(Bild: Infineon)
Sensor für Gangwahlhebel. Infineon
Konventionelle lineare Hall-Sensoren, Hall-Schalter und Winkelsensoren erkennen nur Magnetfeldkomponenten, die senkrecht zur Oberfläche des Chips stehen; GMR-Winkelsensoren (Giant Magnetoresistance) messen nur die planar ausgerichtete Feldkomponente. Der Sensor TLE493D-W1B6 von Infineon kann gleichzeitig die x-, y- und z-Koordinaten des Magnetfelds bestimmen (Bild 1). Durch die Erkennung der Magnetfeldkomponenten aller drei Achsen erhält man ein ganzheitliches dreidimensionales Bild des am Sensor anliegenden Magnetfelds. Jede Bewegung durch den Magneten führt zur Änderung von mindestens einer Magnetfeldkomponente, die der 3D-Magnetsensor erkennt.
Ermöglicht wird die dreidimensionale Sensorik durch die Integration vertikaler und horizontaler Hall-Platten auf einem Sensorchip. Die vertikalen Hall-Platten erfassen die planar ausgerichteten Feldkomponenten der x- und y-Richtung; die horizontale Hall-Platte ermittelt die senkrecht ausgerichtete Feldkomponente (z-Richtung).
In die Entwicklung des Sensors sind mehrere Konzepte eingeflossen. Nutzer des Sensors können für jede Magnetfeldrichtung einen Magnetfeldkorridor definieren. Wenn das gemessene Magnetfeld außerhalb des Korridors liegt, sendet der Sensor ein „Wecksignal“ an den angeschlossenen Mikrocontroller. Ein weiteres Entwicklungsziel war die Senkung der Stromaufnahme. Dank Designtechnologien wie dem stromsparenden Oszillator ließ sich die Stromaufnahme des Sensors auf wenige Nanoampere senken. So nimmt der Sensor zum Beispiel im Power-Down-Modus 7 nA auf. Als Ergebnis ist ein Siliziumbauteil entstanden, das trotz seines großen Funktionsumfangs in ein TSOP-6-Gehäuse mit sechs Anschlüssen und einer Grundfläche von 2,9 mm × 1,6 mm passt.
Aufgrund seiner geringen Stromaufnahme und seines integrierten Magnetfeld-Weckers eignet sich der TLE493D-W1B6 für Anwendungen, die regelmäßig Positionsänderungen erkennen müssen und nur wenig Energie verbrauchen dürfen. Dadurch lassen sich präzise, stromsparende Systemkonzepte realisieren, die sich bei Bedarf vom Sensor wecken lassen.
Eckdaten
Der 3D-Magnetsensor TLE493D-W1B6 ermöglicht eine genaue und energieeffiziente 3D-Magnetfelderkennung und eignet sich für unterschiedliche Anwendungen wie zum Beispiel im Gangwahlhebel eines Fahrzeugs. Flexible Betriebsarten ermöglichen dedizierte und skalierbare Systemdesigns mit großem Messbereich für präzise Positionsbestimmungen bei geringer Stromaufnahme. Ein integrierter Magnetfeld-Wecker kann Mikrocontrollersysteme „aufwecken“, um sie über eine Positionsänderung zu informieren.
Der Magnetfeld-Wecker ist eine Funktion des Sensors, die den angeschlossenen Mikrocontroller aus dem Sleep-Modus weckt. Der Weckimpuls des Sensors erfolgt, sobald eine Positionsänderung des Magneten eine Änderung des gemessenen Magnetfelds bewirkt.
Der Sensor verfügt über einen Digitalausgang mit einer zweiadrigen I²C-Standardschnittstelle, die eine hohe Kommunikationsgeschwindigkeit sowie einen Bus-Modus ermöglicht. Damit Kundensysteme hohe Qualitätsstandards und verschiedene Umweltvorschriften erfüllen können, ist der TLE493D-W1B6 nach dem Automotive-Standard AEC-Q100 qualifiziert. Zudem stellt der Anbieter alle relevanten ISO 26262-Dokumente zur Verfügung, um Systemanforderungen der funktionalen Sicherheit zu erfüllen.
Architektur und Besonderheiten
Die Sensorarchitektur besteht aus drei Hauptfunktionseinheiten (Bild 2): Power-Mode-Steuerungseinheit, Sensoreinheit und Kommunikationseinheit.
Bild 2: Blockschaltbild des Sensors TLE493D-W1B6. Infineon
Die Power-Mode-Steuerungseinheit dient der Energieverteilung im IC und steuert auch den Einschaltvorgang des Sensors.
Die Sensoreinheit enthält die beiden vertikalen Hall-Platten und die horizontale sowie einen Temperatursensor. Sie nimmt Messungen des Magnetfelds in x-, y- und z-Richtung vor. Mit vertikalen Hall-Platten für beide planaren Magnetfeldkomponenten (x- und y-Richtung) erzielt der Sensor eine magnetische Abgleich-Genauigkeit von±1 %, sodass präzise Winkelmessungen möglich sind.
Jede x-, y- und z-Hall-Platte ist hintereinander an einen Multiplexer geschaltet, der an den Analog/Digital-Wandler (ADC) angeschlossen ist. Der Temperatursensor ist ebenfalls an den Multiplexer angeschlossen und lässt sich optional aktivieren.
Der Mikrocontroller kann immer auf die Kommunikationseinheit mit der entsprechend der I2C-Fast-Modus-Spezifikation (400 kBit/s) ausgelegten Schnittstelle und den Registerdateien zugreifen, um Registerwerte auszulesen. Die Werte für die drei Achsen und die Temperatur befinden sich in separaten Registern. Mit einem optimierten elektrischen Aufbau lassen sich Datenraten von 1 MBit/s und mehr erreichen. Als weitere Eigenschaft lässt sich der Sensor gemäß den Richtlinien des I2C-Protokolls auch in einem I2C-Bus mit anderen Geräten einsetzen.
Bei der 3D-Magnetfelderkennung bietet der TLE493D-W1B6 eine Datenauflösung von 12 Bit für jede Messrichtung. Dies ermöglicht eine hohe Datenauflösung von 0,098 mT pro Bit (LSB, Last Significant Bit). Damit sind kleinste Bewegungen des Magneten messbar. Lineare Magnetfeldmessungen (B) von Bx, By und Bz sind für den linearen Feldbereich von ±150 mT möglich. Dadurch lässt sich auch eine lineare magnetische Bewegung von bis zu 4 cm messen. Der große Messbereich sorgt außerdem für ein einfaches, robustes und flexibles Magnetkreisdesign.
Flexible Power-Betriebsarten
Nach jedem Messzyklus übermittelt der Sensor ein Interrupt-Signal an den angeschlossenen Mikrocontroller, der dann die Magnet- und Temperaturwerte aus den Registern auslesen kann. Das Interrupt-Signal des Sensors lässt sich zum Aufwecken eines Mikrocontrollersystems aus dem Sleep-Mode nutzen. Wenn sich das Gesamtsystem im Sleep-Modus befindet und nur in der Auslesephase aktiviert ist, lässt sich die Stromaufnahme des Gesamtsystems drastisch senken.
Beim TLE493D-W1B6 kann der Benutzer elf verschiedene Power-Modi wählen: Power-Down, Fast-Mode, acht Low-Power-Modi und einen Master-Controlled-Mode (Tabelle 1). Alle Betriebsarten lassen sich während des Betriebs über die I²C-Schnittstelle konfigurieren und wechseln. Die Betriebsmodi unterscheiden sich in der Häufigkeit der Messzyklen pro Sekunde. Der Sensor lässt sich während des Betriebs in jeden gewünschten Modus versetzen.
Tabelle 1: Der TLE493D-W1B6 verfügt über elf vom Benutzer wählbare Power-Modi. Infineon
In der Power-Down-Betriebsart sind alle Funktionsblöcke abgeschaltet. In dieser Zeit erfolgen keine magnetischen Messungen. Die Stromaufnahme reduziert sich auf 7 nA.
Im Fast-Mode erfolgt die Optimierung der Auslese-Geschwindigkeit. Während des Auslesens eines Messergebnisses kann bereits die nächste Magnetfeldmessung erfolgen. Dieser Modus eignet sich besonders zum Erkennen sehr schneller magnetischer Bewegungen. Die Stromaufnahme des Sensors beträgt im Fast-Mode maximal 3,7 mA bei einer Abtastrate von etwa 8 kHz, was 8000 Messzyklen pro Sekunde entspricht.
Insgesamt verfügt der TLE493D-W1B6 über acht verschiedene Low-Power-Betriebsarten. In allen Stromspar-Betriebsarten wacht der Sensor regelmäßig und selbstständig aus dem Power-Down-Modus auf, um magnetische Messungen durchzuführen. Die Stromaufnahme ist dabei abhängig von der Häufigkeit der Messzyklen pro Sekunde (Bild 3).
Bild 3: Gangwahlhebel, realisiert mit sechs Hall-Schaltern (links) oder mit einem 3D-Magnetsensor (rechts). Infineon
Im Master-Controlled-Modus lässt sich der Sensor flexibel und abhängig von den Anwendungsanforderungen auslesen. Nach jeder Messung wartet der Sensor, bis der Mikrocontroller (Master) die Register ausgelesen hat. Je nach Anwendungsbedingungen kann der Auslesevorgang sofort oder mit einiger Zeitverzögerung erfolgen. Sobald der Mikrocontroller die Magnetwerte erfasst hat, löst der Sensor einen neuen Messzyklus aus. Dieser Modus ist besonders von Nutzen, wenn mehrere Sensoren des Typs TLE493D-W1B6 über einen I²C-Bus zur Erkennung großer linearer Bewegungen angeschlossen sind. Der Mikrocontroller (Master) entscheidet, welche Sensordaten relevanter sind und löst den entsprechenden Sensor aus.
Anwendungsbeispiel Gangwahlhebel
Ein magnetischer 3D-Sensor lässt sich gut für die Erkennung der Stellung eines Gangwahlhebels im Auto verwenden. Aktuelle Lösungen mit mindestens sechs Hall-Schaltern lassen sich durch einen 3D-Sensor ersetzen. Da der TLE493D-W1B6 die gleichen Gehäuseabmessungen wie moderne Hall-Schalter aufweist, lassen sich im System Platz- und Kostenersparnisse erzielen.
Bild 3 zeigt ein Beispiel eines Gangwahlhebels für das Automatikgetriebe in einem Mittelklassewagen als Alternative mit dem 3D-Sensor. Links in Bild 3 sind sechs Gangwahlpositionen auf einem Kreisbogen im Abstand von sechs Grad zu sehen. Im Original-Gangwahlhebel erfolgt die Messung aller sechs Gangwahlpositionen mit jeweils einem Hall-Schalter. Diese sechs Hall-Schalter lassen sich durch einen 3D-Sensor TLE493D-W1B6 ersetzen (Bild 3, rechts).
Für ein robustes magnetisches Design sind folgende Parameter zu verwenden: Magnetform: Quaderförmig (7 mm x 5 mm x 3 mm), Magnetmaterial: NdFeB, Remanenz: 1T, Sensor: TLE493D-W1B6, Luftspalt zwischen Sensor und Magnet = 4 mm, Magnetisierung: Axial, Hebelarm = 1,3 cm, überstrichener Winkel = 0 bis 30 °. Mit sechs Positionen ergibt sich eine „Auflösung“ von sechs Grad pro Position.
Mit obigen Parametern ist ein lineares Verhalten zwischen mechanisch ausgelenktem Winkel und berechnetem sphärischem Winkel Theta Ɵ erreichbar. Der sphärische Winkel berechnet sich aus der x-, y- und z-Komponente des Sensors (Bild 4). Damit lässt sich eine eindeutige Winkelbestimmung und somit eine eindeutige Positionsbestimmung durchführen.
Bild 4: Eindeutige Positionsbestimmung mit einem 3D-Magnetsensor. Infineon
Funktionale Sicherheit
Der Sensor TLE493D-W1B6 verfügt zusätzlich über Testfunktionen, um ein Fehlverhalten während des Betriebs zu erkennen. So ist die komplette Signalkette des Sensors jederzeit überprüfbar. Der Test liefert einen definierten Wert, den der Mikrocontroller mit dem Erwartungswert abgleichen kann. Bei der Einhaltung des Erwartungswertes muss der Master keine weiteren Maßnahmen ergreifen. Die Testzeiten belaufen sich auf unter 1 ms.
Wecker-Funktion
Ein weiteres Merkmal des TLE493D-W1B6 ist der bereits oben erwähnte Magnetfeld-Wecker. Für alle drei Magnetfeldrichtungen lässt sich für die Magnetfeldstärke ein Korridor in Milli-Tesla festlegen. Zyklisch erfolgt die Messung des Magnetfelds im eingestellten Modus und der Vergleich mit dem Korridor. Bleibt der gemessene Magnetfeldwert aller drei Richtungen innerhalb des Korridors, unterdrückt der Sensor das Interrupt-Signal. Übersteigt oder unterschreitet der gemessene Magnetfeldwert die Ober- und Untergrenzen des Korridors, iniziiert der Sensor einen Interrupt und weckt den Mikrocontroller auf (Bild 5). Wird der Master (Mikrocontroller) aktiv, liest er die Magnetfeldwerte in den Registern aus. Der Korridor lässt sich jederzeit für alle drei Achsen unabhängig voneinander festlegen. Somit ist auch ein Nachziehen der Schwellen möglich, um auf veränderte mechanische Positionen zu reagieren.
Bild 5: Magnetfeld-Korridor (oben) für die Magnetfeld-Wecker-Funktion. Infineon
Mit dem Magnetfeld-Wecker lässt sich das komplette Mikrocontrollersystem in den Schlaf-Modus versetzen. Nur bei Positionsänderungen am Magneten weckt der Sensor den Mikrocontroller und die angehängten Systeme. Aufgrund dieser Möglichkeiten lassen sich stromsparende Systeme entwickeln, die schnell auf Positionsänderungen reagieren können.
Hannes Birk
Sigmund Zaruba
(hb)
