"蓋世微課堂-位置傳感器如何應(yīng)對挑戰(zhàn)"中，蓋世汽車特邀請了“艾邁斯半導(dǎo)體的資深工程師蘇陽”授課并解答微友疑問，同時，來自上汽集團(tuán)、觀致、奇瑞捷途等整車廠以及來自汽車零部件及相關(guān)企業(yè)共計424位人士在群內(nèi)展開熱烈討論。本文為本次微課堂實錄。

大家好，我是ams的蘇陽，在ams擔(dān)任車載電子的FAE，主要負(fù)責(zé)華東地區(qū)的客戶，今天我為大家?guī)淼氖莂ms的位置傳感器，內(nèi)嵌霍爾傳感器的駕駛電氣化解決方案。

這次研討會的議程1、對ams的簡單介紹，包括應(yīng)用領(lǐng)域以及一些挑戰(zhàn)的案例;2、霍爾傳感器的技術(shù)要點及產(chǎn)品特點的介紹;3、新產(chǎn)品——電感式傳感器的技術(shù)介紹;4、對產(chǎn)品的概況以及支持服務(wù)的介紹;一、對ams的簡單介紹，包括應(yīng)用領(lǐng)域以及一些挑戰(zhàn)的案例

ams中文名是艾邁斯半導(dǎo)體,ams是致力于生產(chǎn)傳感器的一家半導(dǎo)體公司，同時會結(jié)合arm的算法給客戶提供傳感的解決方案。從圖中我們可以看到一些關(guān)鍵的數(shù)字，例如在2018年，ams的營收是16.27億美元，全球超過8000個客戶，1200的工程師，以及18個設(shè)計中心和9000名員工，還有超過2700個專利。ams面向的是一個廣泛的市場，在通訊行業(yè)，有3D人臉的識別;在消費(fèi)類電子方面有ANC的解決方案;在計算機(jī)方面，有1D TOF的接近光傳感器的方案;在汽車電子方面，有MLA投射方案及LIDAR VCSEL紅外發(fā)射器，還有ams位置傳感器的一些解決方案;在工業(yè)方面，ams有一些高端的視覺傳感器;在醫(yī)療方面，ams會在大型的CT機(jī)以及內(nèi)窺鏡方面都會有些解決方案。

在汽車電子方面，ams有四大類產(chǎn)品：第一類產(chǎn)品使用在激光雷達(dá)上面，ams提供的是高功率以及高效率的紅外激光發(fā)射器;第二類的是MLA,全稱是Micro-lens arrays，中文名叫微透鏡矩陣，適用于高清晰度及大面積的一個MLA的透鏡陣列投射照明方案;第三類是HMI人機(jī)交互，是車內(nèi)的3D人臉識別方案以及2D的一個駕駛員狀態(tài)監(jiān)測的方案;第四類是用在角度的一個位置檢測，以及馬達(dá)控制方面的位置傳感器。

在馬達(dá)位置檢測方面，我們以電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為例，可以看到我們的芯片放在PCB上可以緊貼著馬達(dá)的側(cè)面，芯片可以直接檢測馬達(dá)軸末端的一個雙極磁鐵的磁場的變化。

許多客戶在馬達(dá)位置檢測應(yīng)用方面會遇到如噪聲、波紋以及雜散磁場方面的一些挑戰(zhàn)，而ams會針對客戶的一些挑戰(zhàn)和需求，提供相應(yīng)的一個解決方案。本身因為差分方式的一個測量方式以及只對垂直磁場有感應(yīng)作用，所以說我們的芯片，在抗雜散磁場方面的能力是非常強(qiáng)的。根據(jù)客戶的一些緊湊性的方案要求，我們也會提供一些小型化的一個小封裝的方案。根據(jù)客戶對于轉(zhuǎn)速的要求，ams也可以提供支持高轉(zhuǎn)速能力的芯片?？蛻魧Π踩燃壱矔行枨螅热缯f需要做到ASILC、D，或者是車載認(rèn)證。ams位置傳感器有ISO26262的保證，是經(jīng)過車載認(rèn)證的。同時也會有雙芯片封裝的一個冗余方案，可以給客戶做選擇。

對于角度位置檢測，我們以車身高度調(diào)教系統(tǒng)作為案例。我們可以看到芯片是通過后輪轉(zhuǎn)折的旋轉(zhuǎn)，然后感知轉(zhuǎn)折的一個位置，從而調(diào)節(jié)車身的一個高度，來控制車前光束的一個高度。

霍爾傳感器在角度位置檢測方面同樣也會遇到非常多的問題，比如說在非常嚴(yán)酷的環(huán)境中，我們公司會提供非接觸式的感知系統(tǒng)，這樣可以大大增強(qiáng)整個系統(tǒng)的壽命。同時我們也會提供不同的平臺供客戶選擇，像-SENT、PSI5、PWM、Analog等出形式。在抗雜散磁場方面，也因為差分形式的一個檢測，以及垂直場強(qiáng)的一個感應(yīng)，抗干擾能力也非常強(qiáng)。同樣也可以為客戶提供一個緊湊型的系統(tǒng)級封裝方案。二、霍爾傳感器的技術(shù)要點以及產(chǎn)品特點

下面我來介紹一下霍爾傳感器的一些技術(shù)要點和產(chǎn)品特點

我們的霍爾傳感器是基于霍爾原理的一個傳感器芯片。

簡單介紹一下霍爾原理，可以看到上面的左圖，它通過一個半導(dǎo)體的電流，在磁場的作用下，半導(dǎo)體上會產(chǎn)生一個電壓;如果磁場在變化的情況下，這個半導(dǎo)體上面的電壓也會隨之變化。我們可以看到上面的右圖，霍爾傳感器中有四個小的霍爾器件。

下面我們來看一下傳感器對于磁場測量的原理。芯片內(nèi)部的四個霍爾器件會對磁場的變化有一個感知，那我們可以在同軸的一個末端裝上一個兩級磁鐵，磁鐵隨著電機(jī)一起轉(zhuǎn)動的時候它的磁場就會隨之轉(zhuǎn)動。對于磁場的方向，我們可以把它分為三個方向，有水平方向的X軸和Y軸，垂直方向的Z軸，我們的芯片是指對垂直于霍爾傳感器表面方向的磁場有感應(yīng)作用，然后對于XY軸方向的磁場完全沒有感應(yīng)作用，這也是說明了為什么我們芯片抗干擾能力會強(qiáng)，因為XY軸方向的磁場完全感應(yīng)不到。在Z軸方向，它的磁場有黃色區(qū)域內(nèi)的相對于線性度非常高，所以說我們芯片在感應(yīng)的進(jìn)度方面也非常高。

下面我們來看一下霍爾傳感器內(nèi)部的工作原理。圖中的四個霍爾器件，它們會對磁場的變化進(jìn)行感知，兩兩分別采集Sin和Cos上的信號，內(nèi)部進(jìn)行差分的運(yùn)算，然后經(jīng)過A/D的轉(zhuǎn)換，進(jìn)行CORDIC的算法，最終輸出客戶想要的角度和大小。同時內(nèi)部會有一個AGC的電流，會根據(jù)采集到的磁場的強(qiáng)弱程度，內(nèi)部進(jìn)行調(diào)整。

接下來，我們看到的是ams芯片的抗干擾能力的說明。芯片內(nèi)部本身會做一個差分的運(yùn)算，這樣對地磁場的干擾可以通過這個運(yùn)算而剪掉，其他的一些雜散的磁場，如果是垂直方向的干擾，也可以通過相同的方法進(jìn)行消減，芯片本身對于XY軸的磁場不會有感應(yīng)，所以說ams芯片在抗干擾能力方面比較強(qiáng)。因此，客戶在使用ams芯片的時候不需要做額外的屏蔽處理，這樣在整個系統(tǒng)的設(shè)計上靈活度就大大提高了，同時系統(tǒng)的成本也可以做的非常低，在應(yīng)用安全性方面也比較高。

針對客戶的緊湊型的方案，以及一些PCBS的應(yīng)用的話，我們公司也會提供相應(yīng)的系統(tǒng)級的封裝。那從圖中可以看到我們的芯片，除了IC傳感器之外，還會把一些被動器件也整體的封裝在一個芯片。這樣做的話會對于芯片本身的防護(hù)性會大大加強(qiáng)，客戶在使用方面的時候，安全性也會大大提高。同時，客戶可以根據(jù)他的不同的應(yīng)用，也可以對我們的芯片進(jìn)行一個二次的整形。

這張圖是ams針對客戶的ASIL C和ASIL D的應(yīng)用的一個雙核封裝的方案。我們可以從圖中看到是一個雙芯片上下結(jié)構(gòu)的布局，這樣布局的好處是，相對于同一平面雙袋的布局，ams的芯片可以在一顆袋損壞的情況下不影響另一顆袋，同時在精度方面會比平行的布局說好很多。三、新產(chǎn)品，電感式的傳感器的技術(shù)介紹

接下來介紹一下我們公司的一個新的產(chǎn)品啊，電感式傳感器。

ams電感式傳感器被認(rèn)為是旋轉(zhuǎn)編碼器的替代方案，現(xiàn)在主要的應(yīng)用是在電動車的主電機(jī)上。由于是非接觸式的傳感器，客戶在設(shè)計方面上會比較靈活，同時也是降成本的方案。同樣的他在抗干擾能力方面也是非常強(qiáng)。系統(tǒng)配置方面非常靈活，與其他方案相比的話它所占的空間非常小，可以配合馬達(dá)的一個極對數(shù)，也會對精度方面的有一個增益的作用。在布局方面也是獨(dú)立的機(jī)械布局。在精度方面會比霍爾傳感器更加有優(yōu)異，在馬達(dá)控制方面也是非常高效的。這個產(chǎn)品在安全性方面的水平非常高，單顆可以做到ASIL C的等級,也可以與霍爾傳感器結(jié)合使用，形成一個冗余的方案，同時我們也可以提供電感式傳感器的一個雙芯片的方案。

ams的電感式傳感器，如圖中的幾個部件組成，我們可以看到PCB板上會搭載我們的芯片，然后會有一組發(fā)射線圈以及兩組接收線圈。然后兩組線圈之間，由于物理的一個布局他的電器角度相差90度。上方還會有一個有傳導(dǎo)材料組成的一個金屬葉片，這個金屬葉片的片數(shù)，會根據(jù)馬達(dá)的一個極對數(shù)會有相應(yīng)的一個片數(shù)。

下面來說一下機(jī)械角度和電氣角度的一個關(guān)系：我們可以以三極對的電機(jī)座為例，它所對應(yīng)的葉片的片數(shù)也是三片。我們可以看到，它在120度的機(jī)械角度，所對應(yīng)的是360度的電氣角度，那以此類推的話，是90度的機(jī)械角度對應(yīng)的是360度的電氣角度，那如果這樣下類推下去的話，極對數(shù)越多的話，那其實他得到的輕度的一個加成就會越大。

下面我來介紹一下電感式傳感器的技術(shù)原理：

我們可以從圖中看到，芯片的發(fā)射端給到發(fā)射線圈一個共振信號，頻率大概在幾兆赫茲左右，發(fā)射線圈就會產(chǎn)生一個交變磁場。在膠片線圈的上方，會有一個同軸旋轉(zhuǎn)的葉片, 在葉面上面會有金屬部分，從而造成該區(qū)域的磁場減少，然而在葉片與葉片之間，沒有覆蓋到的區(qū)域交變磁場依然會比較大。當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)的時候，會在感應(yīng)線圈上面形成一個Sin和Cos的波型，然后反饋給芯片的一個輸入端。

感應(yīng)線圈會有紅色和綠色兩組，因為物理上的一個位置關(guān)系，他們的電氣差在90度，所得到的信號會包含振蕩器的一個信號，內(nèi)部的話會進(jìn)行一個解調(diào)。通過AGC的一個爭議，然后是一個差分的放大，之后輸出客戶想要的Sin和Cos的一個波形。

系統(tǒng)設(shè)計方面，可以有一定的靈活性。根據(jù)客戶不同的需求，我們可以提供空心轉(zhuǎn)折位置的傳感方案，或者是半軸的位置傳感的方案。在應(yīng)用市場方面的話，主要是應(yīng)用在馬達(dá)控制的高速方案，再嵌入式應(yīng)用方案也會有電子助力轉(zhuǎn)向器的應(yīng)用，還會有齒條電機(jī)，在遠(yuǎn)程應(yīng)用方面會有EV牽引的主電機(jī)和旋轉(zhuǎn)的編碼器。

根據(jù)客戶對于功能安全的需求，我們會提供以下幾種冗余的方案：

首先，我們單芯片可以做到ASIL C，因為本身單芯片可以針對故障進(jìn)行一個報警。同時也可以用雙芯片的電感式傳感器做ASIL D的一個安全等級。

然后可以結(jié)合不同的應(yīng)用原理，結(jié)合霍爾式傳感器的原理，并且在結(jié)合電感式傳感器原理，在葉片的軸心處安裝一個雙極磁鐵，之后在PCB板中心處可以加一個霍爾式的傳感器，最后用不同的原理進(jìn)行達(dá)到一個ASIL D的等級。

從圖中可以看到，相比于旋轉(zhuǎn)編碼器，ams的電感式傳感器，以及霍爾傳感器都是有非常大的優(yōu)勢。在尺寸和重量方面我們的傳感器方案的尺寸是小型化的,重量也是非常輕的。在設(shè)計靈活性方面，可以根據(jù)客戶的不同需求，設(shè)計不同的PCB來搭載我們的芯片。在精度方面，ams的電感式傳感器相比于霍爾傳感器在精度上更高。平臺選擇方面，霍爾傳感器它可以根據(jù)客戶不同的采集信號的需求，給到不同的輸出方式。在功能安全方面，我們可以使實現(xiàn)ASIL C和ASIL D的要求。在系統(tǒng)成本方面，我們電感式傳感器和霍爾傳感器的成本方面相比于旋轉(zhuǎn)編碼器成本會更低。四、對產(chǎn)品的概況以及支持服務(wù)的介紹

最后，我們介紹一下產(chǎn)品的一個概況，以及后續(xù)的一些支持服務(wù)以及使用的工具。

我們可以看到，如果客戶有一些analog輸出需求的話，可以選擇我們5115和5116，5116相比5115在性能上更好、價格更便宜。同樣這兩款芯片也可以有冗余5215和5216的雙待的方案的選擇。針對客戶的一些高速電機(jī)的應(yīng)用，我們會有一些高速的產(chǎn)品進(jìn)行對應(yīng)，同時,也會有不同的輸出方式，ABI UVW PWM SPI 的輸出方式供客戶選擇。在高速電機(jī)方面，我們是用中空轉(zhuǎn)軸或者側(cè)軸的一個電感式傳感器的方案進(jìn)行對應(yīng)。

我們針對低速的高精度的方案，也會有不同的平臺供客戶選擇，包括PSI5 PWM Analog SENT的形式，同樣也會有中空轉(zhuǎn)軸和側(cè)軸的低速方案，我們可以提供電感式傳感器，給客戶進(jìn)行一個對應(yīng)。同樣的，這些芯片也會有相應(yīng)的雙待的冗余的方案，給客戶進(jìn)行選擇。

ams會根據(jù)客戶早期的一些評價，提供一些demo版、socket版以及一個motor版。然后，可以根據(jù)客戶不同的參數(shù)需求，也可以提供燒錄器進(jìn)行燒錄工作。在前期的話，我們也會免費(fèi)提供一些模擬的軟件，模擬客戶的實際的應(yīng)用情況，以及我們芯片可以達(dá)到的精度。

最后我對ams的提供的方案進(jìn)行一個總結(jié)。

我們這系列產(chǎn)品，主要是針對角度位置傳感和馬達(dá)控制，可以提供一個具有非常高的可靠性以及非接觸式的方案。產(chǎn)品本身也會有不同的封裝形式，根據(jù)客戶不同的需求會有不同的平臺和輸出方式。位置傳感器本身有霍爾傳感器與電感式傳感器兩種，具有一流的一個精度。在業(yè)界的話也是有領(lǐng)先的數(shù)字模擬的IC設(shè)計的經(jīng)驗，同時有豐富的電感式線圈的設(shè)計能力，可以根據(jù)客戶的不同需求可以提供不同的設(shè)計方案。針對客戶的前期開發(fā)的話，我們會提供比較完善的一個demo版的測試，包括還有一些比較可以容易上手的一些模擬軟件，給客戶進(jìn)行一個前期的模擬及評測。

問題：

Q：可編程傳感器的應(yīng)用前景分析

A：首先是第一個問題，可編程傳感器的應(yīng)用前景分析，由于汽車的可靠性和高效率方面的要求，位置傳感器可以解決這方面的需求，如踏板等角度傳感方面可以實現(xiàn)幾百萬次以上的旋轉(zhuǎn)測試的可靠性，那在電機(jī)方面，高精度實時的一個測量提高了電機(jī)效率并且降低功耗，這兩方面在汽車電子上充當(dāng)越來越重要的角色。

Q：未來還有哪些新需求?應(yīng)用場景以及未來工藝類型?

A：我覺得在未來，像超低系統(tǒng)延遲可以實現(xiàn)在高速應(yīng)用中達(dá)到實時性，更高輸出的分辨率可以提供更大功率的電機(jī)位置傳感，降低功耗，使用新的通信協(xié)議，降低連接導(dǎo)線數(shù)等，這些今后的趨勢。

Q：傳感+定位(精度在m，受成本考慮)+補(bǔ)償獲知車輛位置，想了解目前有更好的方式嗎?除了高精

A：因為轉(zhuǎn)速傳感器使用的是簡單的霍爾傳感，ams是霍爾陣列的編碼器精度會要求更高。

Q：車的剎車系統(tǒng)是否會全變成集成式得(像Conti.的MKC，博世的Ibooster等)，原因是沒有內(nèi)燃機(jī)后很難再給真空泵提供動力，所以集成式剎車系統(tǒng)會用電機(jī)提供動力，電機(jī)則需要位置傳感器?另外，剎車液的液位傳感器的趨勢是怎樣的?

A：我們從位置傳感器這個方面來討論一下，因為它是可以提高電機(jī)的工作效率，降低溫升。在同樣尺寸的電機(jī)條件下有傳感器的電機(jī)可以提高更高的瞬態(tài)功率，因為此類電機(jī)通常是工作在瞬態(tài)大功率的狀態(tài)，所以說。我們可以用更小的尺寸的點擊來替代，實現(xiàn)小型化和緊湊化。

Q：您好，您介紹有款雙die的hall傳感器可以滿足ASIL D，如果都是基于相同的原理，是如何達(dá)到ASIL D的?

A：因為判定一個ASIL等級的話會困難，因為并不是說只是兩顆芯片就可以達(dá)到ASIL D等級要從系統(tǒng)等級進(jìn)行一個判斷，像我們這樣兩顆芯片會更容易配合客戶達(dá)到ASIL D的等級。