3D-Magnetsensor für Konsumgüter-, Automobil- und Industrieanwendungen

Bild 1: Der 3D-Sensor TLV493D-A1B6 erfasst Änderungen am Magnetfeld in allen drei Koordinaten. Infineon

Konventionelle lineare Hall-Sensoren, Hall-Schalter und Winkelsensoren erkennen nur Magnetfeldkomponenten, die senkrecht zur Oberfläche des Chips stehen; GMR-Winkelsensoren messen nur die planar ausgerichtete Feldkomponente. Der Sensor-Baustein TLV493D-A1B6 von Infineon hingegen bestimmt gleichzeitig die x-, y- und z-Koordinaten des Magnetfelds (Bild 1). Indem er die Magnetfeldkomponenten aller drei Achsen erkennt, erhält er ein ganzheitliches, dreidimensionales Bild des am Sensor anliegenden Magnetfelds. Jede Bewegung durch den Magneten beeinflusst mindestens eine der drei Magnetfeldkomponenten.

Um die dreidimensionale Sensorik zu ermöglichen, integriert Infineon sowohl vertikale als auch horizontale Hall-Platten auf dem Sensorchip. Die vertikalen Hall-Platten erfassen die planar ausgerichteten Feldkomponenten der x- und y-Richtung, die horizontale Platte ermittelt die senkrecht ausgerichtete Feldkomponente (z-Richtung).

Effizienter Sensor

Ein wichtiges Entwicklungsziel war, die Stromaufnahme zu senken. Dank innovativer Designtechnologien wie einem energiesparenden Oszillator begnügt sich der Sensor mit wenigen Nanoampere, beispielsweise 7 nA im Power-Down-Modus. Trotz der geringen Stromaufnahme muss die 3D-Magnetsensorik aber sehr präzise arbeiten. Das Ergebnis ist ein Siliziumbauteil, das in ein kleines Gehäuse passt. Das verwendete TSOP-6-Gehäuse ist nur 2,9 mm auf 1,6 mm groß und damit kleiner als alle derzeit auf dem Markt erhältlichen 3D-Magnetsensoren.

Dank des kleinen Gehäuses und der geringen Stromaufnahme eignet sich der TLV493D-A1B6 für den Einsatz in Anwendungen, die bisher noch keine Magnetsensorik nutzen. Er ersetzt dabei Potenziometer und optische Lösungen. Durch die kontaktlose Positionsbestimmungen und die hohe Temperaturstabilität der magnetischen Schaltpunkte lassen sich kleinere, präzisere und robustere Systemkonzepte realisieren. Der Sensor besitzt einen Digitalausgang über eine zweiadrige I²C-Standardschnittstelle. Sie ermöglicht eine hohe Kommunikationsgeschwindigkeit und nutzt den Bus-Modus zur bidirektionalen Kommunikation zwischen Sensor und Mikrocontroller.

Bild 2: Blockdiagramm des TLV493D-A1B6 mit den Hauptfunktionseinheiten: Power-Modus-Steuerungssystem, Sensorbauteil und I²C-Schnittstelle. Infineon

Architektur

Die Sensorarchitektur besteht aus drei Hauptfunktionseinheiten (Bild 2): Power-Mode-Steuerungseinheit, Sensoreinheit und Kommunikationseinheit. Die Power-Mode-Steuerungseinheit dient der Energieverteilung im IC. Sie steuert auch den Einschaltvorgang des Sensors. Die Sensoreinheit enthält die vertikalen und horizontalen Hall-Platten und einen Temperatursensor. Diese Einheit nimmt Messungen des Magnetfelds in x-, y- und z-Richtung vor. Jede Hall-Platte ist hintereinander über einen Multiplexer mit dem Analog-Digital-Wandler verbunden. Der Temperatursensor ist ebenfalls an den Multiplexer angeschlossen, er lässt sich aber deaktivieren, um die Gesamtstromaufnahme um etwa 25 % zu senken.

Der Mikrocontroller kann in jedem Power-Modus auf die Kommunikationseinheit mit der I²C-Schnittstelle und den Registerdateien zugreifen, um Registerwerte auszulesen. Die Werte für die drei Achsen und die Temperatur liegen in separaten Registern. Die Schnittstelle erfüllt die I²C-Fast-Modus-Spezifikation (400 kBit/s). Mit einem speziellen elektrischen Aufbau lassen sich auch Datenraten von 1 MBit/s und mehr erreichen. Der Sensor kann auch mit anderen Geräten an einem gemeinsamen I²C-Bus arbeiten; der Mikrocontroller steuert dann als Bus-Master alle Slaves. Die Standardbusadresse des Sensors TLV493D-A1B6 ist herstellerseitig eingestellt, sie lässt sich beim Einschalten über den Adress-Pin ändern. Die neue Adresse bleibt während des Betriebs gültig, erst beim Unterbrechen der Stromversorgung setzt sie der Sensor auf die Werkseinstellung zurück.

Der TLV493D-A1B6 bietet bei der 3D-Magnetfelderkennung eine 12-Bit-Datenauflösung für jede Messrichtung. Dies ermöglicht eine hohe Datenauflösung von 0,098 mT pro Bit (LSB, Last Significant Bit). So misst der Sensor auch die kleinsten Bewegungen. Lineare Magnetfeldmessungen (B) von B_x, B_y und B_z sind für den großen linearen Feldbereich von ±130 mT möglich. Dadurch lässt sich auch eine lange magnetische Bewegung messen. Der große Messbereich sorgt außerdem für ein einfaches, robustes und flexibles Magnetschaltungsdesign. Durch die vertikalen Hall-Platten für beide planaren Magnetfeldkomponenten (x- und y-Richtung) erzielt der Sensor eine hohe magnetische Genauigkeit von ±5 %, sodass präzise Winkelmessungen möglich sind.

Tabelle 1: Power-Modi und ihre entsprechende Stromaufnahme mit Abtastraten. Infineon

Flexible Power-Modi

Der Sensor übermittelt nach jedem Messzyklus ein Interrupt-Signal an den angeschlossenen Mikrocontroller, damit dieser die Magnet- und Temperaturwerte aus den Registern ausliest. Der Interrupt kann den Mikrocontroller auch aus einem Sleep-Modus aufwecken: damit darf der Mikrocontroller im Sleep-Modus verharren, bis eine Auslesephase ansteht; das senkt die Gesamtstromaufnahme.

Der TLV493D-A1B6 verfügt über fünf durch den Benutzer auswählbare Power-Modi: Power-Down, Fast, Low-Power, Ultra-Low-Power und Master-Controlled (Tabelle 1). Die verschiedenen Modi lassen sich während des Betriebs über die I²C-Schnittstelle konfigurieren.

Beim Einschalten startet der Sensor mit der werksseitig vorgegebenen Konfiguration. Alle Funktionsblöcke sind für eine kurze Zeit aktiv. Danach wechselt der Baustein in den Power-Down-Modus und schaltet alle Funktionsblöcke ab. In diesem Modus führt der Sensor keine magnetischen Messungen durch, die Stromaufnahme sinkt auf 7 nA. Betrieben mit zwei AA-Standardbatterien à 2400 mAh errechnet sich eine theoretische Betriebsdauer von 39.000 Jahren.

Nur messen, wenn nötig

Im Low-Power-Betrieb erwacht der Sensor alle 10 ms aus dem Power-Down-Modus, um magnetische Messungen durchzuführen. Dabei benötigt er 100 µA. Diese regelmäßige magnetische Messung ist ideal für Anwendungen wie Steuerelemente, etwa Multifunktionsknöpfe. Im Ultra-Low-Power-Betrieb sinkt die Stromaufnahme um das Zehnfache: Die Aufweckzyklen verlängern sich auf 100 ms und die Stromaufnahme sinkt auf 10 µA. Insbesondere batteriebetriebene Anwendungen wie Manipulationsschutzlösungen für Stromzähler profitieren von diesem Modus und seinem sehr geringen Stromverbrauch.

Bild 3: Veränderung der Stromaufnahme je nach Umgebungstemperatur, gemessen in allen vier Power-Modi. Infineon

Im Fast-Modus optimiert der Sensor seine Auslesegeschwindigkeit: noch während er ein Messergebnis per I²C sendet, beginnt er bereits mit der nächste Umwandlung. Dieser Modus eignet sich besonders für Anwendungen, die sehr schnelle magnetische Bewegungen erkennen müssen, zum Beispiel Joysticks. Die Stromaufnahme des Sensors beträgt hier maximal 3,7 mA bei einer Abtastrate von maximal 3,3 kHz.

Im Master-Controlled-Betrieb wartet der Sensor nach jeder Messung, bis der Mikrocontroller (Master) die Register ausgelesen hat, und startet erst anschließend einen neuen Messzyklus. Dieser Modus ist besonders nützlich, wenn mehrere TLV­493D-A1B6-Sensoren über einen I²C-Bus angeschlossen sind, um große lineare Bewegungen zu erkennen. Der Mikrocontroller entscheidet dann, welche Sensordaten gerade relevant sind, und löst den entsprechenden Sensor aus. Bild 3 zeigt eine Gegenüberstellung von Stromaufnahme und Temperatur in den verschiedenen Power-Modi.

Bild 4: Der Magnetsensor TLV493D-A1V6 eignet sich zum Beispiel um die Bewegungen eines Joysticks präzise und verschleißfrei zu erfassen. Infineon

Joysticks und Steuerelemente

Mit seiner präzisen Auflösung von 12 Bit und der hohen Kommunikationsgeschwindigkeit ist der TLV493D-A1B6 ideal für Joystickanwendungen (Bild 4). Herkömmliche Joysticks nutzen für jede Bewegungsrichtung x, y, und z ein mechanisches Potenziometer. Dieser Ansatz benötigt viel Platz und zeigt starke Performance-Einbrüche über Lebenszeit: der Nullpunkt des Joysticks wandert aus dem Bewegungszentrum heraus. Wer den Joystick dann nicht komplett austauschen will, muss den Fehler aufwendig mechanisch korrigieren.

Bei der Realisierung mit magnetischem 3D-Sensor kann ein TLV493D-A1B6-Sensor die drei mechanischen Potis ersetzen. Das spart Platz und ermöglicht kleine Joystick-Systeme. Die kontaktlose Magnetfelderkennung, die hohe Temperaturstabilität und praktisch keine Alterserscheinungen ermöglichen die Entwicklung von neuartigen, robusten Joysticks für industrielle Anwendungen. Die neuen 3D-Sensoren erlauben zudem kostengünstige und energieeffiziente Steuerelemente, wie benutzerfreundliche Dreh-/Druckknöpfe in Elektro- oder Haushaltsgeräten. Präzise Winkelmessungen und kleine Systemarchitekturen sorgen für eine hohe haptische Anwenderfreundlichkeit.

Entwicklungszeit sparen lässt sich mithilfe der kostengünstigen Evaluierungsplatine „3D Magnetic Sensor 2Go“. Diese kombiniert einen TLV493D-A1B6-Sensor mit dem 32-Bit-Mikrocontroller XMC1100. Zusammen mit dem mitgelieferten Magneten und der bereitgestellten Sensor-Software lassen sich innerhalb weniger Minuten erste Messungen durchführen. Für schnelle Joystick-Messungen bietet Infineon den Joystick Aufsatz „Joystick for 3D Magnetic 2Go Kit“ an. Mit dem Mikrocontroller XMC1100 können Anwender außerdem die kostenlose Entwicklungsplattform Dave nutzen.

Auch fürs Auto geeignet

Der Sensor TLV493D-A1B6 bietet eine präzise und energieeffiziente 3D-Magnetfeld­erkennung für verschiedene Anwendungen. Flexible Betriebsmodi ermöglichen dedizierte und skalierbare Systemdesigns mit einem großen Messbereich für präzise Positionsbestimmungen bei geringster Stromaufnahme.

Die Serienproduktion von ist bereits angelaufen. Der für Industrie- und Konsumgüter entwickelte Baustein kann mit einer Spannung von 2,7 bis 3,5 V und in einem Temperaturbereich von -40 bis +125 °C arbeiten und ist nach der Industrienorm JESD47 qualifiziert. Um auch Kunden in der Automobilbranche zu bedienen, lässt Infineon den Sensor eine volle AEC-Q100-Qualifizierung durchlaufen. Die Serienfertigung von Produkten, die für die Automobilbranche zugelassen sind, ist ab Mitte 2016 geplant. Mit dem TLV493D-A1B6 beginnt Infineon ein ganzes 3D-Magnetsensor-Portfolio aufzubauen und wird in den kommenden Monaten weitere Versionen von 3D-Magnetsensoren vorstellen.

(lei)