霍尔电路高低温在线测试设备研究

沈娟 严雨宁

南京中旭电子科技有限公司，江苏南京 21000

一、前言

霍尔集成电路是一种磁敏传感器，作为一种为专门目的设计的集成电路，是无刷电机等换相、测速部位的关键器件，对可靠性、性能等有较高要求。

霍尔集成电路测试是保证霍尔集成电路性能、质量的关键手段。但现阶段，没有通用的霍尔电路测试仪器和测试设备，多为自主研发、组合而成，自动化程度和测试精度相对较低，且多为手动操作，高温和低温测试也往往采用高低温贮存后移至常温环境测试，由于器件较小，而贮存环境和常温测试环境的温差较大，导致参数会在较短时间内发生较大变化，与实际在高低温下工作的参数存在差异。

近年来，随着霍尔集成电路的不断发展，对测试设备无论是自动化、测试精度，还是高低温测量的准确度都提出了更高要求。因此，本文设计了一种开关型霍尔集成电路在线高低温测试设备，它可以自动化地完成高低温环境下的参数测试，保证产品可靠。

二、霍尔集成电路测试需求

霍尔集成电路把稳压器、霍尔元件、差分放大器、施密特触发器和集电极开路输出级集成到同一单晶片上，能将变化的磁信号转换成数字电压输出。霍尔集成电路的功能方框图如图1所示。

当外界磁场方向为正并作用在霍尔元件上时，根据霍尔效应原理，霍尔元件的两个输出端将输出一个电压值称为霍尔电压VH，这个电压经差分放大器放大后作为施密特触发器的触发信号。当信号电压随外界磁感应强度的增强而增加，达到施密特触发器导通电压阈值时，霍尔集成电路的输出端由高电平变为低电平，此时的外界磁场即为导通磁场。此后，如果外界磁感应强度继续增强，施密特触发器维持导通状态不变。当外界磁感应强度减弱时，电压信号随之减小，到达施密特触发器的截止阈值时，施密特触发器由导通状态跃变为截止状态，此时的外界磁场为截止磁场。因此，磁场的极性每变换一次，电路的输出就完成一次开关转换。这种工作原理称为开关型霍尔集成电路工作原理。

对于开关型霍尔集成电路而言，工作电压、电源电流、输出低电平电压、输出漏电流、导通磁场、截止磁场以及温度特性是考核产品优劣的主要指标。所以霍尔集成电路测试设备需要完成在不同工作温度下、不同工作电压下的磁参数（导通磁场和截止磁场）和电参数（电源电流、输出低电平电压、输出漏电流）测试。

三、霍尔集成电路测试设备的设计

1、霍尔集成电路测试系统设计

整个霍尔集成电路测试系统的设计方案如图2所示，主要分为两个部分，分别为测试设备和测试夹具。测试设备由电源模块、磁场生成模块、参数测试模块和数据处理显示模块组成；测试夹具主要包括线圈和霍尔集成电路两部分。测试夹具和测试设备通过串口总线来实现数据交换。霍尔集成电路测试系统针对的被测件为三端开关型霍尔器件，磁场生成模块通过控制线圈通电进行磁场强度控制；根据外部测试条件输入，通过电参数测试模块调节霍尔电路测试的电源电压和输出负载电压；将霍尔集成电路信号引入电参数测试模块完成功耗电流、漏电流、输出高低电平的测量采集。这样高低温在线测试时，只需要将测试夹具置入高低温环境，通过外部串口连接测试设备实现磁场控制和数据采集。

2、测试设备

测试设备由电源模块、磁场生成模块、参数测试模块和数据处理显示模块组成，采用单片机通过串口总线来完成对整个系统的数据采集、计算和控制。其中，磁场生成模块和参数测试模块是两个至关重要的模块。

（1）磁场生成模块

磁场生成模块的示意图如图3所示，由单片机控制数模转换器，生成一个可控的电压，再通过运算放大器放大，驱动线圈部分，从而产生磁场。传统的磁场生成模块一般是由带硅钢片的线圈产生，其产生的磁场分布不均匀，测试时带来的误差较大。在本测试仪中，线圈部分由两个平行的线圈组成，通过给线圈通电生成均匀可变的磁场，因此，测试时电路的位置、温度发生变化对测试的结果影响不大，测试精度较高。

因为磁场大小与流过线圈的电流大小成正比，与线圈两端电压成正比，所以磁场的大小由单片机生成的可控电压进行控制。在对电路进行测试时，逐步增加磁场，单片机根据输出电压高低电平的变化记录磁场的值，这样就能达到测试导通磁场和截止磁场的目的。单片机控制的测试设备，通过采集数据能够减小由人为因素引起的产品参数差异，同时能够提高生产效率，缩短测试周期，减小测试误差。

（2）参数测试模块

参数测试电路主要给插入测试夹具的霍尔电路提供电源电压VCC、负载电压VDD以及可调上拉电阻，霍尔电路返回电参数测试电路的信号包括电源电流（静态、动态电流）、输出电流（输出漏电流）和输出电压（高、低电平电压）。检测电压信号时，采用电压跟随器、运算放大器等电路将检测到的值送入单片机，单片机经过数据上传模块进行存储和显示；检测电流信号时，首先将电流信号转化成电压信号后进行放大，然后送入单片机进行处理、显示。

（3）数据处理显示模块

对于开关型霍尔集成电路而言，工作电压、电源电流、输出低电平电压、输出漏电流、导通磁场、截止磁场等参数是考核产品优劣的主要指标。测试时，首先将工作电压VCC、负载电压VDD和输出电流PA2调节至要求值，点击开始按钮进行测试。此时，首先对单片机的各个端口进行初始化，随后，单片机读取电源电流对应的I/O口并将该数值记录为电源电流。随后，单片机调节经过线圈的电流值大小，调节加载在霍尔集成电路表面的磁场，当输出电压由低电平至高电平的跳变时，读取输出电流值和加在线圈上的电流值，并将该值记录为输出漏电流和截止磁场；当输出电压由高电平至低电平的跳变时，读取输出电压和加在线圈上的电流值，并将该值记录为输出低电平电压和导通磁场。回差值为导通磁场和截止磁场的差值，由单片机进行计算。工作电压、电源电流、输出低电平电压、输出漏电流、导通磁场、截止磁场等参数测试完成后，由单片机的I/O口传输至显示屏模块进行显示。

（4）电源模块

通过电源变压器将外接三相插头引入的220V电压转换为恒定低压，生成运算放大器，为磁场生成模块和数据处理显示模块等模块需要的电压。

3、测试夹具

由于测试夹具需要放置在高低温的测试环境，而目前霍尔集成电路测试温度通常最高可达150℃，最低为-55℃，所以需要选用抗高温的材料作为测试夹具材料。为了排除干扰，提高可靠性，测试夹具仅包括金属框架（图5）、耐高温插座、线圈和耐高温线缆结构，将所涉及的电阻、电容等器件全部在位于常温环境的测试设备中搭接。

根据烘箱和低温箱尺寸设置金属框架，金属框架按照横向、纵向顺序依次放置耐高温插座以及配套线圈，再通过高温线缆从高温环境引出，经串口可以连接至放置在常温环境的测试设备。由于尺寸限制，经试验一个金属框架可以放置20只霍尔集成电路和配套线圈，考虑工作环境的保温时间，仅一个金属框架测试效率较低，所以选择多个金属框架一起放置在工作环境箱，采用相同的线缆串口，通过切换串口，完成多个金属框架所有霍尔集成电路的测试，提高效率。

4、系统程序设计

测试系统设计程序的流程如图6所示，此程序是先测量功耗电流确定产品有无。然后通过扫描（0-最大N-0-最大S-0-最大N）磁场，测量对应的输出电压，确定产品类型。通过确定产品有无以及磁场极端值的扫描可以防止进入死循环，并且在磁场测试时提高速度。

四、高精度测试验证

为了验证霍尔电路高低温在线测试设备的功能，选取5只霍尔集成电路采用取出测试方法和在线测试方法分别进行三温测试，结果如表1、2所示。霍尔电路高低温在线测试设备的测试精度高于原测试设备，

表1 原始测试设备的测试结果

125℃高温测试测试仪器：霍尔电路手动测试设备、电热恒温鼓风干燥箱 环境温度：25℃ 湿度：46%RH条件 Vcc=4.5V Vcc=24V参数 导通磁场(mT)截止磁场(mT)回差(mT)输出低电平电压(V)导通磁场(mT)截止磁场(mT)回差(mT)输出漏电流(μA）电源电流(mA)输出低电平电压(V)范围 4.5～27 2.5～25 ≥2 ≤0.4 4.5～27 2.5～25 ≥2 ≤10 ≤8 ≤0.4 1 13.0 5.5 7.5 0.08 12.5 4.0 8.5 0 5.0 0.08 2 13.5 6.0 7.5 0.08 13.0 4.0 9.0 0 5.1 0.08 3 13.0 6.0 7.0 0.08 13.0 4.5 8.5 0 5.2 0.08 4 14.0 6.5 7.5 0.08 14.0 5.0 9.0 0 5.2 0.08 5 12.5 5.0 7.5 0.08 13.0 4.0 9.0 0 5.0 0.08-55℃低温测试测试仪器：霍尔电路手动测试设备、低温冷阱 环境温度：25℃ 湿度：46%RH条件 Vcc=4.5V Vcc=24V参数 导通磁场(mT)输出低电平电压(V)范围 4.5～27 2.5～25 ≥2 ≤0.4 4.5～27 2.5～25 ≥2 ≤10 ≤8 ≤0.4 1 13.0 7.0 6.0 0.09 12.5 6.0 6.5 0 7.2 0.09 2 13.0 7.0 6.0 0.09 13.0 5.5 7.5 0 7.4 0.09 3 12.5 7.5 5.0 0.09 12.0 5.0 7.0 0 7.4 0.09 4 12.5 7.0 5.5 0.09 12.5 5.5 7.0 0 7.4 0.09 5 12.5 7.0 5.5 0.09 12.5 6.0 6.5 0 7.1 0.09截止磁场(mT)回差(mT)输出低电平电压(V)导通磁场(mT)截止磁场(mT)回差(mT)输出漏电流(μA）电源电流(mA)

表2 霍尔电路高低温在线测试设备的测试结果