霍尔式角位移传感器电磁兼容设计

刘荣先，李凡，秦永法

（1.扬州大学汽车工程实验总厂，江苏扬州225009；2.扬州大学能源与动力工程学院，江苏扬州225127；3.扬州大学机械工程学院，江苏扬州225127）

电磁兼容（electro－magnetic compatibility，EMC），主要指电子设备在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态，即要求在同一电磁环境中的各种设备都能正常工作，又互不干扰，达到兼容状态.它包含2层意思：第一是电子设备对外发射的电磁干扰不能超过一定的限值；第二是电子设备要具有抵抗外界电磁干扰的能力［1－4］.

霍尔式角位移传感器一般都工作在小信号状态［5］，在汽车这个充满各种电磁的环境中，电磁干扰对它们的工作状态的影响有可能是灾难性的.各种资料表明现代汽车的很多间断性失灵可能是由零星的电磁干扰引起的［6－7］.为了使霍尔式角位移传感器在汽车中得到更广泛的应用，很多科研工作者进行了电磁兼容方面的研究，力求使传感器具有良好的电磁兼容性，但兼顾了电磁兼容性，成本又有所上升.笔者进行研究分析，通过大量实验，设计出新颖的抗干扰电路和具有屏蔽效果的磁路，成本低、可靠性高，具有很好的应用价值.

1 传感器的电磁干扰分析

电磁干扰（electromagnetic interference，EMI），有2种方式：一种是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合（干扰）到另一个电网络，称为传导干扰；另一种是指干扰源通过空间把其信号耦合（干扰）到另一个电网络，称为辐射干扰.很多时候，这2种干扰都是同时存在的，比如在汽车这个环境中，既有线路方面的传导干扰，也有各种设备器件的辐射干扰.形成电磁干扰必须具有3个要素：干扰源、耦合通道、敏感源［8］，如图1所示.

图1 干扰3要素Fig.1 Three elements of the interference

针对上述的电磁干扰3要素，只要消除或抑制这3个要素中的1个，随之就会消除或抑制电磁干扰问题.因此，围绕3要素展开电磁兼容性研究，通过研究每个要素的特点，找出消除或抑制每个要素的方法，从而解决电子设备的电磁兼容性问题.在很多实际应用中，更多的是在敏感源即产品的设计中，考虑如何解决电磁干扰这个问题，本文的霍尔式角位移传感器的设计，就是从其电路和磁路设计入手解决相关电磁兼容问题.

2 传感器的电磁兼容设计

2.1 电路设计

霍尔式角位移传感器的主要电气技术参数为：工作电压（5±0.1）V，工作电流≤20mA，耐压±15V，5min，输出电压0.5～4.5V.

从以上主要电气技术参数可看出，霍尔式角位移传感器是直流小信号工作器件，其电磁兼容的设计主要放在抗外部干扰上，即保证传感器能够抵抗来自外部的干扰能正常工作和承受外部电压的冲击而不被损坏，但是由于霍尔式角位移传感器内部有2片磁钢，对外会产生磁辐射干扰，所以也要采取必要的措施防止对外界产生干扰.

霍尔式角位移传感器电路设计见图2.元件的工作电压为5V，但编程电压为12V，以及TVS管的离散性，取UWM≈12V÷0.85≈14V.

图2 电路原理Fig.2 Circuit schematics

最小击穿电压UBR＝UWM／KBR（其中KBR＝0.8～0.9，取0.85）所以UBR＝14V／0.85≈16.5V.

TVS管的最大箝位电压UC应小于被保护电路的损坏电压，即UC＝KC×UBR＝1.3×16.5＝21.45V（其中KC＝1.3）.

在规定的脉冲持续时间内，TVS管的最大峰值脉冲功耗PM必须大于被保护电路内可能出现的峰值脉冲功率.在确定了最大箝位电压后，其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流.

工作温度：－40～125℃.

根据要求，TVS管可选SMAJ 15A.

此电路器件较少，能起到较好的抗干扰作用，可保证该霍尔式角位移传感器能够在一个复杂的电磁环境中更好地正常工作.

2.2 磁路屏蔽设计

霍尔式角位移传感器的磁路设计既要满足霍尔元件对磁场强度的要求，又要满足电磁兼容的要求.为了保证磁场能够均匀地作用于霍尔元件的敏感区，设计了一屏蔽铁，2片磁钢安装在屏蔽铁内侧，对面放置，磁极相反，霍尔元件安装在N－S磁场的中心位置.具体结构如图3所示.

图3 带屏蔽铁的磁路结构Fig.3 Magnetic structure with shielded iron

为了验证屏蔽铁对磁感应强度的影响，特地做了如下测试：利用南京一公司生产的WT－3A型数字式毫特斯拉计对磁钢内测和屏蔽铁外侧的磁感应强度进行测量，测量结果为：1）在屏蔽铁外侧测量点的磁感应强度接近于0；2）屏蔽铁内侧的磁钢表面磁感应强度比没有加屏蔽铁的磁钢明显增强，从134mT增加到248mT，几乎增大了2倍.该测试结果说明了屏蔽铁不仅对磁场有屏蔽作用，而且有很好的聚磁效果，当内部有霍尔元件时，可使磁力线集中作用到霍尔元件上.

为了更好地起到屏蔽效果，在传感器壳体上再加上厚0.8mm左右的软铁板，注塑在壳体中间（如图4），既不影响美观，又起到较好的屏蔽作用.

3 传感器屏蔽性能检验

当传感器运用在汽车等电磁环境中时，不仅要求传感器能够不受外界环境的干扰而正常工作，而且也要其本身能够减少对外界的干扰.为此实验室选用了6个传感器进行屏蔽检验，将6个传感器分别编号1＃～6＃，其中1＃～3＃为不带屏蔽铁的样品，4＃～6＃为带屏蔽铁的样品.做了2个实验，过程如下：

实验条件：环境温度为24℃；相对湿度为40%RH，电源输入电压为（5±0.1）V，测量电压精确到1mV.

实验1目的：当无屏蔽铁和有屏蔽铁的传感器有外界弱磁场干扰时，对其屏蔽性能的效果进行检验（图5）.方法：为实验外界弱磁场对传感器的输出电压影响，使传感器的初始输出电压为1.000V，使用一把磁感应强度为10mT螺丝刀，在传感器旁边10mm内移动，观察传感器输出电压的变化.

实验2目的：检验无屏蔽铁和有屏蔽铁的传感器磁场对外部的影响（图6）.方法：使用一个毫特斯拉测量计分别对已编号的6个传感器壳体表面进行磁感应强度测量，以检验其屏蔽性能，并记录实验得到的相关数据.

图4 霍尔式角位移传感器结构Fig.4 Structure of the hall angular displacement sensor

图5 外部磁场对传感器的干扰对比Fig.5 Interference comparison of the external magnetic field of the sensors

图6 传感器对外辐射干扰对比Fig.6 Contrast of outward interference of sensors magnetic field

以上2次实验的数据结果见表1.

表1 传感器的实验结果Tab.1 Test results of the sensors

表1的结果表明，如果不使用屏蔽措施，在弱磁场的干扰下，传感器输出电压会出现0～100mV级的变化，无法使用；而加上了屏蔽铁等屏蔽措施，同样条件下，外界的磁场对输出电压几乎不产生影响，完全能正常使用.传感器若不加屏蔽措施，可在传感器外壳上测量到40mT左右的磁感应强度；而加上了屏蔽铁等的屏蔽措施，同样条件下，则测量不到磁感应强度.2个实验的结果表明加了屏蔽措施的角位移传感器能够达到很好的电磁兼容效果.

为了进一步验证该传感器在电磁兼容方面的性能，选取2个实验室的合格品送到专业从事汽车电器检测业务的第三方检测机构——长沙汽车电器检测中心进行检验，结果见表2.

表2 检验结果Tab.2 Test results

从表2可看出按照ISO 7637—2：2004和GB／T 17619—1998中9.4条TEM小室方法对该传感器的抗干扰效果进行检验，检验结果符合相关标准要求.

4 结论

本次设计的霍尔式角位移传感器采用新颖的电路结构和磁路屏蔽结构，在经过实验室和长沙汽车电器检测中心检验后，该传感器完全符合EMC相关标准，并获得国家专利，已应用于汽车电子油门踏板、节气门位置测量等方面，质量稳定可靠.在现代汽车控制系统设计中，随着EMC变得越来越重要，该霍尔式角位移传感器具有很大的应用价值.

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