3D-Magnetfeld-Sensor-Chip Magnetsensor misst die x-, y- und z-Komponenten gleichzeitig

Autor / Redakteur: Hannes Birk * / Gerd Kucera

Der Sensor-IC zielt mit verbesserter 3D-Erkennung auf Industrie und Konsumanwendungen. Seine Stärken: flexible Betriebsmodi, skalierbare Designs, großer Messbereich und geringe Stromaufnahme.

Firmen zum Thema

Der 3D-Magnetsensor TLV493D-A1B6 ermöglicht eine präzise dreidimensionale Sensorik bei geringer Stromaufnahme in einem kleinen TSOP-Gehäuse mit sechs Pins.
Der 3D-Magnetsensor TLV493D-A1B6 ermöglicht eine präzise dreidimensionale Sensorik bei geringer Stromaufnahme in einem kleinen TSOP-Gehäuse mit sechs Pins.
(Bild: Infineon)

Der 3D-Magnetsensor TLV493D-A1B6 ermöglicht eine präzise dreidimensionale Sensorik bei geringer Stromaufnahme in einem kleinen TSOP-Gehäuse mit sechs Pins. Durch seine Magnetfelderkennung in x-, y- und z-Richtung misst der Sensor zuverlässig dreidimensionale, lineare und rotierende Bewegungen.

Anwendungsbereiche sind Joysticks, Steuerelemente (Haushaltsgeräte, Multifunktionsknöpfe), Stromzähler (Manipulationsschutz) und andere Applikationen, bei denen präzise Winkelmessungen und/oder eine geringe Stromaufnahme erforderlich sind.

Bildergalerie

Konventionelle lineare Hall-Sensoren, Hall-Schalter und Winkelsensoren detektieren nur Magnetfeldkomponenten, die senkrecht zur Oberfläche des Chips stehen; GMR-Winkelsensoren messen nur die planar ausgerichtete Feldkomponente. Der TLV493D-A1B6-Sensor ist in der Lage, gleichzeitig die x-, y- und z-Koordinaten des Magnetfelds zu bestimmen.

Durch die Erkennung der Magnetfeldkomponenten aller drei Achsen erhält man ein ganzheitliches, dreidimensionales Abbild des am Sensor anliegenden Magnetfelds. Jede Bewegung durch den Magneten führt zur Änderung von mindestens einer Magnetfeldkomponente, die der 3D-Sensor erfasst.

Ermöglicht wird die dreidimensionale Sensorik durch die Integration sowohl von vertikalen als auch horizontalen Hall-Platten auf dem Sensor-Chip. Die vertikalen Hall-Platten erfassen die planar ausgerichteten Feldkomponenten der x- und y-Richtung. Die horizontale Hall-Platte ermittelt die senkrecht ausgerichtete Feldkomponente (z-Richtung).

Eines der wichtigsten Entwicklungsziele war die Senkung der Stromaufnahme. Aufgrund neuartiger Design-Technologien, wie dem stromsparenden Oszillator, ließ sich die Stromaufnahme des Sensors auf nur noch wenige nA senken; beispielsweise 7 nA im Power-Down-Modus.

Ergänzendes zum Thema
Originalbeitrag als ePaper oder im pdf-Format lesen

Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS 11/2015 erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar.

Das Hauptaugenmerk bei der Entwicklung lag auf den zentralen Anforderungen mit einer präzisen 3D-Magnetsensorik und einer geringen Stromaufnahme – das Ergebnis ist ein Siliziumbauteil, das in ein kleines TSOP-6-Gehäuse passt. Es misst gerade einmal 2,9 mm × 1,6 mm und ist damit kleiner als alle derzeit auf dem Markt erhältlichen 3D-Magnetsensoren.

Aufgrund seines kleinen Gehäuses und der geringen Stromaufnahme eignet sich der TLV493D-A1B6 für den Einsatz in Anwendungen, die bisher noch keine Magnetsensorik nutzen, wie etwa als Ersatz für Potenziometer und optische Lösungen.

Durch kontaktlose Positionsbestimmungen und eine hohe Temperaturstabilität der magnetischen Schaltpunkte lassen sich kleinere, präzisere und robustere Systemkonzepte realisieren.

Der Sensor nutzt ein I2C-Standardprotokoll für die schnelle Kommunikation mit externen Mikrocontrollern. Die Sensoren können im Bus-Modus für eine bidirektionale Kommunikation betrieben werden, was die Anzahl der Kabel reduziert und Kosten senkt. Der TLV493D-A1B6 ist RoHs-konform und gemäß JESD47 qualifiziert.

Die Architektur und Hauptmerkmale des Bauteils

Die Sensorarchitektur besteht aus drei Hauptfunktionseinheiten (Bild 2): Power-Mode-Steuerungseinheit, Sensoreinheit und Kommunikationseinheit. Die Power-Mode-Steuerungseinheit dient der Energieverteilung im integrierten Schaltkreis. Sie steuert auch den Einschaltvorgang des Sensors.

Die Sensoreinheit enthält die vertikalen und horizontalen Hall-Platten und einen Temperatursensor. Die Sensoreinheit nimmt Messungen des Magnetfelds in x-, y- und z-Richtung vor. Jede x-, y- und z-Hall-Platte ist hintereinander an einen Multiplexer geschaltet, der an den Analog-Digital-Wandler angeschlossen ist. Der Temperatursensor ist ebenfalls mit dem Multiplexer verbunden und lässt sich optional aktivieren. Die Gesamtstromaufnahme verringert sich um etwa 25 %, wenn die Temperaturmessung deaktiviert ist.

Bildergalerie

Der Mikrocontroller kann in jedem Power-Modus auf die Kommunikationseinheit mit der I2C-Schnittstelle und den Registerdateien zugreifen, um Registerwerte auszulesen. Die Werte für die drei Achsen und die Temperatur werden in separaten Registern gespeichert. Die Schnittstelle erfüllt die I2C-Fast-Modus-Spezifikation (400 kBit/s). Mit einem speziellen elektrischen Aufbau lassen sich auch Datenraten von 1 MBit/s und mehr erreichen. Der Sensor kann gemäß den Richtlinien des I2C-Protokolls auch in einem I2C-Bus mit anderen Geräten genutzt werden. Der Einsatz eines Kommunikationsbussystems sorgt für einen geringeren Verdrahtungsaufwand und eine Steuerung durch den Mikrocontroller (Bus-Master). Die Standardbusadresse des TLV493D-A1B6-Sensors ist herstellerseitig eingestellt. Beim Einschalten ist die Adresse über den Adress-Pin änderbar. Die neue Adresse ist während des Betriebs gültig und wird erst beim Unterbrechen der Stromversorgung auf die Werkseinstellung zurückgesetzt.

Der TLV493D-A1B6 bietet bei der 3D-Magnetfelderkennung eine 12-Bit-Datenauflösung für jede Messrichtung. Dies ermöglicht eine hohe Datenauflösung von 0,098 mT/Bit (LSB, Last Significant Bit). So sind sogar die kleinsten Bewegungen messbar.

Lineare Magnetfeldmessungen (B) von Bx, By und Bz sind für den großen linearen Feldbereich von +/-150 mT möglich. Dadurch lässt sich auch eine lange magnetische Bewegung erfassen. Der große Messbereich sorgt außerdem für ein einfaches, robustes und flexibles Magnetschaltungs-Design.

Durch die Verwendung von vertikalen Hall-Platten für beide planaren Magnetfeldkomponenten (x- und y-Richtung) erzielt der Sensor eine magnetische Genauigkeit von +/-2%, sodass präzise Winkelmessungen möglich sind.

Der für Industrie- und Konsumanwendungen entwickelte TLV493D-A1B6-Sensor kann mit einer Spannung von 2,7 bis 3,5 V und in einem Temperaturbereich von –40 bis +125 °C betrieben werden und ist nach der Industrienorm JESD47 qualifiziert.

Flexible Power-Modi für niedrige Stromaufnahme

Der Sensor übermittelt nach jedem Messzyklus ein Interrupt-Signal an den angeschlossenen Mikrocontroller. Dieser kann dann die Magnet- und Temperaturwerte aus den Registern auslesen.

Das Interrupt-Signal des Sensors ist auch zum Aufwecken eines Mikrocontrollersystems aus dem Sleep-Modus nutzbar. Da sich das System im Sleep-Modus befindet und nur in der Auslesephase aktiviert ist, lässt sich die Gesamtstromaufnahme drastisch senken.

Der TLV493D-A1B6 verfügt über fünf durch den Benutzer auswählbare Power-Modi: Power Down, Fast Mode, Low Power Mode, Ultra Low Power Mode und Master-Controlled Mode (Tabelle in Bild 1). Die verschiedenen Modi lassen sich während des Betriebs über die I²C-Schnittstelle konfigurieren.

Beim Einschalten startet der Sensor mit der werkseitig eingestellten Konfiguration. Alle Funktionsblöcke sind für eine kurze Zeit aktiv. Danach wechselt der Sensor in den Power-Down-Modus, der alle Funktionsblöcke abschaltet. In dieser Zeit werden keine magnetischen Messungen durchgeführt.

Die Stromaufnahme wird auf 7 nA gesenkt. Betrieben mit zwei AA-Standardbatterien (à 2400 mAh) hat der Sensor in diesem Modus eine theoretische Betriebsdauer von 39.000 Jahren.

Bildergalerie

Im Fast Mode wird die Auslese-Geschwindigkeit optimiert. Während ein Messergebnis ausgelesen wird, ist bereits die nächste Umwandlung durchführbar. Dieser Modus eignet sich besonders für Anwendungen, bei denen sehr schnelle magnetische Bewegungen erkannt werden müssen, z.B. bei Joysticks. Die Stromaufnahme des Sensors beträgt maximal 3,7 mA bei einer Abtastrate von maximal 3,3 kHz, was 3300 Messzyklen pro Sekunde entspricht.

Im Low Power Mode wacht der Sensor alle 10 ms aus dem Power-Down-Modus auf, um magnetische Messungen durchzuführen. Die Stromaufnahme beträgt dabei 100 µA. Dieser Modus ist ideal für Anwendungen wie Steuerelemente (etwa Multifunktionsschalter), bei denen regelmäßige magnetische Messungen mit einem geringen Stromverbrauch notwendig sind.

Ergänzendes zum Thema
Originalbeitrag als ePaper oder im pdf-Format lesen

Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS 11/2015 erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar.

Im Ultra Low Power Mode lässt sich die Stromaufnahme um das Zehnfache verringern. Die Aufweckzyklen werden auf 100 ms verlängert; die Stromaufnahme sinkt auf 10 µA. Insbesondere batteriebetriebene Anwendungen wie Manipulationsschutzlösungen für Stromzähler profitieren von diesem Modus, da der Stromverbrauch sehr gering ist.

Im Master-Controlled-Modus kann der Sensor flexibel und abhängig von den Anwendungsanforderungen ausgelesen werden. Nach jeder Messung wartet der Sensor, bis der Mikrocontroller (Master) die Register ausgelesen hat. Je nach Anwendungsbedingungen lässt sich der Auslesevorgang sofort oder mit einiger Zeitverzögerung starten.

Sobald der Mikrocontroller die Magnetwerte erfasst hat, wird ein neuer Messzyklus ausgelöst. Dieser Modus ist besonders von Nutzen, wenn mehrere TLV493D-A1B6-Sensoren über einen I²C-Bus zur Erkennung großer linearer Bewegungen angeschlossen sind. Der Mikrocontroller (Master) entscheidet, welche Sensordaten relevanter sind und löst den entsprechenden Sensor aus. Bild 3 zeigt eine Gegenüberstellung von Stromaufnahme und Temperatur in den verschiedenen Power-Modi.

Anwendung: Manipulationsschutz von Stromzählern

Herkömmliche Stromzähler sind nicht in der Lage, Manipulationen zu erkennen oder damit umzugehen. Sie messen nämlich die Energie nur auf Basis der Spannung und des Stroms, der zwischen den Ein- und Ausgängen fließt. Bei solchen Stromzählern ist die Manipulation sehr leicht, die Erkennung der Manipulation jedoch schwierig. Moderne Stromzähler können hingegen Manipulationen erkennen und entsprechende Maßnahmen einleiten.

Magnetische Interferenzen sind wahrscheinlich die häufigsten und einfachsten Manipulationsmöglichkeiten. Elektromagnetische Sensoren wie ein Stromwandler (Current Transceiver; CT) sind besonders empfänglich für solche Interferenzen. Wird ein starker Dauermagnet am Gehäuse in der Nähe des CTs angebracht, entsteht ein starkes Magnetfeld, das den Kern schnell sättigt und den Stromsensor unbrauchbar macht. In diesem Fall würde sowohl für den Strom als auch für die Energie ein Wert von Null ausgelesen.

Der herkömmliche Ansatz zum Schutz gegen Manipulation basiert auf der Implementierung zweier Hall-Sensoren. Dabei wird ein Sensor auf die zugehörige Leiterplatte gelötet und der zweite senkrecht dazu auf einer separaten kleinen Platine (Bild 4). Dieser Ansatz bringt jedoch einige Nachteile mit sich, etwa die komplizierte mechanische Konstruktion, die Kalibrierung und die Einstellung. Zudem sind Stromverbrauch und -kosten sehr hoch.

Aufgrund des 3D-Magnetsensors TLV493D-A1B6 ist keine zusätzliche Leiterplatte notwendig. Das senkt die Systemkomplexität und erhöht die Zuverlässigkeit. Darüber hinaus erfüllt der TLV493D-A1B6 alle anderen Anforderungen für diesen Anwendungsfall: großer Feldbereich, hohe Auflösung, Temperaturmessung, geringe Stromaufnahme, Digitalausgang, keine zusätzlichen Komponenten, ein kleines Gehäuse und niedrige Kosten.

Joysticks und Steuerelemente

Mit seiner präzisen Auflösung von 12 Bit und der hohen Kommunikationsgeschwindigkeit ist der TLV493D-A1B6 ideal für Joystickanwendungen. Die kontaktlose Magnetfelderkennung, die hohe Temperaturstabilität und praktisch keine Alterserscheinungen machen die Entwicklung von neuartigen Joysticks für industrielle Anwendungen (z. B. Mensch-Maschine-Schnittstelle) möglich.

Der hier vorgestellte 3D-Sensor ermöglicht zudem kostengünstige und energieeffiziente Steuerelemente, wie benutzerfreundliche Dreh-/Druckknöpfe in Elektro- oder Haushaltsgeräten. Präzise Winkelmessungen und kleine Systemarchitekturen sorgen für eine neue haptische Anwenderfreundlichkeit.

Evaluierungsplatine und kostenlose Software

Kunden können für ein schnellere Entwicklungszeit eine Evaluierungsplatine online bestellen (www.ehitex.com). Die Evaluierungsplatine namens „3D Magnetic Sensor 2Go“ nutzt einen TLV493D-A1B6-Sensor und den 32-bit-Mikrocontroller XMC1100 von Infineon. Mithilfe des mitgelieferten Magnets und der bereitgestellten Sensor-Software lassen sich schon innerhalb weniger Minuten erste Messungen durchführen. Mit dem Mikrocontroller XMC1100 ist außerdem die kostenlose Entwicklungsplattform DAVE zur Entwicklung eines Sensorsystems verwendbar.

Ausblick auf die Automobilbranche

Der Sensor-Chip TLV493D-A1B6 bietet eine präzise und energieeffiziente 3D-Magnetfelderkennung für verschiedene Anwendungen. Flexible Betriebsmodi ermöglichen dedizierte und skalierbare System-Designs mit einem großen Messbereich für präzise Positionsbestimmungen bei geringster Stromaufnahme.

Entwicklungsmuster des TLV493D-A1B6 gibt es ab Juli 2015; die Serienproduktion ist für Januar 2016 geplant. Um auch Kunden in der Automobilbranche zu bedienen, erfährt der Sensorbaustein eine vollständige AEC-Q100-Qualifizierung. Die Serienproduktion für in der Automobilbranche zugelassene TLE493D-A1B6-Sensoren ist für Mitte 2016 geplant. Der hier vorgestellte Baustein ist der erste eines umfassenden 3D-Magnetsensor-Portfolios. Weitere Versionen von 3D-Magnetsensoren werden in den kommenden Monaten vorgestellt.

* Hannes Birk ist Marketing Manager für 3D-Magnetsensoren bei der Infineon Technologies AG, Neubiberg.

Artikelfiles und Artikellinks

(ID:43102654)