霍尔效应数字开关测试装置的设计研究

张文辉+袁文

摘 要：本文介绍了霍尔效应数字开关的分类、工作原理以及各项重要参数。霍尔效应数字开关测试装置的总体设计方案充分考虑了测试的便捷和可操作性，利用实验室常用设备如电源、示波器以及数字多用表和测试适配器进行构建。设计制作集合电磁铁、开关、测试夹具和接口的综合测试台具有操作简单、结构稳定、体积小和方便搬移等特点。依据设计方案完成的测试装置可以快速准确地测量霍尔效应数字开关的各项电参数和磁参数，并且具有测试和筛选功能。

关键词：霍尔效应数字开关；测试装置；设计

一、引言

霍尔集成电路是一种磁敏传感器。可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔集成电路是以霍尔效应原理为基础工作的。按照霍尔集成电路的功能可将它们分为：霍尔线性集成电路和霍尔开关集成电路。前者输出模拟量，后者输出数字量。通过霍尔集成电路能将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、角度、转速等转变成电量来进行检测和控制。霍尔开关集成电路又称霍尔效应数字开关，在直流无刷电机、无触点开关、位置控制、转速检测、隔离检测 、电流保护器、汽车点火器和安全报警装置方面应用非常广泛。

目前，在国标和行业标准中，还没有对霍尔效应数字开关的测试形成统一的标准，国内也没有厂家生产专门的测试仪器。传统的霍尔器件测试系统大多由器件生产厂家自行研发，主要是由模拟分立元件构成，测试参数受环境影响较大，长期工作稳定性差，并且以指针式表头来显示测量参数，不够直观，读数不方便。本文设计的测试装置实现了检测方法的科学规范，元器件检测筛选的快速有效，器件参数准测试的确可靠。

二、霍尔效应数字开关原理和分类

霍尔效应数字开关由稳压电源、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成。在外磁场的作用下，当磁感应强度超过导通阈值BOP 时，霍尔电路输出管导通，输出低电平。之后，磁感应强度B再增加，仍保持导通态。若外加磁场的B值降低到BRP 时，输出管截止，输出高电平。我们称BOP 为工作点，BRP 为释放点，BOP-BRP=BH 称为回差。回差的存在使开关电路的抗干扰能力增强。

霍尔效应数字开关根据其磁电转换特性分为锁定型和开关型。一般规定，当外加磁场的南极（S极）接近霍尔器件外壳上打有标志的一面时，作用到霍尔电路上的磁场方向为正磁场，北极（N极）接近标志面时为负磁场。

锁定型霍尔效应数字开关的特点是：当外加正磁场B 正向增加，达到BOP 时，电路导通，之后无论B 增加或减小，甚至将B除去，电路都保持导通态，只有负磁场达到负向的BRP 时，才改变为截止态，因而称为锁定型。

开关型霍尔效应数字开关的特点是：当外加正磁场B 正向增加，达到BOP 时，电路导通，之后B减小到BRP 时即改变为截止态。

三、技术方案

（一）总体方案

设计的霍尔效应数字开关测试装置可以完成对器件的主要特性参数工作点磁感应强度BOP、释放点磁感应强度BRP、回差BH、输出高电平电流IOH、输出低电平电压VOL、电源电流ICC、输出上升时间tr和下降时间tf的测量要求。测试装置应具有测试速度快，精度高，性能可靠的特点。

测试装置的设计需要充分考虑到测试的便捷和可操作性，利用直流电源、示波器以及数字多用表和测试适配器进行构建。

测试装置由稳压电源、磁场发生装置、测试适配器和结果测试仪器组成。测试装置组成框图见图1。其中稳压电源为器件提供直流电压信号VCC；磁场发生装置提供磁感应强度稳定和方向可变的磁信号；测试适配器用于实现被测器件与测试装置的电气连接，并配有相关接口连接结果测量仪器；结果测试仪器可测量器件的电压、电流和时间参数。

霍尔效应数字开关测试原理图如图2所示。图中直流稳压电源、电流表2、极性切换开关K2和电磁线圈组成了磁场发生装置，直流稳压电源为电磁线圈提高线圈电流，电流表2读取线圈电流的准确数值，极性切换开关K2控制线圈中的电流流向。Vcc、GND、Vout分别为霍尔效应数字开关的输入端、地和输出端，电流表1读取工作电源电流。RL为霍尔效应数字开关的工作下拉电阻。K1开关控制下拉电阻RL的闭合和断开。

根据电磁转换原理，电磁线圈产生的磁场大小和线圈中流过的电流大小成正比。在设计中，通过调节电磁线圈两端电压，即调节直流稳压电源输出电压控制磁感应强度。测量流过线圈的电流值，将电流值换算成器件的磁感应强度。

（二）测试装置综合测试台设计

为了提高测试的效率应设计制作一个操作简单的综合测试台。综合测试台应集合电磁铁、开关、测试夹具和接口等。设计的综合测试台俯视图如图3所示，从上至下为散热片、电磁铁和操作面板。电磁铁为圆柱体碳钢铁心磁铁，散热片与电磁铁紧密贴合，将霍尔效应数字开关插入测试夹具使其正面敏感点应能正对电磁铁中心点即可进行测试。操作面板上有共有测试夹具和2个开关，左右侧面共有8个接线端子。开关和接线端子具体作用为：K1开关为器件下拉电阻闭合和断开开关，闭合时下拉电阻为2KΩ； K2开关为磁场方向开关，分别为正磁场、断开（无磁场）和负磁场；左侧4个接线端子从上至下为Vcc、GND、Vout和示波器。右侧4个接线端子从上至下为电磁铁电源正端、负端、Vcc和Vout。

四、效果及其评价

（一）装置测试效果

测试装置完成安装调试后，使用测试装置对多个型号器件进行测试。测试结果基本与厂家测试结果或其它机构一致，但测试时间与传统的霍尔器件测试系统相比缩短了近一半。限于篇幅，仅给出部分测试结果，如下表。

（二）测试装置的特点

1.设计的磁场发生装置磁感应强度稳定，重复性良好；采用优质碳钢铁心的电磁线圈，每次使用后剩磁均低于0.1 mT，几乎不影响测试结果，无需进行剩磁处理。通过在直流稳压电源和电磁线圈回路上增加一个双刀双掷开关实现了磁场极性可变；根据电磁转换原理使用数字电流表和特斯拉计对电磁线圈回路电流与磁感应强度进行了多次测量，完成了电磁铁电源电流与磁感应强度对应关系表得出相关系数，解决了现有设备能力不足无法测试磁感应强度的问题。

2.设计完成的综合测试台将电磁铁、开关、测试夹具和接口很好的结合在一起。电磁线圈隐藏综合测试台之中不仅解决了电磁铁磁屏蔽问题，又解决了电磁线圈的散热问题；操作面板上各开关、测试夹具和接口布局合理、操作简单、不易出错；测试夹具设计成插拔拆卸式，方便多种封装形式霍尔效应数字开关的测试夹具的安装。整个综合测试台体积小，结构稳定，方便搬移。

五、结论

本文设计研究出的测试装置经过不断地调整修改，应用相关测试方法对霍尔效应数字开关进行了反复测试，结果表明装置运行稳定可靠。实际测试过程也证明该系统具有操作简便直观、测试数据准确、工作效率高等特点。

参考文献

[1] 半导体集成电路HK643型霍尔效应数字开关详细规范[M].南京中旭电子科技有限公司. 2010.06.

[2] 半导体集成电路HS3075型霍尔效应数字开关详细规范[M].南京中旭电子科技有限公司. 2008.09.

[3] 张艳清，李勇滔等.霍尔器件参数测试系统[J]仪表技术与传感器2011（7）：109-110.