电动工具用永磁无刷直流电机的霍尔传感器选型
古炯钧 徐威群
（MagnTek麦歌恩电子 上海）
摘要：基于不同工艺霍尔传感器的磁特性与电特性，就电动工具用无刷电机的应用特点，介绍所需霍尔传感器的必要参数，提出合理选型建议，以期达到提高电机整体性能与可靠性的目的。可为工程师设计电机时选择霍尔传感器提供参考。
关键词：霍尔传感器 磁特性 电特性 选型
中图分类号 TM930.1 文件标示码 A 文章编号1674-2796-（2014） 0 引言
近年来，随着永磁无刷直流电机（以下简称“无刷电机”）控制技术的日趋成熟，市场对节能环保的概念需求日益增长。由于无刷电机具有节能、高效、低噪音、无火花、启动扭矩高，使用寿命长等优点，使得电动工具市场随之迎来了无刷热潮，并呈现了加速发展的态势。目前，许多电动工具龙头企业已有量产型号的无刷电动工具，更多的企业正在加紧相关的研发与样机制作。
无刷电动工具的核心是无刷电机与控制器。由于电动工具在工作时负载与转速均会发生变化，且需要在高、低转速时均有良好的扭力输出，绝大多数无刷电动工具电机均选择有霍尔式的控制方式，控制器通过霍尔传感器的反馈编码确定电机转子位置，从而控制电机持续运转。
本文从霍尔芯片的制造工艺与实际应用环境结合角度出发，简要论述如何为电动工具用无刷电机选择合适的霍尔传感器。
1 霍尔芯片的制造工艺
霍尔传感器是一种磁性传感器，通过感应磁场的变化，输出不同种类的电信号。霍尔芯片主要有三种制造工艺，分别为Bipolar、CMOS和BiCMOS工艺，不同工艺的产品具有不同的电参数与磁参数特性。三种不同工艺产品的特点如下。
1.1 Bipolar工艺的霍尔芯片
Bipolar工艺是最早出现的适用于量产的芯片工艺。作为一种传统的半导体工艺，Bipolar产品具有良好的电特性，包括其可以在宽泛的工作电压环境下工作，反向电压保护电路设计简单高效，同时兼顾ESD保护及抗电磁干扰能力。其缺点是磁特性表现一般，包括传感器本身的磁开启点与关闭点一致性及对称性不佳，且随温度变化，其磁参数变化较大，也就是常
说的温漂较大。虽然可通过后续的测试筛选来提高产品的整体磁性能，但也提高了生产成本，从而增加客户端的使用成本。
1.2 CMOS工艺的霍尔芯片
CMOS工艺是随着时代的发展，在芯片本身集成度要求提高的前提下产生的另一种量产工艺。半导体制造工艺的发展使得现今CMOS工艺最小线宽不断下降，意味着在同样面积的晶片上可集成更多的电路，特别是数字处理电路。由此CMOS工艺的霍尔芯片可通过内置斩波放大处理电路、动态失调消除电路等方式有效控制磁参数的偏差范围，其最大的优点是具有精准的磁开关动作点，磁性灵敏度选择范围较广。对于温漂的控制，亦可通过内置温度补偿电路实现。与此同时，因其其线宽窄，导致芯片本身的耐压性能一般，由于兼顾ESD能力、启动电压等因素，大多的CMOS工艺霍尔传感器没有内置反向保护电路。CMOS芯片的抗干扰能力也较差。
1.3 BiCMOS工艺的霍尔芯片
上述两种工艺存在各自的优缺点，随着半导体技术的发展继而出现了将上述两种工艺组合运用的BiCMOS工艺。BiCMOS工艺以CMOS工艺为基础，在输入电源调制和输出驱动大负载处加入Bipolar工艺，从而结合两者的优点，降低两种工艺对芯片最终磁、电特性的影响。其继承了CMOS工艺优良的磁特性，同时最大限度保留了Bipolar工艺耐高压、抗干扰能力强的优点。
以上各类工艺没有绝对的优劣之分，需要结合实际的应用环境加以综合考虑，使用最适合的工艺种类芯片。表1为三种工艺的霍尔芯片磁、电特性比较。
表1三种工艺的霍尔芯片磁、电特性比较
2 电动工具用无刷电机的霍尔选型
2.1应用环境
电动工具用无刷电机为高速无刷电机，基本由锂电池供电，电机转速可达20 000 r/min，其内部温升较快。实际使用过程中，外部负载与电机转速不定，工作环境多样。
2.2选型建议
结合实际应用环境，在霍尔选型时必须注意相关的磁、电特性与其配合。
1） 功耗和最低工作电压，随着电机控制芯片的工作电压由5 V逐步转型。
由于是锂电池供电，产品整体的功耗越低，则一次充电的使用时间越长。在三种工艺的霍尔传感器中，CMOS与BiCMOS工艺的霍尔传感器功耗都相对较低。由于电机控制芯片由5 V供电逐步切换到3.3 V供电，能在3.3 V上下稳定工作的霍尔IC将成为趋势。
2）开关量霍尔有三种磁感应类型，分别为单极型和双极型和全极型。
无刷电机里通常使用单极型和双极型。单极型仅通过单极的磁场（南极或者北极，具体看传感器型号）即可触发与关断，若用另一极磁场感应，则输出保持未触发状态。双极型需要通过南北极磁场的交替变化才能有完整的高低电平输出。由此，在南北磁场均匀的情况下，单极型霍尔由于本身的磁特性，不可能达到50%的占空比，双极型的占空比表现优于单极型。 对于双极型霍尔，一般有两种标注方式，分别为双极（Bipolar，此Bipolar不是指生产工艺，而是磁感应类型）与锁存（Latch）。若标注双极，通常情况下会有10%的产品实际为单极，这是出于成本角度考虑，放宽了测试标准，并且测试本身会有一定的误差。若标注
锁存，则100%保证产品为双极型。图1为锁存型霍尔传感器的输出曲线。
图1锁存型霍尔传感器的输出曲线
3）电机本体高转速且温升较快，此应用特点需要霍尔本身的磁对称性、一致性及温漂较好。对称性可保证每相霍尔输出信号的占空比保持在50%，一致性保证了三相信号的相位差恒定，从而保证了位置编码与转子位置的对应是精准的，特别对于高速电机而言，转子位置反馈是保证电机效能最大发挥的前提。图2为MT3401系列霍尔传感器的磁参数随温度漂移曲线。
图2 MT3401系列霍尔传感器的磁参数随温度漂移曲线
4）霍尔传感器主流的封装形式主要有贴片式和直插式。
a 贴片式 b 直插式
图3 SOT-23与TO-92S封装的霍尔传感器
电动工具用无刷电机中使用贴片型封装的霍尔传感器较多，如图3a所示。电动工具内部空间狭小，贴片型体积紧凑，此类应用中霍尔有两种安装方式，分别为内置式与外置式。内置式安装将霍尔安放于电机内部的PCB板，感应转子磁钢侧面的磁场。外置式将霍尔安放于电机外部，通过感应电机轴端与转子磁钢同步的外置磁环产生信号。转子磁钢的侧面截面积较窄，相比直接在磁钢正面感应，霍尔表面的磁场强度会减小。而外置式的磁环通常由铁氧体或者粘结钕铁硼材料制作，亦会使得霍尔表面的磁场强度偏弱。由此两点，不论何种安装方式，均需要选择灵敏度较高的霍尔传感器，防止由于磁场过弱导致丢失信号。
5）电机启动时可能是空载启动，亦可能为带载启动。
若外部负载突然增大，会对电机的电控系统带来冲击，霍尔传感器的输入输出端有被瞬间正向或者反向高压击穿，导致芯片烧毁的可能。实际上，无刷电机中霍尔失效的大部分原因均来源于此。因此，在霍尔选型时，需要考虑芯片本身的正向与反向耐压性能。另外，电动工具工作期间可能处于恶劣环境中，所以对芯片的抗电磁干扰能力也有一定要求。
综上，对于电动工具用无刷电机，使用磁感应类型为锁存型的BiCMOS工艺霍尔传感器较为合适，且需要芯片本身内置反向保护电路、温度补偿电路、输出级过压保护。同时，若芯片内置过温保护功能（超过一定温度芯片停止信号输出，从而使电机停机），则可避免由于瞬间高温引起的器件损坏。图4为MT3401霍尔传感器内部功能框架图，供参考。
图4为MT3401霍尔传感器内部功能框架图
3 结语
虽然，在无刷电机整体成本构成中，霍尔传感器所占比例很低，但是作为转子位置反馈器件却又显得相当重要。由于电动工具需要在高温高转速以及外部恶劣环境中使用，必须结合实际应用情况选择合适的霍尔传感器才能保证电机稳定、高效运转。对于霍尔传感器的用户而言，简要了解不同工艺制成的霍尔传感器的磁特性与电特性，有助于在电机设计阶段挑选出最适合的霍尔传感器，从而提高由无刷电机驱动的电动工具产品整体可靠性。 参考文献：
1李东生，电子设计自动化与IC设计[M].北京：高等教育出版社，2004.
2 任艳颖，王彬. IC设计基础 [M]. 西安：西安电子科技大学出版社 ，2003.
3 魏静微.永磁无刷直流电动机结构设计与应用[M].北京：机械工业出
电动工具用永磁无刷直流电机的霍尔传感器选型
古炯钧 徐威群
（MagnTek麦歌恩电子 上海）
摘要：基于不同工艺霍尔传感器的磁特性与电特性，就电动工具用无刷电机的应用特点，介绍所需霍尔传感器的必要参数，提出合理选型建议，以期达到提高电机整体性能与可靠性的目的。可为工程师设计电机时选择霍尔传感器提供参考。
关键词：霍尔传感器 磁特性 电特性 选型
中图分类号 TM930.1 文件标示码 A 文章编号1674-2796-（2014） 0 引言
近年来，随着永磁无刷直流电机（以下简称“无刷电机”）控制技术的日趋成熟，市场对节能环保的概念需求日益增长。由于无刷电机具有节能、高效、低噪音、无火花、启动扭矩高，使用寿命长等优点，使得电动工具市场随之迎来了无刷热潮，并呈现了加速发展的态势。目前，许多电动工具龙头企业已有量产型号的无刷电动工具，更多的企业正在加紧相关的研发与样机制作。
无刷电动工具的核心是无刷电机与控制器。由于电动工具在工作时负载与转速均会发生变化，且需要在高、低转速时均有良好的扭力输出，绝大多数无刷电动工具电机均选择有霍尔式的控制方式，控制器通过霍尔传感器的反馈编码确定电机转子位置，从而控制电机持续运转。
本文从霍尔芯片的制造工艺与实际应用环境结合角度出发，简要论述如何为电动工具用无刷电机选择合适的霍尔传感器。
1 霍尔芯片的制造工艺
霍尔传感器是一种磁性传感器，通过感应磁场的变化，输出不同种类的电信号。霍尔芯片主要有三种制造工艺，分别为Bipolar、CMOS和BiCMOS工艺，不同工艺的产品具有不同的电参数与磁参数特性。三种不同工艺产品的特点如下。
1.1 Bipolar工艺的霍尔芯片
Bipolar工艺是最早出现的适用于量产的芯片工艺。作为一种传统的半导体工艺，Bipolar产品具有良好的电特性，包括其可以在宽泛的工作电压环境下工作，反向电压保护电路设计简单高效，同时兼顾ESD保护及抗电磁干扰能力。其缺点是磁特性表现一般，包括传感器本身的磁开启点与关闭点一致性及对称性不佳，且随温度变化，其磁参数变化较大，也就是常
说的温漂较大。虽然可通过后续的测试筛选来提高产品的整体磁性能，但也提高了生产成本，从而增加客户端的使用成本。
1.2 CMOS工艺的霍尔芯片
CMOS工艺是随着时代的发展，在芯片本身集成度要求提高的前提下产生的另一种量产工艺。半导体制造工艺的发展使得现今CMOS工艺最小线宽不断下降，意味着在同样面积的晶片上可集成更多的电路，特别是数字处理电路。由此CMOS工艺的霍尔芯片可通过内置斩波放大处理电路、动态失调消除电路等方式有效控制磁参数的偏差范围，其最大的优点是具有精准的磁开关动作点，磁性灵敏度选择范围较广。对于温漂的控制，亦可通过内置温度补偿电路实现。与此同时，因其其线宽窄，导致芯片本身的耐压性能一般，由于兼顾ESD能力、启动电压等因素，大多的CMOS工艺霍尔传感器没有内置反向保护电路。CMOS芯片的抗干扰能力也较差。
1.3 BiCMOS工艺的霍尔芯片
上述两种工艺存在各自的优缺点，随着半导体技术的发展继而出现了将上述两种工艺组合运用的BiCMOS工艺。BiCMOS工艺以CMOS工艺为基础，在输入电源调制和输出驱动大负载处加入Bipolar工艺，从而结合两者的优点，降低两种工艺对芯片最终磁、电特性的影响。其继承了CMOS工艺优良的磁特性，同时最大限度保留了Bipolar工艺耐高压、抗干扰能力强的优点。
以上各类工艺没有绝对的优劣之分，需要结合实际的应用环境加以综合考虑，使用最适合的工艺种类芯片。表1为三种工艺的霍尔芯片磁、电特性比较。
表1三种工艺的霍尔芯片磁、电特性比较
2 电动工具用无刷电机的霍尔选型
2.1应用环境
电动工具用无刷电机为高速无刷电机，基本由锂电池供电，电机转速可达20 000 r/min，其内部温升较快。实际使用过程中，外部负载与电机转速不定，工作环境多样。
2.2选型建议
结合实际应用环境，在霍尔选型时必须注意相关的磁、电特性与其配合。
1） 功耗和最低工作电压，随着电机控制芯片的工作电压由5 V逐步转型。
由于是锂电池供电，产品整体的功耗越低，则一次充电的使用时间越长。在三种工艺的霍尔传感器中，CMOS与BiCMOS工艺的霍尔传感器功耗都相对较低。由于电机控制芯片由5 V供电逐步切换到3.3 V供电，能在3.3 V上下稳定工作的霍尔IC将成为趋势。
2）开关量霍尔有三种磁感应类型，分别为单极型和双极型和全极型。
无刷电机里通常使用单极型和双极型。单极型仅通过单极的磁场（南极或者北极，具体看传感器型号）即可触发与关断，若用另一极磁场感应，则输出保持未触发状态。双极型需要通过南北极磁场的交替变化才能有完整的高低电平输出。由此，在南北磁场均匀的情况下，单极型霍尔由于本身的磁特性，不可能达到50%的占空比，双极型的占空比表现优于单极型。 对于双极型霍尔，一般有两种标注方式，分别为双极（Bipolar，此Bipolar不是指生产工艺，而是磁感应类型）与锁存（Latch）。若标注双极，通常情况下会有10%的产品实际为单极，这是出于成本角度考虑，放宽了测试标准，并且测试本身会有一定的误差。若标注
锁存，则100%保证产品为双极型。图1为锁存型霍尔传感器的输出曲线。
图1锁存型霍尔传感器的输出曲线
3）电机本体高转速且温升较快，此应用特点需要霍尔本身的磁对称性、一致性及温漂较好。对称性可保证每相霍尔输出信号的占空比保持在50%，一致性保证了三相信号的相位差恒定，从而保证了位置编码与转子位置的对应是精准的，特别对于高速电机而言，转子位置反馈是保证电机效能最大发挥的前提。图2为MT3401系列霍尔传感器的磁参数随温度漂移曲线。
图2 MT3401系列霍尔传感器的磁参数随温度漂移曲线
4）霍尔传感器主流的封装形式主要有贴片式和直插式。
a 贴片式 b 直插式
图3 SOT-23与TO-92S封装的霍尔传感器
电动工具用无刷电机中使用贴片型封装的霍尔传感器较多，如图3a所示。电动工具内部空间狭小，贴片型体积紧凑，此类应用中霍尔有两种安装方式，分别为内置式与外置式。内置式安装将霍尔安放于电机内部的PCB板，感应转子磁钢侧面的磁场。外置式将霍尔安放于电机外部，通过感应电机轴端与转子磁钢同步的外置磁环产生信号。转子磁钢的侧面截面积较窄，相比直接在磁钢正面感应，霍尔表面的磁场强度会减小。而外置式的磁环通常由铁氧体或者粘结钕铁硼材料制作，亦会使得霍尔表面的磁场强度偏弱。由此两点，不论何种安装方式，均需要选择灵敏度较高的霍尔传感器，防止由于磁场过弱导致丢失信号。
5）电机启动时可能是空载启动，亦可能为带载启动。
若外部负载突然增大，会对电机的电控系统带来冲击，霍尔传感器的输入输出端有被瞬间正向或者反向高压击穿，导致芯片烧毁的可能。实际上，无刷电机中霍尔失效的大部分原因均来源于此。因此，在霍尔选型时，需要考虑芯片本身的正向与反向耐压性能。另外，电动工具工作期间可能处于恶劣环境中，所以对芯片的抗电磁干扰能力也有一定要求。
综上，对于电动工具用无刷电机，使用磁感应类型为锁存型的BiCMOS工艺霍尔传感器较为合适，且需要芯片本身内置反向保护电路、温度补偿电路、输出级过压保护。同时，若芯片内置过温保护功能（超过一定温度芯片停止信号输出，从而使电机停机），则可避免由于瞬间高温引起的器件损坏。图4为MT3401霍尔传感器内部功能框架图，供参考。
图4为MT3401霍尔传感器内部功能框架图
3 结语
虽然，在无刷电机整体成本构成中，霍尔传感器所占比例很低，但是作为转子位置反馈器件却又显得相当重要。由于电动工具需要在高温高转速以及外部恶劣环境中使用，必须结合实际应用情况选择合适的霍尔传感器才能保证电机稳定、高效运转。对于霍尔传感器的用户而言，简要了解不同工艺制成的霍尔传感器的磁特性与电特性，有助于在电机设计阶段挑选出最适合的霍尔传感器，从而提高由无刷电机驱动的电动工具产品整体可靠性。 参考文献：
1李东生，电子设计自动化与IC设计[M].北京：高等教育出版社，2004.
2 任艳颖，王彬. IC设计基础 [M]. 西安：西安电子科技大学出版社 ，2003.
3 魏静微.永磁无刷直流电动机结构设计与应用[M].北京：机械工业出