ZHCABB5A april 2022 – april 2023 LDC3114 , TMAG5110 , TMAG5111 , TMAG5124
1 應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)
用于家用電器的三種位置感測(cè)解決方案
包含活動(dòng)器件的消費(fèi)類產(chǎn)品已經(jīng)從純機(jī)械產(chǎn)品轉(zhuǎn)變成通過集成電路 (IC) 實(shí)現(xiàn)電子控制的機(jī)電產(chǎn)品。以逐步改進(jìn)的洗衣機(jī)為例，它最初非常簡(jiǎn)單，就是一根棍棒，或者說(shuō)一根槳狀的棍棒，通過在河中的巖石上捶打衣物來(lái)去除衣物上的污垢。中世紀(jì)以來(lái)，洗衣機(jī)已經(jīng)從棍棒演變成了洗衣桶和洗衣板，后來(lái)又增加了絞水桶，接著洗衣桶和絞水桶又實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)化，最終在 1947 年轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃朴诂F(xiàn)今產(chǎn)品的自動(dòng)洗衣機(jī)。
現(xiàn)今的電器使用許多類型的傳感器來(lái)測(cè)量水位、旋鈕選擇器和溫度等。自 1990 年微控制器 (MCU) 問世后，人們可以收集電器上的傳感器信息，并根據(jù)這種新數(shù)據(jù)集做出明智的決策。例如，在旋轉(zhuǎn)周期，當(dāng)振動(dòng)導(dǎo)致衣物轉(zhuǎn)移到內(nèi)筒一側(cè)時(shí)，MCU 以振蕩運(yùn)動(dòng)緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)筒，直到衣物均勻分布，然后再繼續(xù)高速旋轉(zhuǎn)。這樣可防止洗衣機(jī)及周圍物件受到損壞。
本文介紹了借由霍爾效應(yīng)和電感式位置傳感器實(shí)現(xiàn)的三種感測(cè)創(chuàng)新技術(shù)，可以提升功能、可靠性、精確度和系統(tǒng)靈活性。
感測(cè)解決方案 1 – 增加布局靈活性的旋轉(zhuǎn)編碼
在洗衣機(jī)和烘干機(jī)中，旋轉(zhuǎn)編碼決定轉(zhuǎn)筒的速度和方向，這些信息對(duì)于 MCU 管理不同的洗衣模式和旋轉(zhuǎn)周期非常重要。與采用兩個(gè)霍爾效應(yīng)鎖存器的傳感器相比，通過集成了真正 2D 鎖存器的單一器件來(lái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)編碼，可以實(shí)現(xiàn)更靈活的傳感器布局。2D 鎖存器能夠監(jiān)視所有三個(gè)靈敏度軸，使設(shè)計(jì)人員可根據(jù)磁體方向選擇具有兩個(gè)方向靈敏度的特定器件。如果沒有上述功能，兩個(gè)單獨(dú)的傳感器會(huì)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)挑戰(zhàn)，因?yàn)樵谝恍┣闆r下，需要將一個(gè)傳感器朝向一個(gè)方向，另一個(gè)傳感器朝向另一個(gè)方向。
盡管旋轉(zhuǎn)編碼并不是什么新的概念，但是能夠?qū)?IC 放置在最方便的位置仍舊是很多雙鎖存器霍爾效應(yīng)傳感器所不具備的一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。此外，通過板載 2D 鎖存器可以進(jìn)一步提高環(huán)形磁極寬度的靈活性，如圖 1 中所示。請(qǐng)查看 TMAG5110 和 TMAG5111，這些雙路 2D 鎖存器可以輕松靈活地提供數(shù)字正交簽名。
圖 1 采用環(huán)形磁體和各種傳感器布局實(shí)現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)編碼感測(cè)解決方案 2 – 具有力檢測(cè)功能的觸控按鈕
通常情況下，家用電器的工作環(huán)境不太干凈。對(duì)于容易發(fā)生食物溢濺（爐灶臺(tái)面）和油脂堆積（抽油煙機(jī)）的環(huán)境，密封的觸控按鈕將是理想的設(shè)計(jì)。電感技術(shù)間接且非常準(zhǔn)確地測(cè)量傳感器線圈到金屬觸控按鈕的距離，是此用例的理想選擇，因?yàn)樗梢允褂脤?shí)心金屬片來(lái)制作觸控按鈕，從而將外界環(huán)境與傳感器隔離開來(lái)。這項(xiàng)技術(shù)具有能夠測(cè)量微米范圍內(nèi)目標(biāo)的固有功能，因此可以實(shí)現(xiàn)非常精確的力檢測(cè)，除了簡(jiǎn)單的開/關(guān)之外，還提供其他按鈕功能。圖 2 顯示了如何利用電感技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫界面。
圖 2 用于觸控按鈕的電感式感測(cè)技術(shù)
電感式感測(cè)技術(shù) (LDC3114) 提供以下優(yōu)勢(shì)：
- 與惡劣的外部環(huán)境完全隔開
- 非接觸式感測(cè)，可靠性高
- 防油液、油脂和水滲透，性能不打折扣
- 即使用戶佩戴手套，功能體驗(yàn)始終如一
- 經(jīng)久耐用，因?yàn)閭鞲衅鲿?huì)自主調(diào)節(jié)來(lái)適應(yīng)磨損、誤觸和環(huán)境變化
- 能夠使用一片不銹鋼實(shí)現(xiàn)多個(gè)觸控按鈕
- 通過壓感觸控來(lái)實(shí)現(xiàn)額外的觸控按鈕功能
| 機(jī)械開關(guān) | 簧片開關(guān) | DRV5032 霍爾效應(yīng)傳感器 | TMAG5124 霍爾效應(yīng)傳感器 | |
|---|---|---|---|---|
優(yōu)點(diǎn) |
成本最低的方案 |
對(duì) MCU 通用 I/O 進(jìn)行脈沖將為器件供電，從而實(shí)現(xiàn)可變采樣操作。 |
|
|
缺點(diǎn) |
會(huì)因連續(xù)使用而出現(xiàn)磨損，可能導(dǎo)致過早損壞。 |
|
|
|
感測(cè)解決方案 3 – 具有擴(kuò)展布線功能的開合檢測(cè)
機(jī)械開關(guān)或非接觸式磁性開關(guān)可檢測(cè)冰箱、洗衣機(jī)和烘干機(jī)等家用電器的蓋門開合情況。經(jīng)濟(jì)實(shí)惠型電器由于價(jià)格較低，通常采用機(jī)械或磁性簧片開關(guān)。這類開關(guān)已經(jīng)使用了幾十年，但它們也面臨挑戰(zhàn)（請(qǐng)參閱表 1）。
高端電器通常采用磁性霍爾效應(yīng)傳感器，因?yàn)檫@些傳感器具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)（請(qǐng)參閱表 1，其中包括兩款 TI 的霍爾效應(yīng)傳感器）。DRV5032 被認(rèn)為是一種低功耗器件，因?yàn)樵撈骷缘椭?5Hz 的速率由內(nèi)部占空比控制工作。TI 產(chǎn)品系列中的其他器件能夠以更低的速率進(jìn)行下電上電，但需要注意的是，設(shè)計(jì)人員必須等待開通時(shí)間過后才能開始采樣。
采用 TMAG5124 等雙線電流輸出器件比電壓輸出器件具有顯著的優(yōu)勢(shì)，如表 1 中所示。圖 3 顯示了 TMAG5124 的高側(cè)配置連接方式以及小型 PCB 實(shí)現(xiàn)方式。需要注意的是，盡管雙線霍爾效應(yīng)傳感器確實(shí)需要 PCB，但它們的體積通常不大也不笨重。
圖 3 TMAG5124 雙線連接和小型 PCB 實(shí)現(xiàn)本應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)中提供的位置感測(cè)設(shè)計(jì)展示了如何在家用電器中使用霍爾效應(yīng)傳感器和電感式傳感器。如需了解具體的家用電器信息，請(qǐng)參閱表 2。該表列出了可使用 TI 位置感測(cè)器件實(shí)現(xiàn)的一些家用電器以及功能。如需了解如何在設(shè)計(jì)中使用這些功能的更多信息和資源，請(qǐng)?jiān)L問表中的鏈接。參考文獻(xiàn) 一節(jié)提供了其他一些資源，其中包括開始設(shè)計(jì)工作所需的重要文檔。
| 設(shè)備 | 功能 | 鏈接 |
|---|---|---|
| 爐灶臺(tái)面 | 旋轉(zhuǎn)撥盤和旋鈕 | E2E? 常見問題解答 |
| 烤箱 | 觸控按鈕、旋轉(zhuǎn)撥盤和旋鈕 | E2E? 常見問題解答 |
| 抽油煙機(jī) | 觸控按鈕和翹板開關(guān) | E2E? 常見問題解答 |
| 冰箱 | 開合檢測(cè)和制冰控制桿 | E2E? 常見問題解答 |
| 洗碗機(jī) | 開合檢測(cè)和觸控按鈕 | E2E? 常見問題解答 |
| 洗衣機(jī)和烘干機(jī) | 開合檢測(cè)、滾筒速度檢測(cè)、水位和觸控按鈕 | E2E? 常見問題解答 |
參考文獻(xiàn)
- 德州儀器 (TI)，利用 2D 霍爾效應(yīng)傳感器減少增量旋轉(zhuǎn)編碼的正交誤差 應(yīng)用手冊(cè)
- 德州儀器 (TI)，BOOST-LDC3114EVM LDC3114 電感式感測(cè)評(píng)估模塊 工具頁(yè)面
- 德州儀器 (TI)，LDCTOUCHCOMCOILEVM 電感觸控傳感器線圈評(píng)估板 工具頁(yè)面