之前的文章中，我們聊到了磁鐵的類型以及其如何在同軸模式下與MPS MagAlpha傳感器一起使用。本文將在這里探討另一種“側軸”模式拓撲。MPS MagAlpha傳感器在IC的中心使用了一系列霍爾陣列，該霍爾元件可感應到來自旋轉磁體磁場的水平矢量。這種磁場通常位于傳感器上方或側面的一對徑向磁化的磁極（見圖1）。

圖 1：MagAlpha 傳感器同軸和側軸模式

側軸拓撲有兩種形式：一種為“標準”側軸模式，其傳感器封裝表面與磁鋼的旋轉軸相互垂直；另一種為“正交”側軸模式，其傳感器封裝表面與磁鋼的旋轉軸平行。與同軸模式相比，這兩種設計過程中都需要更多的考慮，而MPS 磁仿真工具可以提供一種有效的方法，能在進行真正的機械設計之前對方案進行性能評估。

介紹

當將MagAlpha傳感器與旋轉軸一側的磁鐵協同工作時，霍爾陣列會同時看到徑向磁場分量Br和切向分量Bt（或者在正交側軸的情況下看到垂直分量Bz）。最常見的側軸拓撲結構使用徑向極化的環形磁鐵（見圖2）。

在這種結構中，徑向場Br的大小通常大于切向分量Bt。當傳感器感應到大小不相等的兩個磁場時，隨著磁鋼的旋轉，角度輸出將變為非線性。所以，必須對兩個場的大小進行歸一化，以便傳感器感應到大小恒定的旋轉場矢量。MagAlpha傳感器集成了偏置電流微調（BCT）寄存器，可以平衡兩個磁場的場幅，從而獲得線性角度響應。更多詳細信息，請參考應用說明 “在側軸貼裝中使用 MagAlpha 傳感器”。

圖 2：徑向極化的兩極環周圍的徑向和切向磁場

經過上述微調之后，由于X軸或Y軸上的感應增益降低，傳感器會感應到較低的合成磁場。在標準側軸拓撲中，由于IC封裝有一定厚度，所以傳感器霍爾陣列也會離磁環表面比較遠。因此，磁環設計必須留有足夠的剩磁（常用BR表示），以滿足傳感器的最低磁場要求。由于鐵氧體和塑性鐵氧體磁體在200mT至300mT BR范圍內的剩磁較低，它們無法很好地在側軸模式中工作，尤其是在BCT微調引起的感應增益降低之后。

為了實現充足的磁場強度，磁環通常必須由具有較高初始剩磁的材料制成，例如燒結（約0.9T至1.4T BR）或鍵合聚合物（約0.6T至0.7T BR）的釹鐵硼（NdFeB）。直徑較大的磁環，采用鍵合的聚合物材料更具成本效益，但與同等尺寸的燒結環相比，鍵合的聚合物環的場強約為一半。所以必須調整磁環的尺寸，才能確保在選定的距離以及BCT調整后滿足傳感器的最低磁場強度的要求。

MagAlpha系列集成了兩個用來優化側軸模式的傳感器：MA710和MA310，當磁場強度太低時，這些產品具有更高的內部增益，可適應最低15mT的最小場（大多數MagAlpha系列通常為30mT至40mT）。

仿真器工具可以支持MagAlpha系列所有磁鐵類型以及傳感器到磁體的拓撲。它能有效地原型化和評估不同磁鐵和安裝位置的傳感器性能，可避免反復試驗。機械和電磁公差對系統的影響也可以通過工具高級設置選項輸入，以評估對角度分辨率性能的影響。

圖3 顯示了使用結合釹環的側軸設計示例。環的內徑為20mm，外徑為30mm，高度為2mm。 在這個示例中，該環具有簡單的兩極徑向磁化的700mT剩磁。在標準的側軸拓撲中使用MA710傳感器，傳感器組件理想地放置在環形磁鋼的側面，以使霍爾陣列恰好位于磁鐵高度的一半。MA710 QFN傳感器封裝的標稱高度為0.9mm，內部霍爾陣列位于封裝表面下方0.5mm處。因此可以得到垂直參數Z為0mm。

圖 3：標準側軸拓撲MA710角度傳感器

使用仿真器掃描從r = 16.5mm到20mm的距離，傳感器的合適位置應在r = 17mm處（見圖4）。在此位置，傳感器在IC封裝的邊緣與環形磁鋼表面之間的氣隙為0.5mm（滿足安裝最小誤差），而且正切磁場BT大約為18mT（相對比較大）。徑向磁場Br在大約82mT，比BT大得多，這將導致傳感器輸出角度非線性，需要通過BCT寄存器進行一些校正以減小徑向磁場的幅度。選定r=17mm后，仿真器可以計算出該位置需要的BCT寄存器數值為200。將此值應用于傳感器，可得到分辨率約為11.3位（3-sigma）的解決方案。

圖 4：標準側軸拓撲中傳感器觀測到的磁場與半徑的仿真器圖

圖5 顯示了仿真器總結報告。

圖 5：磁鋼仿真工具報告

值得注意的是，在側軸模式下，機械公差和磁化公差對傳感器線性度的影響要大得多。因此，必須考慮這些公差以確保符合最終設計期望。使用仿真器進行第一遍查找初始設置后，建議通過高級參數部分添加各種公差來執行一系列進一步的仿真器迭代。有關公差及其影響的討論，請參見應用說明 AN142（“側軸配置中的線性度”）
編輯：hfy