Hiệu quả và Chính xác: Mức tiêu thụ điện năng rất thấp ở độ chính xác cao 

TLV493D-A1B6 là một cảm biến từ cung cấp tính năng cảm biến ba chiều (3D) chính xác với mức tiêu hao năng lượng rất thấp trong một gói TSOP nhỏ gọn 6 chân. Nó đo lường các chuyển động ba chiều, tuyến tính và xoay một cách đáng tin cậy. Nó rất phù hợp để sử dụng trong các cần điều khiển, các bộ phận điều khiển trong xe hoặc đồ gia dụng và các nút đa chức năng. Cảm biến từ cũng có thể được sử dụng như một chức năng bảo vệ hoạt động của đồng hồ điện. 

Các cảm biến Hall tuyến tính thông thường, công tắc Hall và cảm biến góc chỉ có thể nhận ra các thành phần từ trường vuông góc với bề mặt của chip; Cảm biến góc độ từ điện trở lớn (GMR) chỉ đo được các thành phần trường hướng phẳng. Tuy nhiên, cảm biến TLV493D-A1B6 của Infineon xác định được các tọa độ x, y và z của từ trường cùng lúc (xem hình 1). Bằng cách nhận ra các thành phần từ trường của cả ba trục, nó nhận được một hình ảnh ba chiều tổng thể của từ trường nằm trong vùng cảm biến. Mỗi chuyển động của nam châm đều ảnh hưởng đến ít nhất một trong ba thành phần từ trường. 

Để kích hoạt các cảm biến ba chiều, Infineon tích hợp các tấm Hall ngang và dọc trên chip cảm biến. Các tấm dọc phát hiện các thành phần trường x và y theo hướng phẳng trong khi tấm ngang xác định thành phần trường theo hướng thẳng đứng (hướng z).

Giảm mức tiêu thụ năng lượng là một ưu tiên trong việc phát triển TLV493D-A1B6. Nhờ công nghệ thiết kế tiên tiến, bao gồm bộ dao động tiết kiệm năng lượng, bộ cảm biến có thể hoạt động chỉ từ vài nano-amp và xuống đến 7 nA ở chế độ tắt nguồn. Tuy nhiên, mặc dù mức tiêu thụ điện năng thấp, nhưng cảm biến từ 3D vẫn có thể mang lại độ chính xác rất cao. Ngoài ra, thành phần silicon vừa khít với một gói nhỏ – gói TSOP-06 chỉ có kích thước 2,9 mm x 1,6 mm – giúp thiết bị nhỏ hơn bất kỳ bộ cảm biến từ 3D nào khác trên thị trường.

Nhờ gói nhỏ và mức tiêu thụ năng lượng thấp, TLV493D-A1B6 thích hợp cho các ứng dụng mà lâu nay không thể sử dụng được các cảm biến từ. Thích hợp để thay thế các chiết áp và các giải pháp quang học, khả năng định vị không cần tiếp xúc và độ ổn định nhiệt độ cao của các điểm chuyển đổi từ làm cho nó có thể nhận ra các khái niệm hệ thống nhỏ hơn, chính xác hơn và mạnh mẽ hơn.

Cảm biến được trang bị một đầu ra kỹ thuật số sử dụng một giao diện tiêu chuẩn I²C hai dây. Điều này cho phép truyền tin tốc độ cao và sử dụng chế độ bus để truyền tin hai chiều giữa bộ cảm biến và bộ vi điều khiển.

Cấu trúc của cảm biến bao gồm ba thiết bị chức năng chính (Hình 2): thiết bị điều khiển chế độ công suất, thiết bị cảm biến và thiết bị truyền tin.
Thiết bị điều khiển chế độ công suất có chức năng phân phối năng lượng trong IC cũng như điều khiển kích hoạt cảm biến điều khiển. 

Thiết bị cảm biến, có chứa các tấm Hall dọc và ngang và một cảm biến nhiệt độ, đo từ trường theo các hướng x, y và z. Mỗi tấm Hall được kết nối tuần tự với bộ chuyển đổi tương tự ra số (ADC) thông qua một bộ ghép kênh. Cảm biến nhiệt độ cũng được kết nối với bộ ghép kênh, nhưng nó có thể được kích hoạt để giảm tổng mức tiêu thụ điện năng khoảng 25%.

Trong mỗi chế độ công suất, bộ vi điều khiển có quyền truy cập vào các thiết bị truyền tin thông qua giao diện I2C và đăng ký dữ liệu để đọc các giá trị đăng ký. Các giá trị cho ba trục và nhiệt độ nằm trong đăng ký riêng. Mặc dù giao diện đáp ứng đặc điểm kỹ thuật chế độ nhanh I2C (400 kBit/giây), nhưng một hệ thống điện đặc biệt hỗ trợ tốc độ dữ liệu ít nhất là 1 MBit/giây. Cảm biến cũng có thể làm việc trên một bus I2C dùng chung với các thiết bị khác; sau đó bộ vi điều khiển, như bus chủ, kiểm soát tất cả các thành phần phụ. Địa chỉ bus tiêu chuẩn của TLV493D-A1B6 được nhà sản xuất thiết lập và có thể được thay đổi thông qua địa chân chỉ khi nó được bật. Địa chỉ mới vẫn hợp lệ trong suốt quá trình hoạt động và chỉ được đặt lại theo cài đặt gốc khi nguồn điện bị gián đoạn.

Trong quá trình phát hiện từ trường 3D, TLV493D-A1B6 cung cấp độ phân giải 12 bit cho mỗi hướng đo. Điều này cho phép độ phân giải dữ liệu cao 0,098 milliTesla (mT) trên mỗi bit (LSB, bit giá trị thấp). Do đó, cảm biến này có thể đo được ngay cả những chuyển động nhỏ nhất. Các phép đo từ trường tuyến tính (B) của Bx, By và Bz cũng có thể áp dụng cho phạm vi trường tuyến tính lớn (+/-130 mT). Điều này cho phép đo các chuyển động từ trường dài hơn. Phạm vi đo lớn cũng cho phép thiết kế chuyển mạch từ đơn giản, mạnh mẽ và linh hoạt. Nhờ sử dụng các tấm Hall dọc cho cả hai thành phần từ trường phẳng (hướng x và y), cảm biến mang lại độ chính xác từ cao (+/- 5%), cho phép đo góc chính xác. 

Sau mỗi chu kỳ đo, cảm biến truyền một tín hiệu gián đoạn mạnh đến bộ vi điều khiển đã kết nối, sau đó có thể đọc các giá trị từ và nhiệt độ từ các thanh ghi của bộ cảm biến. Sự gián đoạn cũng có thể kích hoạt bộ vi điều khiển từ chế độ nghỉ của nó. Do đó, MCU có thể ở chế độ năng lượng thấp cho đến khi có một giai đoạn đọc, làm giảm mức tiêu thụ điện năng tổng thể. TLV493D-A1B6 được trang bị năm chế độ năng lượng do người dùng lựa chọn: công suất giảm dần, công suất nhanh, công suất thấp, công suất cực thấp và bộ điều chỉnh chính (bảng 1). Các chế độ khác nhau có thể được cấu hình thông qua giao diện I²C trong quá trình hoạt động.

Khi được bật, cảm biến bắt đầu với cấu hình được nhà sản xuất cài đặt sẵn và tất cả các khối chức năng đang hoạt động trong một thời gian ngắn. Sau đó cảm biến thay đổi thành chế độ công suất giảm dần và tắt tất cả các khối chức năng. Trong chế độ này, cảm biến không thực hiện bất kỳ phép đo từ trường nào và mức tiêu thụ điện năng giảm xuống 7 nA. Khi được cấp nguồn bởi hai pin AA tiêu chuẩn, 2.400 mAh mỗi pin, sẽ mang lại thời gian vận hành theo lý thuyết là 39.000 năm. 

Chỉ đo khi cần thiết

Trong chế độ công suất thấp, cảm biến sẽ khởi động từ chế độ công suất giảm dần 10 ms một lần để thực hiện các phép đo từ tính. Để thực hiện điều này nó cần có dòng điện 100 µA. Phép đo từ tính thường xuyên lý tưởng cho các ứng dụng như các phần tử điều khiển (ví dụ: các nút đa chức năng).

Mức tiêu thụ điện năng giảm mười lần trong chế độ công suất siêu thấp – chu kỳ đánh thức được kép dài đến 100 ms và mức tiêu thụ điện năng giảm xuống 10 µA. Các ứng dụng đòi hỏi mức tiêu thụ điện năng rất thấp, bao gồm các hệ thống vận hành bằng pin như các thiết kế bảo vệ hoạt động cho đồng hồ điện, sẽ được hưởng lợi từ chế độ này.
Trong chế độ nhanh, cảm biến tối ưu hóa tốc độ đọc của nó, bắt đầu chuyển đổi tiếp theo trong khi gửi phép đo trước thông qua giao diện I2C. Chế độ này đặc biệt phù hợp với các ứng dụng như cần điều khiển phải nhận ra các chuyển động từ rất nhanh. Trong trường hợp này, mức tiêu thụ điện năng của cảm biến tối đa là 3,7 mA với tốc độ lấy mẫu tối đa là 3,3 kHz. 

Trong quá trình hoạt động của bộ điều chỉnh chính, cảm biến sẽ đợi sau mỗi lần đo cho đến khi bộ vi điều khiển (chính) đã đọc thanh ghi. Chỉ sau khi nó bắt đầu một chu kỳ đo mới. Chế độ này đặc biệt hữu ích khi một số cảm biến TLV493D-A1B6, được kết nối thông qua bus I²C, được sử dụng để phát hiện các chuyển động tuyến tính lớn. Trong trường hợp này, bộ vi điều khiển quyết định dữ liệu cảm biến nào hiện có liên quan và kích hoạt các cảm biến tương ứng. Hình 3 chỉ ra sự so sánh mức tiêu thụ điện năng và nhiệt độ trong các chế độ công suất khác nhau.

Độ phân giải chính xác 12 bit và tốc độ đường truyền cao làm TLV493D-A1B6 lý tưởng cho các ứng dụng điều khiển (hình 4). Các cần điều khiển truyền thống sử dụng một chiết áp cơ cho mỗi hướng di chuyển x, y và z. Cách tiếp cận này yêu cầu rất nhiều không gian và có sự cố về hiệu suất cao trong suốt tuổi thọ làm việc của sản phẩm khi điểm 0 của cần điều khiển di chuyển ra khỏi trung tâm chuyển động. Do đó, cần có các sửa đổi cơ học phức tạp của lỗi này để tránh thay thế hoàn toàn cần điều khiển. 

Trong quá trình lựa chọn phương pháp tiếp cận dựa trên các cảm biến từ 3D, cảm biến TLV493D-A1B6 có thể thay thế ba chiết áp cơ. Điều này giúp tiết kiệm không gian và làm cho các hệ thống cần điều khiển nhỏ nhất có thể. Ngoài ra, việc nhận dạng từ trường không qua tiếp xúc, độ ổn định nhiệt độ cao và tính năng lão hóa thiếu ảo cho phép phát triển các cần điều khiển mới, mạnh mẽ cho các ứng dụng công nghiệp. Các cảm biến 3D mới cũng làm cho các phần tử điều khiển ít tốn kém và tiết kiệm năng lượng. Chúng bao gồm các nút quay/nút đẩy thân thiện với người dùng trong các thiết bị điện hoặc đồ dùng gia đình, trong đó các phép đo góc chính xác và các cấu trúc hệ thống nhỏ mang lại sự thoải mái cho người dùng. 

Để giảm thời gian cần thiết để phát triển các ứng dụng sử dụng cảm biến mới, Infineon đã tạo ra một hệ thống đánh giá giá rẻ được gọi là “Cảm biến từ 3D 2Go”. Hệ thống này kết hợp cảm biến TLV493D-A1B6 với bộ vi điều khiển 32 bit XMC1100. Sử dụng phần cứng cùng với nam châm và phần mềm cảm biến được cung cấp, chỉ mất vài phút để hệ thống sẵn sàng cho các phép đo đầu tiên. Infineon cũng cung cấp tài liệu đính kèm cần điều khiển của “Cần điều khiển cho Bộ cảm biến từ 3D 2Go” cho các phép đo cần điều khiển nhanh. Thiết kế được đơn giản hóa hơn vì bộ vi điều khiển XMC1100 cũng có nghĩa là người dùng có quyền truy cập vào nền tảng phát triển miễn phí của ‘Dave’. 

Sản xuất công nghệ cảm biến mới đã bắt đầu. Được phát triển cho sản phẩm công nghiệp và tiêu dùng, thiết bị có thể hoạt động với phạm vi điện áp từ 2,7 đến 3,5 volt và phạm vi nhiệt độ từ -40 đến +125°C và có đủ tiêu chuẩn theo tiêu chuẩn ngành JESD47. Ngoài ra, đối với khách hàng trong ngành công nghiệp ô tô Infineon sẽ cung cấp chứng chỉ AEC-Q100 đầy đủ. Sản xuất hàng loạt bộ cảm biến từ 3D TLE493D-A1B6, được chứng nhận cho ngành công nghiệp ô tô, được lên kế hoạch cho đầu năm 2017. 

Việc giới thiệu TLV493D-A1B6 đánh dấu sự bắt đầu phát triển của toàn bộ danh mục cảm biến từ Infineon 3D, với các phiên bản cảm biến từ 3D bổ sung được giới thiệu trong các tháng tới.