產業應用中使用限制因素之前，先考量依據霍爾效應的磁性近接感測器與位置感測器的操作及優勢。最後，本文介紹霍爾感測器切換器/閂鎖電路，這些裝置使汽車系統能夠獲得最高等級的汽車安全認證ISO 26262。
傳統位置感測技術問題
電位計、光學編碼器及解角器最廣泛用於位置感測，但每種感測方式各有優缺點，影響它們在汽車產業應用中的使用。電位計使用實體接觸以測量旋轉動作。然而，這意謂著它們會受到摩擦引起機械磨損，效能可能會受到衝擊或振動影響。此外，污垢、灰塵、濕氣或油脂等異物對電阻元件的污染會損害效能，甚至導致過早失效。
光學編碼器透過偵測帶有開孔的圓盤(通常稱為碼輪)，在LED光源與光電二極體感測器之間旋轉所產生的交替明暗區域來測量位置。然而，它們很容易受到污染，這會干擾光源與偵測器，進而降低可靠度。光學編碼器的另一個缺點是它們體積龐大(在空間受限的汽車中是個問題)， 並且必須精確組裝才能將容差降到極低。
解角器(Resolver)使用電磁轉換器來測量高轉速下的位置。雖然它們準確度高， 但它們又大又重，導致成本增加，且與小空間汽車產業應用更不相容。
磁性感測器更小/更輕/成本更低
霍爾效應(或霍爾)感測器(Hall Sensor)(圖1)通常包括一個以上的嵌入式磁性元件。當外部磁場進入感測器附近時，它會改變嵌入式磁場的極性與強度。隨著這種變化，感測器兩端的電位差發生變化，這可用於追蹤外部磁場的變化。例如，簡單的磁性切換器使用霍爾感測器與鎖定機制兩側的磁鐵來偵測窗戶或門的開啟與關閉。
霍爾感測器技術不斷發展，在許多產品應用中實現精確的線性與旋轉定位測量。旋轉位置感測器可以使用簡單的元件來實現，包括固定的感測器載板，垂直安裝在轉子軸之上的旋轉磁鐵上。
製造商開發出在積體電路(IC)中採用標準互補式金屬氧化物半導體(CMOS)的製程，並藉此生產霍爾感測器，可以大量生產更具成本效益。因此，磁性位置感測器比其他感測器技術更小、更輕、更便宜。
使用霍爾感測器的汽車需求
採用電子控制轉向與換檔等功能，與使用機械或液壓致動相比，更可以提高效能、提高可靠度、並減少尺寸與重量。對於汽車產業應用而言，動力轉向馬達、底盤定位、雙離合器變速、混合動力與全電動汽車中的牽引馬達定位，以及轉向角偵測功能尤為重要。
霍爾感測器重量較輕，有助於汽車製造商降低油耗，而較小的尺寸提高機械設計的彈性。雖然將霍爾感測器技術用於汽車產業應用的吸引力顯而易見，但汽車產業對品質、可靠度及安全性，適用於安全關鍵功能、禁用商品等級與通用霍爾感測器上，有特定要求。這些要求包括：
品質
安全認證和汽車工程委員會的標準明確指出可重複性、可追溯性及生產品質的確切要求。這些不僅適用於個別元件，也適用於整個感測器系統組裝元件。在每個認證標題下，通用霍爾感測器並不符合汽車產業的典型效能規範，這意謂著這些通用感測器可能會使汽車OEM面臨更高的故障風險。某些以前安裝在生產車輛中的通用磁性位置感測器，為車輛製造商帶來可靠度問題與安全疑慮。
問題的主要原因是來自於外部磁性干擾。汽車本身是一個電氣雜訊環境，有許多雜散磁場，這些雜散磁場會使IC感應訊號失真，干擾磁性感測器的運作。這可能會導致測量誤差，進而影響感測器位置讀數的準確性。例如，在電動車(EV)牽引馬達中，這些錯誤可能導致扭力嚴重降低甚至完全喪失，或是不可預測的車輪旋轉。
可靠度
關鍵汽車產業應用中使用的裝置，預計將在比消費性或工業裝置更寬的溫度範圍內操作。其使用壽命也被指定至少要長達十年以上。也需要注意組裝生產的可重複性方面的問題。霍爾感測器測量相對於安裝在馬達軸上成對磁鐵的位置，馬達軸相對於靜態感測器旋轉，並與感測器之間有很小的氣隙。在生產過程中，有些製造商因此遇到組裝容差造成的品質問題。
安全性
在採用ISO 26262功能安全性標準後，標準也針對磁性位置感測器的使用進行審查。本標準要求在系統層級執行嚴格的故障模式影響和診斷分析(FMEDA)，並實施充分的安全對策以應對已知故障機制的相關風險。商品等級的磁性位置感測器不具備在裝置故障期間保證系統安全所需的功能，也不受符合ISO 26262標準的開發、生產流程及文件的支援。
霍爾感測器切換器/閂鎖電路
產品如Diodes的AH32xxQ系列雙線霍爾感測器、單極切換器及閂鎖電路基於先進的設計，使汽車系統製造商能夠實現符合ISO 26262標準的位置和近接感測系統。這些IC符合AEC-Q100標準，在IATF 16949認證場所按照最高標準製造，並支援PPAP文件。它們還提供高靈敏度與耐用性(8kV ESD耐受能力)。這些感測器IC只需要兩根導線，以降低特別長線束的總體系統成本。與大多數具有電壓輸出的霍爾感測器切換器不同，這些裝置提供的電流輸出比存在雜訊尖峰時的電壓更有彈性。為彈性起見，它們設計用於在寬電壓範圍(2.7~27V)內運作，並採用產業標準SC59與SIP-3封裝。
該感測器整合自我診斷功能，符合ASIL標準系統的最佳選擇，這些系統需要高階功能安全性(圖2)。這些功能在後台運作，無需外部啟動。如果偵測到錯誤，裝置將進入「安全模式」操作，此時輸出(電源)電流降至1mA，作為系統的警告訊號。此外，整合自我診斷監控電源電壓與溫度，並對主要功能區塊進行自我測試。
小型感測器滿足電動車需求
汽車電氣化是汽車中馬達數量增加的重要驅動因素，這反而又產生對小型、輕型、可靠及低成本感測器的需求，用以追蹤它們的速率與位置。磁性位置和近接感測器基於霍爾效應提供解決方案；但是，商品等級版本並不適合汽車產業應用，因為它們不允許位置感測系統滿足ISO 26262等安全標準。
其中，霍爾切換器/閂鎖電路經過專門設計，具有寬工作電壓範圍，以提高其靈敏度和電流輸出訊號，進而提高存在電壓尖峰時的耐用性。該系列中一些裝置還包括自我診斷功能，使感測器子系統能夠通過汽車產業應用所需的安全認證。
(本文作者為Diodes公司感測器產品線經理)
