Hochpräzise Hallschalter

Bild 1: Die hoch präzisen Hallsensoren der Baureihe TE496x mit erweitertem Betriebsspannungsbereich, reduzierter Stromaufnahme, hoher ESD-Festigkeit, umfangreichen Schutzfunktionen und kompakten Gehäusen.Infineon Technologies

Die Hallschalter der TLE496x-Familie sind im extrem platzsparenden SOT23-Gehäuse verfügbar, können mit einer ungeregelten Stromversorgung betrieben werden und erlauben maximale Design-Flexibilität. Darüber hinaus sind neue Funktionen integriert, die insbesondere das Start-up- und Shut-down-Verhalten sowie den Schutz der Bauelemente verbessern. Durch die hohe Betriebsspannung von bis zu 32 V sind keine weiteren externen Widerstände erforderlich, was das Design vereinfacht.

Weitere Ersparnisse bei den Bauteile-Kosten lassen sich erzielen indem auch weniger passive Schutz-Komponenten notwendig sind, was die benötigte Leiterplattenfläche reduziert. Mit einer typischen Stromaufnahme von nur 1,6 mA benötigen die neuen Hallschalter nur etwa 50 Prozent der Stromaufnahme vergleichbarer Produkte. Damit sind sie prädestiniert für energieeffiziente Systeme. Die neuen Hallsensoren adressieren den Automotive-Markt und vielfältige industrielle Anwendungen. Dank ihrer hohen ESD-Robustheit und den präzisen, stabilen magnetischen Schaltpunkten sind sie für viele hochgenaue und robuste Applikationen ideal. Typische Anwendungen sind die Positionserfassung, Motor-Kommutierung von bürstenlosen Elektromotoren und das Index-Counting in Applikationen wie elektrischen Fensterhebern, Schiebedächern, Kofferraumverriegelungen, Scheibenwischern, Sicherheitsgurten, Nockenwellen, Schalthebeln und bei der Ansteuerung von vielfältigen BLDC-Motoren.

Zu den innovativen Funktionen der neuen Produktfamilie zählen unter anderem ein verbessertes Einschalt-, Reset- und Ausschalt-Verhalten sowie umfangreiche Schutzfunktionen. Mit diesen Features erhöhen die Hallschalter die System-Qualität, -Sicherheit und -Kontrolle.

Während des Start-up-Vorganges liefern die integrierten Hallschalter ein definiertes, feststehendes Ausgangssignal. Dieser definierte Signalwert verhindert, dass unkorrekte Signale an den Mikrocontroller übertragen und dort fehlinterpretiert werden. Die definierten Werte sorgen auch dafür, dass keine undefinierten Zustände auftreten, wenn ein messbares magnetisches Feld zwischen den beiden Schaltschwellen besteht. Das definierte Start-up-Verhalten verhindert fehlerhafte Signale und reduziert somit den Aufwand für den Mikrocontroller. Damit können Anwender ihre Systeme einfacher steuern und die Leistung erhöhen.

Mit den integrierten Übertemperatur- und Überstrom-Schutzmechanismen werden die Sensoren vor Zerstörung geschützt und die Robustheit der Systeme erhöht. Zusammen mit der erhöhten Überspannung von bis zu 42 V und der hohen ESD-Robustheit wird die Produktqualität signifikant erhöht.

Neben dem definierten Start-up-Verhalten wurde auch ein definiertes Shut-off-Verhalten implementiert, um eine unkontrollierte kapazitive Entladung des Ausgangs-Pins zu verhindern. Diese Funktion kann auch während des Einschaltvorgangs genutzt werden, um die Funktionalität des Sensors zu testen. So kann der Mikrocontroller einfach fehlerhafte Funktionen im System aufspüren.

Neben den etablierten SC59 (SMD)- und den bedrahteten SSO-3-Gehäusen wird die neue TLE496x Produktfamilie auch im extrem kleinen SOT23-Gehäuse angeboten. Damit erweitert Infineon sein Portfolio an Hallsensoren in diesem platzsparenden Gehäuse für die Oberflächenmontage. Das SOT23 (2,9 mm x 1,3 mm x 1,0 mm) ist etwa um 30 Prozent kleiner als vergleichbare Gehäuse, aber anschlusskompatibel zu den SC59-Gehäusen (Bild 1).

Neue Hallschalter-Generation

Bild 2: Die TLE496x-Sensoren im ultrakleinen SOT23-Gehäuse ergänzen das umfangreiche Angebot an Hallschaltern von Infineon und decken mit unterschiedlichen Schaltpunkten (Empfindlichkeiten) ein weites Anwendungsspektrum ab.Infineon Technologies

Die Hallschalter TLE4961-x, TLE4964-x und TLE4968-x sind Produkte aus der neuen Generation von hochgenauen Halleffekt-Sensoren. Diese sind als unipolare und bipolare Schalter sowie Latches ausgeführt. Sie bieten sehr präzise Schaltpunkte und erlauben den Betrieb im erweiterten Temperaturbereich von -40 °C bis 170 °C. Die Empfindlichkeiten (Schaltwerte) decken den Bereich von ±1 mT bis  ±15 mT  beziehungsweise 2,5 mT/3,5 mT bis 22,5 mT/ 28 mT ab (Bild 2).

Die neuen Hallschalter können mit einer ungeregelten Betriebsspannung im Bereich von 3,0 bis 32 V arbeiten. Sie widerstehen bei Lastabfall-Überspannungen von bis zu 42 V, womit kein zusätzlicher externer Widerstand erforderlich ist. Sie bieten eine hohe Empfindlichkeit und Stabilität in Bezug auf die magnetischen Schaltpunkte (B_op = ±1 mT) sowie eine hohe Robustheit gegenüber mechanischem Stress, dank integrierter Fehler-Kompensation. Die Ausgänge sind gegen Überströme und Übertemperatur geschützt. Darüber hinaus sind sie extrem robust gegenüber elektrostatischen Entladungen (±7 kV HBM und 15 kV auf Systemebene). Mit einer nominalen Stromaufnahme von 1,6 mA sind sie zudem prädestiniert für energieeffiziente Systeme. Die wesentlichen Funktionsmerkmale sind zusammengefasst:

• Betriebsspannungsbereich von 3,0 V bis 32 V,
• Betrieb mit ungeregelter Stromversorgung,
• geringe Stromaufnahme (1,6 mA),
• Überspannungsschutz bis 42 V ohne externen Widerstand,
• Verpolungsschutz (-18 V),
• Überstrom- und Übertemperatur-Schutz,
• aktive Fehler-Kompensation (Chopper),
• hohe Stabilität der magnetische Schaltpunkte,
• hohe ESD-Festigkeit (7 kV beziehungsweise 15 kV),
• Gehäuse: SC59, SSO-3-2 und SOT23.

Die Hallsensoren TLE4961, TLE4964 und TLE4968 zielen auf Anwendungen, die einen hoch präzisen Hallschalter erfordern, der auch in rauen Umgebungen mit -40 °C bis 170 °C arbeiten kann. Mit ihrem weiten Eingangsspannungsbereich und mit einer Überspannungs-Fähigkeit von 42 V (bei Überlast ohne erforderliche externe Widerstände) sind die neuen Hallsensoren für vielfältige Automotive- und Industrie-Anwendungen ausgelegt.

Die Derivate der TLE4964-x-Familie sind unipolare Schalter mit unterschiedlichen Schaltpunkten. Sie sind ideal für Applikationen wie in Ganghebeln, Autositzen oder HVAC-Anwendungen. Die TLE4961-x-Familie besteht aus Latches. Diese sind sehr gut geeignet für die Erfassung der Rotorposition von BLDC-Motoren oder Pol-Zahnrädern sowie für die Index-Zählung oder Geschwindigkeitsmessung. Das Prinzip der Index-Zählung wird zum Beispiel in Anwendungen wie elektrischen Fensterhebern oder Schiebedächern genutzt. Die TEL4968-x-Familie schließlich weist sehr geringe magnetische Schwellwerte (hohe Empfindlichkeit von ±1 mT) und ein bipolares Schaltverhalten auf. Daher sind diese Sensoren ideal für Applikationen, die eine hohe Empfindlichkeit erfordern. Dazu zählen die Erfassung der Rotor-Position in BLDC-Motoren beziehungsweise die Geschwindigkeits- und Positionserfassung in Nockenwellen- und Transmissions-Anwendungen.

Ansteuerung von BLDC-Motoren

Bei der Block-Kommutierung werden üblicherweise drei Hallschalter mit jeweils 120° Phasenverschiebung um den Rotor positioniert. Sie erkennen den Nord- beziehungsweise Südpol und geben entsprechend logisch 0 beziehungsweise logisch 1 aus. Aus den logischen Zuständen aller drei Hallschalter kann dann die Stellung des Rotors in Sektoren von jeweils 60° bestimmt werden. Anhand dieser Information werden die Wicklungen des Rotors zeitgerecht geschaltet. Die Sensoren müssen dafür die Position des Rotors präzise erfassen. Idealerweise liefern die Sensoren ein Kommutierungssignal unabhängig vom Drehmoment. Ein entscheidendes Kriterium für die Sensoren ist, dass sie phasentreu schalten, da ansonsten eine Phasenverschiebung zwischen dem Schalten der Wicklungen und der Rotorposition entsteht. Phasenverschiebung führt zu größeren Drehmomentschwankungen, mehr Geräuschentwicklung und einer Verschlechterung der Energieeffizienz.

Jeder Sensor weist allerdings fertigungsbedingt Abweichungen bezüglich des magnetischen Schaltpunktes auf. Außerdem verlieren die Permanentmagnete in den BLDC-Motoren mit steigender Temperatur etwas an magnetischer Feldstärke. Zudem kommt es zu Drift-Einflüssen durch mechanischen Stress und Temperaturschwankungen. Um ein präzises Schalten der Hallsensoren zu gewährleisten, müssen diese Effekte kompensiert werden.

Bild 3b: Vergleich Phasenfehler von chopped und unchopped Hallschaltern. Die neuen Hallsensoren (3b) mit Temperatur-Kompensation und Reduzierung der Offset-Drift bieten einen deutlich geringeren Phasenfehler gegenüber Hallsensoren ohne Chopper.Infineon Technologies

Bild 3a: Phasenfehler von unchopped Hallschaltern.

Die Hallschalter TLE4961, 4964 und 4968 zeichnen sich durch eine hohe Phasentreue aus. Die Sensoren verfügen über eine integrierte Temperaturkompensation der magnetischen Schaltschwelle. Dabei wird die Schaltschwelle abhängig von der Temperatur nachgeführt und temperaturbedingte Feldstärkeänderungen des Magneten kompensiert. Zusätzlich erfolgt ein „choppen“ der Hallzellen womit die Offset-Drift der Schaltschwellen deutlich reduziert und eine bessere Stabilität erreicht wird. Es wird zwar die Zeit zwischen Messung und Wechsel des Ausgangssignals geringfügig erhöht, diese Zeitverzögerung ist jedoch konstant und kann bei der Blockkommutierung drehzahlabhängig vorgehalten werden. Bild 3 zeigt Berechnungen der Phasendrift als Summe aus Verzögerungszeit und Drift der Schaltschwelle für zwei Sensoren: Rechts (Bild 3b) TLE4961-1(chopped), links (Bild 3a) die eines Wettbewerbsproduktes (unchopped). Deutlich wird hier der große Einfluss der Drift auf die Phasentreue, wobei der TLE4961 insgesamt einen deutlich geringeren Phasenfehler aufweist.

Die neuen Hall-ICs mit ihren integrierten Kompensationsschaltungen sorgen für ein stabiles Temperaturverhalten und reduzieren die Einflüsse von Technologie-Variationen. Aktive Fehler-Kompensation (Chopping-Technik) beseitigt Offsets im Signalpfad und den Einfluss von mechanischem Stress auf das Hall-Element. Darüber hinaus weisen die Hallschalter auch noch einen sehr geringen Jitter von weniger als 0,3 µs auf. Der Ausgangs-Transistor verfügt zudem über den erwähnten integrierten Überstrom- und Übertemperatur-Schutz.

(jj)