Микросхемы датчиков магнитного поля на эффекте Холла разработки ООО «ИДМ-ПЛЮС»

Рис. 1. Структурная схема одноосевого аналогового ДМП на эффекте Холла

Таблица 2. Основные характеристики разработанного одноосевого ДМП

Подавляющее большинство линейных ДМП на эффекте Холла, представленных на рынке, позволяют проводить измерение только одного компонента вектора магнитной индукции – Z-компонента, направленного нормально к поверхности кристалла. В последнее десятилетие на рынке появились ДМП, обеспечивающие измерение двух и трех компонентов вектора магнитной индукции. Дополнительно к планарному элементу Холла трехосевые ДМП имеют два вертикальных элемента Холла, развернутых друг относительно друга на 90 градусов; эти элементы обеспечивают измерение X- и Y-компонентов вектора магнитной индукции. Для совмещения на одном кристалле трех чувствительных элементов и достижения высоких параметров ДМП разработаны специализированные БиКМОП-технологии, включающие формирование на поверхности подложки низколегированного слоя n-типа и разделительных канавок между вертикальными элементами Холла и остальной частью структуры. Возможность измерения сразу трех компонентов вектора магнитной индукции существенно расширяет области применения ДМП. В частности, с использованием трехосевых ДМП легко реализуются джойстики для игровых консолей и промышленных пультов управления.

Одно из важных практических применений трехосевого ДМП, разработанного «ИДМ-ПЛЮС», – регистрация несанкционированного внешнего воздействия на приборы учета электрической и тепловой энергии и приборы учета воды. Обязательное наличие такой функции напрямую указывается в требованиях к интеллектуальным приборам учета электроэнергии, установка которых планируется в рамках реализации концепции интеллектуальных сетей учета в Российской Федерации.

В соответствии с Постановлением Правительства РФ № 950 от 29.06.2020 интеллектуальный прибор учета электроэнергии должен обеспечивать контроль наличия внешнего переменного и постоянного магнитного поля и фиксацию воздействия постоянного или переменного магнитного поля с указанием даты и времени воздействия со значением модуля вектора магнитной индукции свыше 150 мТл (пиковое значение) [1]. Наиболее эффективно данная задача решается путем установки в прибор учета электроэнергии малогабаритного трехосевого ДМП, имеющего режим низкого энергопотребления. В настоящее время такие приборы учета электроэнергии активно разрабатываются и производятся ООО «Милур – Интеллектуальные Системы», ООО НТЦ «Нартис», ООО «Тайпит – Измерительные приборы», НПО «МИР», ООО «Петербургский завод измерительных приборов» и другими крупными приборостроительными компаниями.

ООО «ИДМ-ПЛЮС» разработало малогабаритный трехосевой цифровой ДМП с высокими характеристиками для использования в системах мониторинга внешнего магнитного поля.

Структурная схема трехосевого цифрового ДМП на эффекте Холла приведена на рис. 3, характеристики – в табл. 3.

Трехосевой ДМП имеет три элемента Холла, обеспечивающих преобразование X-, Y- и Z-компонентов вектора магнитной индукции в напряжение. Элементы Холла сформированы из стандартных слоев КМОП-технологии с проектными нормами 0,18 мкм. Дополнительно в непосредственной близости от элементов Холла на кристалле расположен датчик температуры. Питание элементов Холла осуществляется от стабилизированного источника тока, при этом реализуется схема 4-кратного spinning current, то есть при каждом тактовом импульсе выполняется отключение и подключение элементов Холла с поворотом на 90 градусов. Подключение каждого элемента Холла, а также датчика температуры к усилителю осуществляется с использованием мультиплексора. После усиления сигнал поступает на АЦП с разрядностью 16 бит. Далее выполняется демодуляция и фильтрация цифрового сигнала. После демультиплексирования коды значений компонентов вектора магнитной индукции и значения температуры записываются в выходные регистры, из которых по интерфейсу I2С передаются на внешний микроконтроллер.

Трехосевой ДМП имеет несколько режимов работы: режим непрерывного измерения, режим измерения с частотой 10 и 100 Гц, режим измерения по запросу микроконтроллера. Также трехосевой ДМП может функционировать в режиме измерения порогового значения магнитного поля, передавая сигнал на микроконтроллер в случае его превышения. В режимах с пониженной частотой выборки ток потребления ДМП составляет несколько десятков микроампер, что удовлетворяет требованиям применений, связанных с мониторингом внешнего воздействия. Также ДМП имеет спящий режим, в котором ток потребления составляет 2,4 мкА. Для реализации разных режимов работы ДМП оснащен двумя тактовыми генераторами: высокой и низкой частоты.

Датчики, разработанные ООО «ИДМ-ПЛЮС», имеют высокие характеристики, позволяющие им конкурировать с лучшими зарубежными образцами и выполнять задачи импортозамещения, поставленные Правительством РФ. Пополнение номенклатуры датчиков, выпускаемых ООО «ИДМ-ПЛЮС», позволит расширить сферу применения высокотехнологичной продукции и предоставить потребителям дополнительные возможности для реализации собственных конструктивных решений в области датчиков и систем мониторинга физических величин.

Микросхема K5331HH025 представляет собой компактное решение в корпусе SO-8 со встроенными элементами Холла и токовым проводником. Устанавливается на печатную плату в разрыв токовой цепи и имеет следующие технические характеристики: напряжение питания 5 В, диапазон измеряемых токов от –10 до 10 А или –5 до 5 А (в зависимости от исполнения), ток потребления не более 15 мА, рабочий температурный диапазон от –60 до +85 °C.

Микросхема предназначена для применения в автоматизированных системах управления приводами, системах защиты от перегрузки по току, источниках питания малой мощности, для установки в приборы учета электроэнергии и уже сейчас доступна для заказа.