เซนเซอร์แม่เหล็กแบบ 3D สำหรับงานด้านยานยนต์ เครื่องจักรอุตสาหกรรมและเครื่องใช้ไฟฟ้าทั่วไป

.

.

เซนเซอร์แม่เหล็กแบบ 3D

สำหรับงานด้านยานยนต์ เครื่องจักรอุตสาหกรรม และเครื่องใช้ไฟฟ้าทั่วไป

 เยอร์เก็น มันน์ (Juergen Mann)  Infineon Technologies

 

ให้ประสิทธิภาพและความเที่ยงตรง และระดับการใช้พลังงานที่ต่ำมากรวมทั้งให้ความแม่นยำที่สูง

 

TLV493D-A1B6 เซนเซอร์แม่เหล็ก (magnetic sensor) ที่ให้การตรวจจับแบบ 3 มิติ ทำงานได้อย่างแม่นยำและใช้พลังงานต่ำ มาพร้อมแพคเกจตัวถัง 6-pin TSOP ขนาดกะทัดรัด สามารถวัดการเคลื่อนไหวแบบ 3 มิติ, การเคลื่อนที่ในแบบเชิงเส้นและการบิดหมุนได้อย่างแม่นยำ น่าเชื่อถือ จึงเหมาะสำหรับใช้ในจอยสติ๊ก, ส่วนควบคุมสำหรับยานพาหนะ เครื่องใช้ในบ้าน และปุ่มกดมัลติฟังก์ชั่น รวมไปถึงการใช้เพื่อป้องกันการถอดขโมยในมิเตอร์วัดไฟฟ้า

เซนเซอร์แบบ Linear Hall, Hall switches, และ Angle sensors ที่เดิมใช้กันนั้นสามารถรับรู้และตรวจจับองค์ประกอบของสนามแม่เหล็ก (magnetic field component) ในทิศตั้งฉากกับผิวของตัวชิพเพียงเท่านั้น ในขณะที่ Giant Magneto-Resistive หรือ GMR ใช้วัดค่าสนามแม่เหล็กที่ผ่านระนาบพื้นที่ (planar-oriented field components) หากแต่ TLV493D-A1B6 จาก Infineon สามารถใช้วัดค่าสนามแม่เหล็กได้ทั้งตามแนวแกน x, y และ z ในเวลาเดียวกัน (ดังรูปที่ 1) ด้วยการอ่านค่าองค์ประกอบของสนามแม่เหล็กของทั้ง 3 แนวแกน คุณสมบัติที่ว่านี้ช่วยให้เซนเซอร์สามารถได้มุมมองในแบบ 3 มิติ ของสนามแม่เหล็กที่กำลังห้อมล้อมตัวมัน ในทางกลับกัน ทุกการเคลื่อนไหวของแม่เหล็กจะส่งผลกระทบกับองค์ประกอบของสนามแม่เหล็กอย่างน้อย 1 ใน 3 แกน ซึ่งเซนเซอร์สามารถจะตรวจจับค่านี้ได้เช่นกัน

รูปที่ 1 TLV493D-A1B6 เป็นเซนเซอร์แม่เหล็กแบบ 3D ที่สามารถวัดค่าสนามแม่เหล็กได้ใน 3 แนวแกน (x, y และ z)

เพื่อให้ได้เซนเซอร์ที่ตรวจจับได้แบบ 3 มิติ Infineon ได้ใช้วิธีรวมเอาแผ่นฮอลล์ (Hall plate) แนวตั้งและแนวนอนมารวมไว้ในเซนเซอร์ตัวเดียว โดยแผ่นแนวตั้ง (vertical plate) จะรับหน้าที่ตรวจจับองค์ประกอบของสนามแม่เหล็กตามแนวแกน x และ y ในขณะที่แผ่นแนวนอน (horizontal plate) รับหน้าที่ตรวจจับองค์ประกอบของสนามแม่เหล็กตามแนวแกน z

การตรวจจับได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การใช้พลังงานที่ลดลงเป็นเป้าหมายสำคัญในการพัฒนา TLV493D-A1B6 โดยอาศัยนวัตกรรมต่างๆ ร่วมในการออกแบบ ภาค ออสซิลเลเตอร์ที่ออกแบบมาให้ประหยัดพลังงาน เซนเซอร์สามารถทำงานที่กระแสระดับนาโนแอมป์ (nanoamps) และจะกินกระแสเพียง 7nA ขณะอยู่ในโหมด power-down และแม้ใช้พลังงานต่ำ แต่เซนเซอร์จะยังคงให้ค่าการวัดที่มีแม่นยำสูงได้อยู่ นอกจากนั้นชิพที่สร้างขึ้นจากชิ้นส่วนของซิลิคอนนี้ยังมีแพคเก็จตัวถังแบบ TSOP-06 ที่เล็กมาก ด้วยขนาด 2.9 มม. x 1.6 มม. ทำให้มันเล็กกว่าเซนเซอร์แม่เหล็กอื่นๆ ที่มีอยู่ในตลาด

แพคเกจตัวถังที่มีขนาดเล็กและการสิ้นเปลืองพลังงานต่ำของ TLV493D-A1B6 ช่วยให้มันเหมาะกับหลากหลายการใช้งาน จนถึงงานบางอย่างที่จนถึงบัดนี้ก็อาจยังไม่สามารถใช้เซนเซอร์แม่เหล็กได้ มันสามารถใช้แทนที่โพเทนชิออมิเตอร์ (potentiometers) และอุปกรณ์ที่ใช้เทคนิคของลำแสง การตรวจจับตำแหน่งแบบไร้การสัมผัส และทำงานได้อย่างมีเสถียรภาพแม้ในที่ๆ มีอุณหภูมิสูง ทั้งหมดช่วยให้ภาพรวมของระบบมีขนาดเล็กลง แต่มีความแม่นยำและประสิทธิภาพที่มากขึ้น

รูปที่ 2 ไดอะแกรมแสดงโครงสร้างภายในของ TLV493D-A1B6 อันประกอบด้วยส่วนการทำงานหลัก 3 ส่วน ได้แก่  Power mode control system, sensor component และ I2C interface

ภายในเซนเซอร์รุ่นนี้มีเอาต์พุตแบบดิจิตอลซึ่งใช้อินเทอร์เฟซแบบ two-wire I²C ช่วยให้เซนเซอร์สื่อสารแบบ 2 ทิศทางด้วยความเร็วสูงระหว่างเซนเซอร์ด้วยกันหรือกับไมโครคอนโทรลเลอร์ได้อย่างสบายๆ สถาปัตยกรรมภายในของเซนเซอร์ประกอบด้วย 3 ส่วนหลัก (ดังรูปที่ 2) อันได้แก่ power mode control unit, sensor unit และ communication unit power mode control มีหน้าที่แจกจ่ายพลังงานไปให้ส่วนการทำงานอื่นๆ ภายในชิพ รวมทั้งควบคุมการปลุกเซนเซอร์ให้ตื่นขึ้นจากโหมดประหยัดพลังงานด้วย

ในตัวเซนเซอร์ (sensor unit) ประกอบด้วยแผ่นฮอลล์แนวตั้งและแนวนอน, เซนเซอร์วัดอุณหภูมิ ส่วนนี้ทำหน้าที่วัดค่าสนามแม่เหล็กในทิศตามแนวแกน x, y และ z โดยที่แผ่นฮอลล์และเซนเซอร์วัดอุณหภูมิทั้งหมดจะถูกต่อเข้ากับส่วนมัลติเพล็กซ์เซอร์ (multiplexer) ซึ่งต่อไปยังส่วนแปลงเอดีซี (ADC) อีกต่อหนึ่ง โดยที่เซนเซอร์วัดอุณหภูมิสามารถถูกปิดการทำงานได้ ซึ่งจะช่วยให้ลดการใช้พลังงานลงอีก 25%

การสื่อสารของชิฟไอซี

เมื่อเซนเซอร์ทำงานใน power mode มันสามารถถูกควบคุมจากไมโครคอนโทรลเลอร์ด้วยการเข้าถึงผ่านอินเทอร์เฟซ I²C เพื่ออ่านค่าข้อมูลการวัดที่เก็บอยู่ภายในหน่วยความจำรีจิสเตอร์ โดยค่าการวัดของแต่ละแนวแกน ค่าอุณหภูมิจากเซนเซอร์จะถูกจัดเก็บลงในแต่ละรีจิสเตอร์แยกจากกัน การอินเทอร์เฟซผ่านบัส  I²C fast-mode สามารถทำความเร็วได้มากถึง 400 kBit/s  และสามารถให้ค่าสูงสุดได้ถึง 1 MBit/s ถ้าออกแบบระบบของสายสัญญาณอย่างรัดกุม (หมายถึงการออกแบบโดยคำนึงถึงผลของโหลดแฝงในสายสัญญาณ (parasitic load) และจำนวนอุปกรณ์บนบัสต้องไม่มากจนเกินไป) เซนเซอร์สามารถทำงานบนบัส I²C ที่มีอุปกรณ์อื่นๆ ต่อร่วมอยู่ได้ด้วย โดยมีไมโครคอนโทรลเลอร์ทำหน้าที่เป็นมาสเตอร์ (master) ที่ควบคุมอุปกรณ์ลูกข่าย (slave) ตัวอื่นๆ บนบัส ค่าของแอดเดรสเริ่มต้น (standard bus address) ของ TLV493D-A1B6 ถูกกำหนดมาโดยผู้ผลิต แต่สามารถเปลี่ยนค่านี้ได้ผ่านทางการต่อขา address ในตอนที่เริ่มป้อนไฟเลี้ยงให้กับชิพ ค่าแอดเดรสที่ตั้งขึ้นใหม่จะคงอยู่ระหว่างการใช้งานและจะถูกรีเซ็ตกลับเป็นค่าเริ่มต้นเมื่อแหล่งจ่ายไฟถูกตัดออก

ในการวัดค่าของสนามแม่เหล็ก, TLV493D-A1B6 ให้ความละเอียดในการวัดที่ระดับ 12 บิต สำหรับทุกๆ ทิศทาง หรือคิดเทียบกลับได้เป็นความละเอียดที่ 0.098 milliTesla (mT) ต่อบิต (LSB, least significant bit) เซนเซอร์สามารถวัดค่าได้แม้การเคลื่อนไหวเพียงเล็กน้อย การวัดค่าสนามแม่เหล็กเชิงเส้น (B) ของแนวแกน Bx, By และ Bz เป็นเรื่องที่สามารถทำได้สำหรับช่วงค่าแบบเชิงเส้นในย่านกว้าง (+/- 130 mT) จึงช่วยให้วัดการเคลื่อนไหวของสนามแม่เหล็กได้ไกลมากขึ้น ย่านการวัดที่มีขนาดใหญ่ช่วยให้การออกแบบสวิตช์แม่เหล็กมีความยืดหยุ่น เรียบง่ายไม่ซับซ้อน และมีความชัดเจนแน่นอน การใช้แผ่นฮอลล์แนวตั้งสำหรับวัดองค์ประกอบของสนามแม่เหล็กในแนวแกน x และ y ช่วยให้ค่าการวัดค่ามีความความแม่นยำสูง (+/- 5%) ซึ่งส่งผลไปถึงการวัดค่ามุมได้อย่างความแม่นยำด้วย

โหมดจัดการพลังงานที่มีความยืดหยุ่น

หลังจากการวัดค่าในแต่ละครั้ง เซนเซอร์จะส่งสัญญาณอินเทอร์รัพท์ (interrupt signal) ออกไปยังไมโครคอนโทรลเลอร์ที่เชื่อมต่ออยู่ ให้เข้ามาอ่านค่าการวัดจากหน่วยความจำรีจิสเตอร์ภายในของเซนเซอร์เอง สัญญาณอินเทอร์รัพท์ที่ว่านี้สามารถใช้เพื่อปลุกไมโครคอนโทรลเลอร์ตื่นขึ้นจาก sleep mode ไมโครคอนโทรลเลอร์จึงสามารถรออยู่ในโหมดพลังงานต่ำได้จนกว่าจะถึงเวลาที่ต้องอ่านข้อมูล จึงช่วยลดการใช้พลังงานโดยรวมของระบบลงอีกด้วย

TLV493D-A1B6 มีโหมดการใช้พลังงานอยู่ 5 แบบให้เลือกใช้งาน ได้แก่ power-down, fast power, low power, ultra-low-power และ master-controlled (ดังตารางที่ 1) โหมดการทำงานที่ว่านี้ สามารถกำหนดได้ทาง I²C ในระหว่างการทำงานโดยเมื่อได้รับไฟเลี้ยง เซนเซอร์จะเริ่มการทำงานจากค่าเริ่มต้นที่กำหนดมาจากโรงงาน และส่วนการการทำงานต่างๆ ทั้งหมดจะทำงานในชั่วระยะเวลาหนึ่ง จากนั้นเซนเซอร์ก็จะเปลี่ยนไปอยู่ในโหมด power-down ซึ่งส่วนการทำงานทั้งหมดจะถูกหยุดลง ในโหมดนี้เซนเซอร์จะไม่ทำการวัดค่าใดๆ ระดับของการใช้กระแสไฟฟ้าจึงลดเหลือเพียง 7 nA เท่านั้น ซึ่งถ้าใช้งานกับแบตเตอรี่ AA ความจุ 2,400 mAh จำนวน 2 ก้อน ในทางทฤษฎีจะสามารถทำงานได้นานถึง 39,000 ปี เลยทีเดียว 

การวัดค่าจะถูกทำเฉพาะในเวลาที่จำเป็น

เมื่อทำงานในโหมด low-power เซนเซอร์จะปลุกให้ตื่นจากโหมด power-down ในทุกๆ 10 มิลลิวินาทีเพื่อวัดค่า การทำงานในลักษณะนี้จำเป็นต้องใช้กระแส 100μA เป็นรูปแบบการวัดค่าที่เหมาะกับการเป็นส่วนควบคุมในงานทั่วๆ ไป เช่น ปุ่มกดเพื่อสั่งการทำงานต่างๆ เป็นต้น

ในโหมด ultra-low-power ระดับการใช้พลังงานจะลดลงถึง 10 เท่า จากการที่รอบการปลุกให้ตื่น (wake-up cycles) จะถูกยืดออกเป็น 100 มิลลิวินาที ทำให้ระดับการใช้พลังงานลดลงมาอยู่ที่ 10μA จึงเหมาะกับการใช้งานที่ต้องการให้ระดับของการใช้พลังงานต่ำมากๆ เช่นในระบบที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ เช่น ในส่วนป้องกันการถอดเคลื่อนย้ายโดยไม่ได้รับอนุญาตในมิเตอร์ไฟฟ้า เป็นต้น

ในโหมด fast mode เซนเซอร์จะเพิ่มความเร็วในการอ่านค่าให้มากขึ้น โดยจะเริ่มการอ่านค่าในระหว่างที่ส่งค่าการวัดก่อนหน้านั้นไปทางบัส I²C โหมดนี้เหมาะกับการใช้งานเป็นจอยสติ๊กที่ต้องตอบสนองต่อการเคลื่อนไหวได้อย่างว่องไว โดยจะต้องแลกกับการใช้พลังงานมากขึ้นที่ 3.7mA เมื่อใช้อัตราการสุ่มตัวอย่าง (sampling rate ) ที่ความถี่ 3.3kHz

ในโหมด master-controlled เซนเซอร์จะรอหลังจากการวัดค่าแต่ละครั้ง จนไมโครคอนโทรลเลอร์ (ซึ่งทำงานเป็นมาสเตอร์ของบัส) เริ่มอ่านค่าข้อมูลจากหน่วยความจำรีจิสเตอร์ เมื่อถึงตอนนั้นมันจะเริ่มต้นการวัดค่าในรอบถัดไป โหมดนี้จะมีประโยชน์เมื่อต้องการใช้เซนเซอร์ TLV493D-A1B6 หลายๆ ตัวเชื่อมต่อกันบนบัส I²C เพื่อตรวจจับการเคลื่อนไหวเชิงเส้นขนาดใหญ่ ในสถานการณ์ดังกล่าวไมโครคอนโทรลเลอร์จะตัดสินใจว่าขณะนั้นข้อมูลจากเซนเซอร์ใดที่จำเป็น เพื่อเลือกอ่านค่าจากเซนเซอร์ตัวนั้นๆ

ในรูปที่ 3 เป็นการเปรียบเทียบระดับของการใช้พลังงานและอุณหภูมิในแต่ละโหมดการทำงานของ TLV493D-A1B6

จอยสติ๊กและอุปกรณ์เพื่อการควบคุม

ความละเอียดที่ระดับ 12 บิต และความรวดเร็วในการสื่อสารข้อมูล ทำให้ TLV493D-A1B6 เหมาะสำหรับการใช้เป็นจอยสติ๊ก (รูปที่ 4) ภายในจอยสติ๊กแบบดั้งเดิมนั้นใช้โพเทนชิออมิเตอร์ (potentiometer) และชิ้นส่วนกลไกต่างๆ เพื่อจับทิศทางของการเคลื่อนไหวตามแนวแกน x, y และ z วิธีนี้มีข้อเสียตรงใช้พื้นที่มากและสึกหรอเมื่อใช้งานนานๆ ทำให้เมื่อผ่านไปนานวันเข้าจอยสติ๊กจะมีความคลาดเคลื่อนมากขึ้นจนกระทั่งพังไปอย่างถาวร

การใช้งานแทนที่โพเทนชิออมิเตอร์

การหันมาใช้เซนเซอร์แม่เหล็กแบบ 3D เช่น TLV493D-A1B6 สามารถแทนที่โพเทนชิโอมิเตอร์ 3 ตัว ที่มีในจอยสติ๊กแบบเดิมๆ ได้ทันที ซึ่งช่วยประหยัดพื้นที่และทำให้ตัวจอยสติ๊กมีขนาดเล็กลงได้ อีกทั้งการวัดค่าที่ไม่ต้องมีการสัมผัสทำให้ไม่เกิดการสึกหรอ เซนเซอร์ทำงานได้อย่างมีเสถียรภาพแม้ในสิ่งแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง จึงเหมาะกับจอยสติ๊กประสิทธิภาพสูงในงานอุตสาหกรรม รวมไปถึงปุ่มกด/บิดหมุนที่ใช้งานง่ายสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้าและเครื่องใช้ในบ้าน ซึ่งให้การวัดมุมที่แม่นยำและเป็นมิตรกับผู้ใช้ นอกจากนั้นเซนเซอร์แม่เหล็กแบบ 3D ยังช่วยในเรื่องการควบคุมต้นทุนการผลิต รวมทั้งการประหยัดพลังงานด้วยเช่นกัน

รูปที่ 4 TLV493D-A1B6 เป็นเซนเซอร์แม่เหล็กแบบ 3D ที่ช่วยให้การออกแบบจอยสติ๊กที่มีการตอบสนองที่รวดเร็ว แม่นยำ และทนทาน สามารถทำได้ง่ายมากขึ้น

เพื่อความสะดวกและช่วยประหยัดเวลาในการขั้นตอนออกแบบลง Infineon จึงได้เตรียมชุดพัฒนาราคาย่อมเยาที่มีชื่อว่า “3D Magnetic Sensor 2Go มาไว้เรียบร้อยสำหรับผู้ที่สนใจ โดยภายในชุดประกอบด้วยเซนเซอร์ TLV493D-A1B6 กับ XMC1100 ซึ่งเป็นไมโครคอนโทรลเลอร์ 32 บิต ด้วยการใช้ฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ที่เตรียมไว้ให้พร้อมนี้ จะช่วยนักพัฒนาใช้เวลาเพียงไม่กี่นาทีในการพัฒนาเครื่องต้นแบบ นอกจากนั้น Infineon ยังมีชุดชิ้นส่วนของจอยสติ๊ก สำหรับติดเข้ากับเซนเซอร์สำหรับเป็นจอยสติ๊กรุ่นทดสอบได้อย่างรวดเร็วอีกด้วย ขั้นตอนการออกแบบก็จะง่ายยิ่งขึ้น เมื่อใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ XMC1100 ที่นักพัฒนาสามารถเข้าถึงแพลตฟอร์มการพัฒนาได้ฟรีอีกด้วย

ตารางที่ 1 โหมดจัดการพลังงานและปริมาณของพลังงานที่จำเป็นต้องใช้ที่อัตราสุ่มวัดค่า

เซนเซอร์ที่เกิดมาเพื่อระบบยานยนต์

เซนเซอร์ซึ่งใช้เทคโนโลยีใหม่ดังที่กล่าวมานี้ ได้เริ่มสายการผลิตเชิงพาณิชย์ไปเป็นที่เรียบร้อยแล้ว มันถูกพัฒนามาสำหรับการใช้งานในเครื่องจักรและเครื่องใช้ไฟฟ้า โดยสามารถใช้กับช่วงแรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ 2.7 ถึง 3.5 โวลต์ และช่วงอุณหภูมิตั้งแต่ -40 ถึง +125 องศาเซลเซียส รองรับมาตรฐานอุตสาหกรรม JESD47

นอกจากนั้น Infineon ก็ยังได้ผลิตเซนเซอร์รุ่นที่ออกแบบมาเป็นพิเศษสำหรับงานด้านยานยนต์ โดยรองรับข้อกำหนด AEC-Q100 ได้อย่างครบถ้วนอีกด้วย โดยสายการผลิตเซนเซอร์แม่เหล็ก 3D รุ่น TLE493D-A1B6 รุ่นสำหรับยานยนต์จะเริ่มในช่วงต้นปี 2017  ซึ่ง TLV493D-A1B6 จะกล่าวได้ว่าเป็นจุดเริ่มต้นในการแนะนำให้นักพัฒนาได้เริ่มทำความรู้จักกับผลิตภัณฑ์เซนเซอร์แม่เหล็ก 3D ของ Infineon เท่านั้น ยังคงมีเซนเซอร์แม่เหล็ก 3D รุ่นอื่นๆ ที่กำลังจะเปิดตัวตามมาในไม่ช้านับจากนี้

 

การใช้แผ่นฮอลล์ (Hall plate) จำนวน 3 แผ่น ในการวัดค่า 3 ทิศทาง (x, y และ z) ช่วยให้ TLV493D-A1B6 อ่านค่าการเคลื่อนไหวได้ทั้งแบบเชิงเส้นหรือแบบบิดหมุน เซนเซอร์แบบ 3 มิติ ที่มีขนาดกะทัดรัดนี้ทำงานได้อย่างแม่นยำ มีประสิทธิภาพสูง และมีการจัดการพลังงานที่หลากหลาย จึงเหมาะกับการใช้งานทั้งในด้านอุตสาหกรรมและเครื่องใช้ไฟฟ้าทั่วๆ ไป รวมไปถึงการใช้งานด้านยานยนต์ด้วย

 

ข้อมูลอ้างอิงจาก

www.infineon.com/3Dmagnetic

www.infineon.com/sensors2go

www.infineon.com/xmc

www.infineon.com/xmc1000

 

Leave a Comment