第六章：电动工具无刷电机霍尔选型.pdfVIP

电动工具用永磁无刷直流电机的霍尔传感器选型 古炯钧 徐威群 （MagnTek 麦歌恩电子 上海） 摘要：基于不同工艺霍尔传感器的磁特性与电特性，就电动工具用无刷电机的应用特点，介 绍所需霍尔传感器的必要参数，提出合理选型建议，以期达到提高电机整体性能与可靠性的 目的。可为工程师设计电机时选择霍尔传感器提供参考。 关键词：霍尔传感器 磁特性 电特性 选型 中图分类号 TM930.1 文件标示码 A 文章编号1674-2796- （2014） 0 引言 近年来，随着永磁无刷直流电机（以下简称“无刷电机”）控制技术的日趋成熟，市场 对节能环保的概念需求日益增长。由于无刷电机具有节能、高效、低噪音、无火花、启动扭 矩高，使用寿命长等优点，使得电动工具市场随之迎来了无刷热潮，并呈现了加速发展的态 势。目前，许多电动工具龙头企业已有量产型号的无刷电动工具，更多的企业正在加紧相关 的研发与样机制作。 无刷电动工具的核心是无刷电机与控制器。由于电动工具在工作时负载与转速均会发生 变化，且需要在高、低转速时均有良好的扭力输出，绝大多数无刷电动工具电机均选择有霍 尔式的控制方式，控制器通过霍尔传感器的反馈编码确定电机转子位置，从而控制电机持续 运转。 本文从霍尔芯片的制造工艺与实际应用环境结合角度出发，简要论述如何为电动工具用 无刷电机选择合适的霍尔传感器。 1 霍尔芯片的制造工艺 霍尔传感器是一种磁性传感器，通过感应磁场的变化，输出不同种类的电信号。霍尔芯 片主要有三种制造工艺，分别为Bipolar、CMOS 和BiCMOS 工艺，不同工艺的产品具有不同 的电参数与磁参数特性。三种不同工艺产品的特点如下。 1.1 Bipolar 工艺的霍尔芯片 Bipolar 工艺是最早出现的适用于量产的芯片工艺。作为一种传统的半导体工艺，Bipolar 产品具有良好的电特性，包括其可以在宽泛的工作电压环境下工作，反向电压保护电路设计 简单高效，同时兼顾ESD 保护及抗电磁干扰能力。其缺点是磁特性表现一般，包括传感器本 身的磁开启点与关闭点一致性及对称性不佳，且随温度变化，其磁参数变化较大，也就是常 说的温漂较大。虽然可通过后续的测试筛选来提高产品的整体磁性能，但也提高了生产成本， 从而增加客户端的使用成本。 1.2 CMOS 工艺的霍尔芯片 CMOS 工艺是随着时代的发展，在芯片本身集成度要求提高的前提下产生的另一种量产工 艺。半导体制造工艺的发展使得现今CMOS 工艺最小线宽不断下降，意味着在同样面积的晶 片上可集成更多的电路，特别是数字处理电路。由此CMOS 工艺的霍尔芯片可通过内置斩波 放大处理电路、动态失调消除电路等方式有效控制磁参数的偏差范围，其最大的优点是具有 精准的磁开关动作点，磁性灵敏度选择范围较广。对于温漂的控制，亦可通过内置温度补偿 电路实现。与此同时，因其其线宽窄，导致芯片本身的耐压性能一般，由于兼顾ESD 能力、 启动电压等因素，大多的CMOS 工艺霍尔传感器没有内置反向保护电路。CMOS 芯片的抗干扰 能力也较差。 1.3 BiCMOS 工艺的霍尔芯片 上述两种工艺存在各自的优缺点，随着半导体技术的发展继而出现了将上述两种工艺组 合运用的BiCMOS 工艺。BiCMOS 工艺以CMOS 工艺为基础，在输入电源调制和输出驱动大负 载处加入Bipolar 工艺，从而结合两者的优点，降低两种工艺对芯片最终磁、电特性的影响。 其继承了CMOS 工艺优良的磁特性，同时最大限度保留了Bipolar 工艺耐高压、抗干扰能力 强的优点。 以上各类工艺没有绝对的优劣之分，需要结合实际的应用环境加以综合考虑，使用最适 合的工艺种类芯片。表1 为三种工艺的霍尔芯片磁、电特性比较。 表1 三种工艺的霍尔芯片磁、电特性比较 工艺种类 Bipolar CMOS BiCMOS 磁特性 开启、关闭点一致性 一般 高 高 温漂 一般