回答常见的传感器 IC 技术问题，例如“什么是霍尔效应？”

Allegro MicroSystems 公司将最先进的集成电路技术和具有百年历史的霍尔效应融为一体，用以生产全新的霍尔效应 IC。这些无触点的磁触发开关与传感器 IC 不仅能简化电气和机械系统，还能提高系统的性能。

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• 低成本简化开关

• 高效、精确、低成本的线性传感器 IC

• 适用于恶劣工作环境的敏感电路

• 应用

• 霍尔效应：工作原理？

• 线性输出霍尔效应器件

• 数字输出霍尔效应开关

• 工作状态

• 特性与公差

• 入门指南

• 分析

• 有效总气隙 (TEAG)

• 工作模式

• 大斜率与高磁通量密度

• 叶片断续器开关

• 数字霍尔效应器件的电气接口

• 普通接口电路

• 霍尔开关的旋转触发器

• 霍尔开关应用的环形磁体

• 双极霍尔数字开关

• 数字锁存

• 平面和垂直霍尔元件

• 环形磁体的详细分析

• 温度影响

• 一种成本低廉的选择

• 环形磁体选择

• 铁叶片旋转触发器

• 工作中的铁叶片

• 转子设计

• 材料

• 叶片宽度/开口宽度、转子尺寸

• 较陡的磁性曲线斜率确保可靠的开关

• 小气隙形成大斜率

• 磁通量集中器的投入回报

• 工作点的温度稳定性

• 计算静止角和工作周期变化

• 轴承磨损的影响

• 固定装置好坏也会影响稳定性

• 正交

• 优化举措

• 单独校准技术

• 工作模式：迎面与侧滑

• 工作模式优化：复合磁体

• 磁偏操作

• 通过改善电路来增加磁通量密度

• 通量集中器

• 馈通

• 磁体选择

• 高级应用

• 限流与测流传感器 IC

• 多圈应用

• 线性传感器 IC 的其他应用

• 使用经校准的设备

• 术语表

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低成本简化开关

简化开关是霍尔传感器 IC 的强项。霍尔效应 IC 开关在单个集成电路芯片中融合了霍尔电压发生器、信号放大器、施密特触发电路和晶体管输出电路。其输出干净、迅速且不会发生开关跳跃（机械开关的固有问题）。霍尔开关通常以最高 100 kHz 的重复频率工作，而且比普通的电动机械开关的成本要少很多。

高效、精确、低成本的线性传感器 IC

线性霍尔效应传感器采用磁偏探测电磁体、永久磁体或铁磁体的磁场强度中的运动、位置或变化。能耗极低。输出是线性的，而且温度稳定。传感器 IC 的频率响应平直，最高约为 25 kHz。

与电感或光电子传感器相比，霍尔效应传感器 IC 更高效、更精确，成本也更低。

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适用于恶劣工作环境的敏感电路

霍尔效应传感器 IC 能有效抵御环境中的有害物质，所以适用于在环境恶劣的条件下工作。这种电路非常灵敏，并能在紧公差应用中提供可靠、重复的操作。 

应用

霍尔效应 IC 目前可用于点火系统、速度控制系统、安全系统、校正系统、测微计、机械极限开关、计算机、打印机、磁盘驱动器、键盘、机床、钥匙开关和按钮开关。它们还能用于转速计取样、限流开关、位置检测器、选择器开关、电流传感器、线性电位计、旋转编码器和无刷直流电机整流器。

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霍尔效应：工作原理？

基本霍尔元件是一小片半导体材料，也称霍尔元件或有效面积，如图 1 所示。

图 1.霍尔效应器件的有效面积原理图，其中霍尔元件由标有 X 的组件表示。

图 2 所示的恒压电源产生的恒定偏置电流，即 I_BIAS，会在半导体片材内流动。输出电压 V_HALL 可沿片材的宽度方向测量。在无磁场的情况下，V_HALL 的数值可以忽略。

图 2。无磁场时的 V_HALL

如果将偏压霍尔元件放在通量线与偏置电流垂直（参阅图 3）的磁场中，电压输出的变化会与磁场强度成正比。这就是在霍尔 (E. F. Hall) 于 1879 年发现的霍尔效应。

图 3。与偏置电流垂直的磁通量（绿色箭头）产生的霍尔效应（感应 V_HALL）。

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线性输出霍尔效应器件

基本霍尔元件的输出电压很小。这会产生问题，特别是在电气噪声环境中。在电路中添加一个稳定的优质 DC 放大器和电压调整器（参阅图 4 和 图 5）不仅能有效改善传感器输出，还能允许霍尔效应器件在更广的电压范围内工作。改造后的器件能提供易于使用的模拟输出，这种线性输出与应用的磁通量密度成比例。

图 4。带 V_HALL 放大的霍尔电路

图 5。具有电压调整器和 DC 放大器的霍尔效应器件

要了解 Allegro 的线性输出器件的最新产品名录，请访问：线性位置传感器 IC。

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数字输出霍尔效应开关

增加内置磁滞的施密特触发阈值检测器，如图 6 所示，能使霍尔效应电路具备数字输出功能。当施加的磁通量密度超过一定限制时，触发器会准确地将关闭状态切换成开启状态，而不必出现触点颤动。内置磁滞会产生一个磁盲区，在经过阈值后，该区域中的开关动作会禁用，从而能消除振荡（乱真输出开关）。

图 6。具有数字输出功能的霍尔电路

为电路增加集电极开路 NPN 或 N 沟道场效应 (NFET) 晶体管（参阅图 7），能使开关具备数字逻辑兼容功能。场效应管是一种饱和开关，它会在施加的磁通量密度大于器件开启跳变点的地方，对输出终端进行接地短路。开关能兼容所有数字产品系列。输出晶体管能吸收足够的电流，以直接驱动多种负载，包括继电器、三端双向晶闸管、可控硅整流器 (SCR) 和灯具。

图 7。霍尔开关的常用电路元件

图 7 所示的电路元件焊装在单晶硅片上，并在小型环氧或陶瓷封装内密封压制，它们是所有霍尔效应数字开关的常用电路元件。霍尔效应器件类型之间的区别主要是规格的差异，如磁力性参数、工作温度范围和温度系数。

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工作状态

所有霍尔效应器件均由磁场激活。必须为器件安装底座并提供电气连接。包括加载电流、环境条件和电源电压必须在数据表所示的极限范围内。

磁场有两个重要特性：磁通量密度 B（主要指磁场强度）和磁场极性（磁北极或磁南极）。对霍尔效应器件而言，与其有源区相关的磁场方向也很重要。霍尔效应器件的有效面积（霍尔元件）埋置在硅片上，该硅片与封装的一个特定面平行并略靠近其内部。该表面也被称为标记面，因为它通常是标记型号的一面（每个器件的数据表都会显示距离印记面的有效面积深度）。为使开关以最佳状态工作，必须保证磁通量线以垂直方式横越有效面积（平面霍尔元件的印记面或垂直霍尔元件的感应边缘），而且必须在横越时具有正确的极性。因为有效面积更靠近封装包背部的印记面，并暴露在硅片的印记面一侧，所以采用这种朝向能产生更清晰的信号。

在无磁场的情况下，大多数霍尔效应数字开关都会关闭（输出开路）。只有存在有足够磁通量密度的磁场，并且沿正确的方向具有正确的极性时，这些开关才会开启。例如，磁南极靠近印记面会执行开关动作，而磁北极不会产生任何影响。在应用中，将一小块永久磁体的磁南极靠近平面霍尔开关的印记面或垂直霍尔开关的感应边缘（参阅图 8）会使输出晶体管开启。磁体从任意方向接近时，3D 霍尔开关的输出将打开。

图 8。磁体相对于器件有效面积的平面和中心线的运动，使霍尔效应器件开始工作

可使用转移特性曲线，以图表形式阐释该原理。图 9 和图 10 显示了随霍尔元件中存在的磁通量密度 B（单位：高斯 (G)；1 G = 0.1 mT）变化的输出电压。横轴显示的是磁通量密度。纵轴显示的是霍尔开关的数字输出。注意，此处应用了代数符号约定，即增加的正值 B 表示增强的南极磁场，增加的负值 B 表示增强的北极磁场。例如，+200 B 磁场和 –200 B 磁场的强度相同，但具有相反的极性（分别是磁南极与磁北极）。

如图 9 所示，在无磁场 (0 G) 的情况下，开关处于关闭状态，在外部上拉电阻器的作用下输出电压等于电源电压 (12 V)。然后使永久磁体的磁南极沿垂直方向靠近器件的有效面积。当磁南极靠近开关的印记面（平面霍尔元件）或感应边缘（垂直霍尔元件）时，霍尔元件会暴露在逐渐增强的正磁通量密度下。当磁场强度达到临界点（本例中为 240 G）时，输出晶体管会启动，输出电压达到 0 V。磁通量密度的该数值被称为 工作点，B_OP。继续提高磁场强度不会产生影响；开关已经打开，并会一直保持开启。应用到霍尔效应传感器的磁场强度没有上限。

图 9。逐渐靠近的磁南极产生的磁通量不断增大，从而激活了霍尔开关的转移特性（开启）

由于内置磁滞的作用，因此要关闭开关，必须使磁通量密度的数值远低于 240 G 工作点（此类图表有时被称为磁滞图表）。在本例中，我们使用 90 G 磁滞，也就是说，当磁通量密度减小到 150 G（图 10）时，器件会关闭。磁通量密度的该数值被称为 释放点，B_RP。

图 10。逐渐远离的磁南极产生的磁通量不断减小，从而停用霍尔开关的转移特性（关闭）

为从该图中获取数据，需要增加一个电源和负载电阻，以限制通过输出晶体管的电流，并使输出电压的数值接近 0 V（参阅图 11）。

图 11。转移特性图表的测试电路

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特性与公差

启动和关闭霍尔开关所需的准确磁通量密度值会因多种因素的影响而不同，其中包括设计标准和制造公差。极端温度条件也会对工作状态和释放点产生一定程度的影响，经常也被称为开关阈值或开关点。

数据表提供了与每种器件类型的工作点、释放点数值和磁滞相对应的最坏情况下的磁特性。

必须保证达到或低于最大工作点磁通量密度时，所有开关都会开启。当磁场减弱时，所有器件都会在磁通量密度降至最小释放点数值以下前关闭。必须保证每种器件都保留最少量的磁滞，以确保开关动作清楚准确。这种磁滞能确保开关输出迅速、准确，而且只会在每次阈交时进行，即使在机械振动或电气噪声环境下也是如此。

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入门指南

由于电气接口通常能直接说明问题，所以霍尔效应系统的设计应从物理方面开始。在位置感应或运动感应应用中，应回答下列问题：

• 有多少种什么类型的运动？

• 需要什么样的角精度和位置精度？

• 固定感应设备和触发磁体的空间有多大？

• 移动组件的运动范围是多少？

• 在设备的有效使用期内，预计出现的机械磨损程度？

• 产品将会是批量生产的组件，还是能单独调节和校准的限量设备？

• 预计的温度极限是多少？

仔细分析一定会让您受益匪浅。

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分析

要对磁体的磁场强度进行研究。磁场的强度在极面上应该是最强的，而且将随着与磁体之间距离的增大而减弱。利用高斯计或校准的线性霍尔效应传感器 IC 可测量磁场的强度，磁场强度分布也是沿设计的磁体运动直线距离的函数。霍尔效应器件的规格（以 mV/G 表示的灵敏度适用于线性器件，以 G 表示的工作点和释放点适用于数字器件）可用于确定一种磁体和运动类型的关键距离。请注意，这些磁场强度分布不是线性的，而且磁通量密度曲线的形状很大程度上取决于磁体形状、磁电路和磁体的运动路径。

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有效总气隙 (TEAG)

有效总气隙 (TEAG) 是有效面积深度（AAD，即器件印记面/边缘下方的霍尔元件的深度）与气隙（AG，即封装面与磁体或目标表面之间的距离）之和。气隙 (AG) 是一种越小越好的机械间隙，它应符合磁体的尺寸公差、轴承公差、轴承磨损，以及对霍尔开关安装支架的温度影响。图 12A 是随 TEAG 变化的磁通量密度的曲线图，它说明在传感器处封装较薄（Allegro UA 封装的有效面积深度约为 0.50 mm）时，会导致磁通量密度明显增加。其实际增量主要取决于特定磁体的磁通量密度的磁性曲线斜率。注意，图表还显示了其他物理因素对磁通量密度的影响，如器件自身的封装厚度，以及应用的传感器组件的重叠注塑或防护涂层。

图 12A。有效总气隙、有效面积深度的定义，以及封装本身对磁信号强度影响的示例（参阅图 25，了解用于该数据的磁体规格）

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工作模式

即使是简单的条形或棒状磁体，也会有多种可能的移动路径。磁极可沿垂直方向向平面霍尔元件的印记面或垂直霍尔元件的感应边缘移动。这被称为迎面工作模式。图 12B 中的曲线显示了随圆柱形磁体的 TEAG 变化的典型磁通量密度（单位：高斯）。

图 12B。迎面工作模式实例

迎面工作模式很简单，效果也很好，而且不易受到侧向运动的影响。设计人员应注意，如果发生碰撞，过度的机械拉伸可能对霍尔器件的环氧封装造成物理损坏。

第二种配置是使磁体平行于印记面或器件封装的感应边缘，沿霍尔器件左右移动。这就是侧滑工作模式，如图 13 所示。注意，当前绘制的距离不是有效总气隙，而是从磁体中心线到有效面积中心线的垂直距离。指定气隙是因为它有明显的机械重要性，但需要牢记的是，在进行与磁通量密度有关的计算时，必须像以前一样，在使用的 TEAG 中加入封装厚度。侧滑工作模式通常在可能产生过度机械拉伸时避免接触。与迎面工作模式相比，在精心设计的侧滑磁路中使用强磁体和/或铁质通量集中器不仅能提高传感精度，还能缩短磁体的运动距离。

图 13。侧滑工作模式的实例，它显示了磁体中心线与有效面积中心线之间的位移变化产生的影响

磁体制造商通常会提供其生产的磁体迎面工作模式下的磁通量密度曲线，但他们通常不会描述侧滑工作模式的特性，这可能因为气隙选择不同，从而会导致这些曲线数量的不确定。然而一旦选定了一个气隙，那么使用已有的迎面式磁体曲线，通过在有效总气隙上标注数值，就能找到侧滑工作模式的磁通量密度的峰值（单个点）

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大斜率与高磁通量密度

对线性霍尔效应器件而言，其在既定位移中的磁通量变化越大，输出就越大 - 这是一种显而易见的优势。数字霍尔效应器件应具有同样的特性，但具体原因可能更微秒。要在既定的应用中实现一致的开关动作，必须在与磁体相关的同一位置开启和关闭霍尔效应器件。

为阐释该原理，我们以图 14 所示的两种不同磁体外形的磁通量密度曲线为例。当工作点的磁通量密度是 200 G 时，在两种情况下，只有距离达到约 3.6 mm，数字霍尔效应器件才会开启。如果制造公差或温度影响使工作点变为 300 G，曲线 A（大斜率）中开关动作开始时的距离变化不大。但在曲线 B 中，距离变化非常显著。释放点（未显示）也会受到同样的影响。可以对本例中说明的基本原理进行修改，使其包括机械器件和设备规格公差，这些原理也可用于最坏情况的设计分析。此过程的实例将在后面部分阐释。

图 14。侧滑工作模式的实例，两种不同的有效总气隙的影响对比

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叶片断续器开关

在该工作模式中，触发磁体与霍尔效应器件固定在单独的刚性组件上，两者之间保留很小的气隙。在该位置中，触发磁体会使霍尔效应器件一直保持开启状态。如果在磁体和霍尔效应器件之间放一个铁磁板或叶片（如图 15 所示），叶片就会形成一个磁分路，导致磁场能量从霍尔器件上转向。

图 15。叶片断续器的工作实例：（左图）无叶片中断的正常磁通路径，（右图）叶片使磁通量转向

采用可移动的叶片是开关霍尔器件的可行方法。霍尔器件与磁体能模压成一个元件，这样就能消除对准的问题，从而可产生极其稳定和可靠的开关组件。中断磁通量的铁叶片或叶片能像在汽车分电器内一样，进行线性移动或回转运动。由于能磁通量密度的大斜率/距离曲线，所以铁叶片组件经常用于在较大温度范围内进行精确开关的操作。

铁叶片能做成多种外形，如图 16 所示。采用与图 16B 类似的线性叶片能在 125°C 的温度范围内，重复感应 0.05 mm 以内的位置。

图 16。叶片断续器的典型配置：(A) 碟式叶片 (B) 线性叶片和 (C) 杯式叶片

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数字霍尔效应器件的电气接口

数字霍尔开关的输出级是一个常用的开极 NPN 三极管（参阅图 17）。其使用规则与其他所有类似的开关三极管一样。某些数字霍尔器件尤其是微功率器件可能有使用 MOSFET 器件创建的推挽式输出级。这些器件不需要外部上拉电阻器。具体信息，请参阅器件数据表。

当三极管关闭时，其具有很小的输出漏流（一般只有几毫微安），通常可以忽略不计，而且不得超过最大（击穿电压）输出电压（通常为 24 V）。

当三极管打开时，输出短路至常见电路中。流过开关的电流必须经过外部限流，使其低于最大电流值（通常为 20 mA），以防止开关损坏。通过开关的压降 V_CE(sat)) 将会增加，从而获得较高的输出电流值。确认该电压与要控制的电路的关闭（或“逻辑低”）电压相一致。某些数字霍尔传感器（例如针对汽车应用的传感器）设有内置限流功能，用于保护输出级。具体信息，请参阅器件数据表。

霍尔效应器件的开关非常快，其上升和下降时间通常在 400 毫微秒范围内。这是少有的显著优势，因为开关时间几乎全部由反应更慢的机械部件控制。

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普通接口电路

图 17 显示了霍尔数字开关的简化图解符号。它能使后面的详细说明更易于理解。

图 17。具有集电极开路输出级的霍尔效应器件（简化的霍尔电路图示可在下文的图中使用）

数字逻辑集成电路的接口通常只需要一个适用的电源和负载电阻。

采用消耗电流的逻辑系列电路时，如 DTL 或流行的 7400 TTL 系列（图18 A），霍尔开关在开启时，只须消耗常见电路一个单位负载的电流（TTL 最大为 1.6 mA）。如果采用 CMOS 门电路（图 18B），除开关瞬态外，只有负载电阻上有电流通过（此例中约为 0.2 mA）。

图 18A。TTL 逻辑接口

图 18B。CMOS 逻辑接口

通常，需要灌电流最高为 20 mA 的负载能直接由霍尔开关驱动。

发光二极管 (LED) 指示灯是一个很好的例子，它只需要一个电阻将电流限定为一个合适的值。如果在电流为 20 mA 时，LED 的电压下降 1.4 V，可采用下列公式计算一个 12 V 电源需要使用的电阻：

(12 V - 1.4 V) / 0.02 A = 530 Ω

最近似的标准值是 560 Ω，从而形成了图 19 所示的电路。

图 19。能被直接驱动的小 (≤20 mA) 灌电流负载的实例

灌电流超过 20 mA 需要使用电流放大器。例如，如果需要 4 A 开关特定负载，而且必须在触发磁体靠近时开启，可使用图 20 所示的电路。

图 20。驱动中等 (>20 mA) 灌电流负载的实例

当霍尔开关关闭（磁通量不足以使其工作）时，约 12 mA 的基极电流会通过 1 kΩ 电阻流向 Q1 三极管，从而使其饱和，并将 Q2 的基极电流短接至地，以使负载保持关闭。当磁体靠近霍尔开关时，它会开启，并对 Q1 的基极电流短接至地，并将其关闭。这允许：

12 V / 56 Ω = 210 mA

的基极电流流向 Q2，该电流足以在负载电流为 4 A 或更小时使其饱和。

通过配置外部三极管，霍尔开关能为其“开启”或“关闭”状态提供负载电流。例如，图 21 显示了使用继电器开启 115 或 230 VAC 负载时，在“开启”状态提供电流的实例。

具有 12 V 线圈的典型继电器需要 40 与 60 mA 之间（取决于具体继电器）的电流驱动，以在“开启”状态触发，此时高压触点会关闭。要完成此操作，可采用大小合适的 PNP 晶体管，如图 21 所示。

图 21。在霍尔效应器件的“关闭”状态提供电流的继电器驱动应用

当霍尔开关开启时，9 mA 的基极电流会从 PNP 晶体管的基极流出，从而能使其饱和，并允许其驱动足够的电流以触发继电器。当霍尔开关关闭时，不会有基极电流从 PNP 三极管流出，所以三极管会关闭，并防止线圈电流通过继电器。4.7 kΩ 电阻可在 PNP 的基极充当负载电阻，以在霍尔开关禁用时，使其保持关闭状态。沿继电器线圈放有一个续流二极管，以防止因 PNP 突然关闭导致 PNP 集电极出现开关瞬变。注意，+12 V 常用电源与 AC 线路的中性线隔离。这提供了一种相对安全的方式，以利用低压 DC 电路开关高压 AC 负载。像以前一样，在处理 AC 线电压时，必须非常小心，而且要采取适当的安全防护措施。

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霍尔开关的旋转触发器

常见应用包括使用霍尔开关产生与速度、位移或转轴位置成比例的数字输出。旋转应用所需的触发磁场能以下列两种方式提供：

(a) 磁性转子组件

将触发的磁体固定在转轴上，固定的霍尔开关在每次经过磁南极时都会被触发（图 22 A 部分）。如果在每次旋转时需要多次触发，有时可通过模压或剪切塑料或橡胶磁性材料制作低成本的转子（参阅廉价替代选项部分）。

图 22.转子的典型配置：(A) 磁叶片 和 (B) 铁叶片

也可使用环形磁体。环形磁铁是能在市面上购得的盘片状磁体，其磁极沿磁铁的圆周间隔排列。它们能以可靠和低成本的方式控制霍尔开关。环形磁铁也有其应用局限：

• 磁极位置的精确性（通常在 2 度或 3 度以内）。

• 磁极强度的均匀性（±5% 或更差）。

在需要精确开关的应用中，必须考虑这些局限。

(b) 铁叶片转子组件

在该配置中，霍尔开关与磁体都处于静止状态（图 22 B 部分）。转子的每个铁叶片通过时，会中断磁通量并使其转向（参阅图 15）。

叶片开关比环形磁铁略贵，但由于铁叶片的尺寸和外形能精确控制，所以它们经常用于需要精确开关的应用或工作循环控制中。

正确设计的叶片开关能产生斜率很大的磁通量密度曲线，并能在更大的温度范围内执行精确和稳定的开关动作。

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霍尔开关应用的环形磁体

磁铁供应商可提供采用各种不同材料和外形生产的，适用于霍尔开关的环形磁体。磁极的极性方向可能是放射状（图 23 A 部分），也可能是轴心对称的（图 23 B 部分），在直径 25 mm 的环形磁体上，最多可形成 20 个磁极对。在尺寸和磁极数一定的情况下，磁极呈轴心对称分布的环形磁体具有更高的磁通量密度。

图 23。常见的环形磁铁类型：(A) 径向与 (B) 轴向；示意图稍后在列线图中使用

最常用的材料是不同类型的 Alnico、陶瓷 1 号和以橡胶或塑料为基体材料的钡铁氧体（参阅表 4）。制造商通常都会提供现货尺寸和磁极对的选项。也可选择专门定制，但这样会增加成本。

Alnico 是多种铝镍钴合金的统称，它们具有较广的磁性范围。通常，Alnico 环形磁体具有最高的磁通量密度，当温度变化时，其磁场强度的变化最小，但同时成本也最高。由于它们非常坚硬，因此除非打磨，否则很难使其成形，而且这些材料很脆，这使得轴承或柄轴很难固定。

与 Alnico 磁体相比，陶瓷 1 号磁铁（商标为 Indox、Lodex）的磁通量密度要低一些，当温度变化时，其磁场强度的变化很大。但它们的成本较低，而且具有很强的抵御外部磁场消磁的能力。陶瓷材料可以防止大部分化学物质的侵入，并具有很高的电阻率。与 Alnico 一样，相比于霍尔开关和其他半导体，它们具有更出色的耐温性，如果需要进行再成形或修整，必须对其进行打磨。它们可能需要一个支撑柄轴，以减少机械应力。

橡胶和钡铁氧体环形磁体在成本、磁通量密度和温度系数方面与陶瓷 1 号基本相同，但其很软，因此采用常规方法就能对其塑形。在一些应用中，还可将其铸压在轴上。根据特定材料的不同，它们的使用温度限制范围在 70°C 至 150°C 之间，而且其磁场相对于温度的变化程度比 Alnico 或陶瓷 1 号要高得多。

无论使用何种材料，环形磁体在极性位置精度和磁极强度的均匀性方面都受到一定限制，这反过来也限制了输出波形的精确性。根据估算，橡胶、塑料和陶瓷磁体上的极性位置通常与目标物体相差 ±2° 或 ±3° 以内，而实际测得的误差为 ±5°。磁极到磁极的磁通量密度差通常为 ±5%，虽然也有磁差高达 ±30% 的情况。

图 24 是直径 25.4 mm 的典型 4 磁极对陶瓷环形磁体中，磁通量密度随角位置变化的曲线图，其有效总气隙 (TEAG) 为 1.7 mm（1.3 mm 的间隙加 0.4 mm 的封装厚度）它清楚地显示了极性位置误差和磁极到磁极的磁场强度的变化。

图 24。环形磁体的磁通量特性

对环形磁体的不断研究，使其具有了足够的磁通量密度，以形成可靠的开关切换。在既定尺寸的环形磁体中，磁极对数量和磁通量密度之间形成了平衡。因此，磁极数多的环形磁体具有更低的磁通量密度。重要的一点是，应使有效总气隙 (TEAG) 保持最小，因为在很多常见的环形磁体中，霍尔作业区的磁通量密度每毫米会降低 200 至 240 G。图 25 中清楚地显示了这点，这是在典型的 20 磁极对的塑料环形磁体中，磁极的磁通量密度随 TEAG 变化的曲线图。

图 25。窄极距对磁信号强度影响的实例

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双极霍尔数字开关

双极开关具有一致的磁滞性，但个别器件的开关点发生在相对偏正极或偏负极的范围内。因为磁场极性的交替确保了开关点的切换，并且一致的磁滞性确保了周期性，故而这些器件适用于需要紧密排列、南北两极交替使用的情况，从而导致所需的磁信号幅度 ΔB 最小，但磁场极性的交替能确保开关，一致的磁滞能确保周期性。

双极开关的实例是一个最大工作点 B_OP（最大）45 G、最小释放点 B_RP（最小）–40、最小磁滞 B_HYS（最小）15 G 的开关。但最小工作点 B_OP（最小）可低至 –25 G，最大释放点 B_RP（最大）可增至 30 G。图 26A 显示了具有这些开关点的假设开关的特性。图 26A 顶部的曲线“最小 ΔB”显示了一个小的振幅如何引起开关的切换。“单极模式”开关的开关点完全在正极（南极）范围内，“负单极模式”开关的开关点完全在负极（北极）范围内，“锁存模式”开关的开关点会跨越南极和北极范围（工作方式类似于下节描述的霍尔器件类型，数字锁存）。由图 26A 底部的 V_OUT 曲线可以看出，对于每种可能性，输出的工作循环都完全不同，但每个磁极交替处的一致开关很可靠。

图 26A。一个双极开关可能的开关点范围实例（与低磁通振幅、窄间距磁极交替目标一起使用）

在前面讨论的应用中，霍尔开关在磁南极（正磁通量）靠近时工作（打开）。当磁南极移开（磁通量密度接近 0）时，霍尔开关必须释放（关闭）。在环形磁体上，南北两极都是交替出现的。释放点的磁通量密度变得不再重要，因为如果霍尔开关在磁通量趋于 0（已通过南极）时没有关闭，当紧随的北极使磁通量变为负时，它一定会关闭。双极霍尔开关利用这个额外的释放点磁通量余量来实现更低的工作点通量密度，在环形磁铁应用中，这是一个明显的优势。

要查看 Allegro 双极开关的最新产品列表，请访问：霍尔效应锁存与双极开关。

双极数字开关设计实例

给出：

• Allegro UA 型封装内的双极霍尔开关：有效面积深度 (AAD)（与封装厚度）为 0.50 mm，

• 气隙 (AG)（必要的机械间隙）为 0.76 mm，

• 工作温度范围：–20°C 至 85°C，

• 最大工作点 B_OP 200 G（从 –20°C 至 85°C），

• 最小释放点 B_RP –200 G（从 –20°C 至 85°C）。

1. 计算有效总气隙 TEAG：

2. TEAG = AG + AAD

3. TEAG = 0.76 mm + 0.50 mm = 1.26 mm

4. 确定足以使霍尔开关工作的磁通量密度 B 加 40%。
   要使霍尔开关工作，磁体必须在整个工作温度范围内，以 1.26 mm 的距离提供至少 ±200 G 的磁通量密度。正确的设计实践需要增加额外的磁通量，以提供一些余量，以应对老化、机械磨损和其他无法衡量的情况。如果要增加 100 G 合理的数值所需的磁体必须在整个工作温度范围内，以 1.26 mm 的距离提供 ±300 G 的磁通量密度。

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数字锁存

与可能利用磁南极或磁北极释放的双极开关不同，锁存（本质上是双极）能更精确地控制工作和释放参数。这种霍尔集成电路已被设计为只在磁南极工作（打开）。在磁南极移开后，它一直保持开启状态。为使双极锁存释放（关闭），必须存在一磁北极。这种南极-北极交替工作如果设计得当，就能产生接近 50% 的工作循环，如图 26B 所示。

图 26B。双极锁存特性的实例（用于精确控制工作循环、磁极交替）

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