"蓋世微課堂-位置傳感器如何應對挑戰(zhàn)"中，蓋世汽車特邀請了“艾邁斯半導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、觀致、奇瑞捷途等整車廠以及來自汽車零部件及相關企業(yè)共計424位人士在群內展開熱烈討論。本文為本次微課堂實錄。

大家好，我是ams的蘇陽，在ams擔任車載電子的FAE，主要負責華東地區(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，包括應用領域以及一些挑戰(zhàn)的案例;2、霍爾傳感器的技術要點及產品特點的介紹;3、新產品——電感式傳感器的技術介紹;4、對產品的概況以及支持服務的介紹;一、對ams的簡單介紹，包括應用領域以及一些挑戰(zhàn)的案例

ams中文名是艾邁斯半導體,ams是致力于生產傳感器的一家半導體公司，同時會結合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鍵的數字，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;在消費類電子方面有ANC的解決方案;在計算機方面，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機以及內窺鏡方面都會有些解決方案。

在汽車電子方面，ams有四大類產品：第一類產品使用在激光雷達上面，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人機交互，是車內的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，以及馬達控制方面的位置傳感器。

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

許多客戶在馬達位置檢測應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的。根據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。根據客戶對于轉速的要求，ams也可以提供支持高轉速能力的芯片。客戶對安全等級也會有需求，比如說需要做到ASILC、D，或者是車載認證。ams位置傳感器有ISO26262的保證，是經過車載認證的。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，我們以車身高度調教系統(tǒng)作為案例。我們可以看到芯片是通過后輪轉折的旋轉，然后感知轉折的一個位置，從而調節(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，以及垂直場強的一個感應，抗干擾能力也非常強。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、霍爾傳感器的技術要點以及產品特點

下面我來介紹一下霍爾傳感器的一些技術要點和產品特點

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，它通過一個半導體的電流，在磁場的作用下，半導體上會產生一個電壓;如果磁場在變化的情況下，這個半導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，磁鐵隨著電機一起轉動的時候它的磁場就會隨之轉動。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作用，然后對于XY軸方向的磁場完全沒有感應作用，這也是說明了為什么我們芯片抗干擾能力會強，因為XY軸方向的磁場完全感應不到。在Z軸方向，它的磁場有黃色區(qū)域內的相對于線性度非常高，所以說我們芯片在感應的進度方面也非常高。

下面我們來看一下霍爾傳感器內部的工作原理。圖中的四個霍爾器件，它們會對磁場的變化進行感知，兩兩分別采集Sin和Cos上的信號，內部進行差分的運算，然后經過A/D的轉換，進行CORDIC的算法，最終輸出客戶想要的角度和大小。同時內部會有一個AGC的電流，會根據采集到的磁場的強弱程度，內部進行調整。

接下來，我們看到的是ams芯片的抗干擾能力的說明。芯片內部本身會做一個差分的運算，這樣對地磁場的干擾可以通過這個運算而剪掉，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行消減，芯片本身對于XY軸的磁場不會有感應，所以說ams芯片在抗干擾能力方面比較強。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的應用的話，我們公司也會提供相應的系統(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性會大大加強，客戶在使用方面的時候，安全性也會大大提高。同時，客戶可以根據他的不同的應用，也可以對我們的芯片進行一個二次的整形。

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構的布局，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、新產品，電感式的傳感器的技術介紹

接下來介紹一下我們公司的一個新的產品啊，電感式傳感器。

ams電感式傳感器被認為是旋轉編碼器的替代方案，現在主要的應用是在電動車的主電機上。由于是非接觸式的傳感器，客戶在設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。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，可以配合馬達的一個極對數，也會對精度方面的有一個增益的作用。在布局方面也是獨立的機械布局。在精度方面會比霍爾傳感器更加有優(yōu)異，在馬達控制方面也是非常高效的。這個產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材料組成的一個金屬葉片，這個金屬葉片的片數，會根據馬達的一個極對數會有相應的一個片數。

下面來說一下機械角度和電氣角度的一個關系：我們可以以三極對的電機座為例，它所對應的葉片的片數也是三片。我們可以看到，它在120度的機械角度，所對應的是360度的電氣角度，那以此類推的話，是90度的機械角度對應的是360度的電氣角度，那如果這樣下類推下去的話，極對數越多的話，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)射線圈就會產生一個交變磁場。在膠片線圈的上方，會有一個同軸旋轉的葉片, 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。當葉片旋轉的時候，會在感應線圈上面形成一個Sin和Cos的波型，然后反饋給芯片的一個輸入端。

感應線圈會有紅色和綠色兩組，因為物理上的一個位置關系，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，內部的話會進行一個解調。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)設計方面，可以有一定的靈活性。根據客戶不同的需求，我們可以提供空心轉折位置的傳感方案，或者是半軸的位置傳感的方案。在應用市場方面的話，主要是應用在馬達控制的高速方案，再嵌入式應用方案也會有電子助力轉向器的應用，還會有齒條電機，在遠程應用方面會有EV牽引的主電機和旋轉的編碼器。

根據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。

然后可以結合不同的應用原理，結合霍爾式傳感器的原理，并且在結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行達到一個ASIL D的等級。

從圖中可以看到，相比于旋轉編碼器，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。在設計靈活性方面，可以根據客戶的不同需求，設計不同的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編碼器成本會更低。四、對產品的概況以及支持服務的介紹

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

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的應用，我們會有一些高速的產品進行對應，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。在高速電機方面，我們是用中空轉軸或者側軸的一個電感式傳感器的方案進行對應。

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，同樣也會有中空轉軸和側軸的低速方案，我們可以提供電感式傳感器，給客戶進行一個對應。同樣的，這些芯片也會有相應的雙待的冗余的方案，給客戶進行選擇。

ams會根據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，可以根據客戶不同的參數需求，也可以提供燒錄器進行燒錄工作。在前期的話，我們也會免費提供一些模擬的軟件，模擬客戶的實際的應用情況，以及我們芯片可以達到的精度。

最后我對ams的提供的方案進行一個總結。

我們這系列產品，主要是針對角度位置傳感和馬達控制，可以提供一個具有非常高的可靠性以及非接觸式的方案。產品本身也會有不同的封裝形式，根據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)界的話也是有領先的數字模擬的IC設計的經驗，同時有豐富的電感式線圈的設計能力，可以根據客戶的不同需求可以提供不同的設計方案。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，給客戶進行一個前期的模擬及評測。

問題：

Q：可編程傳感器的應用前景分析

A：首先是第一個問題，可編程傳感器的應用前景分析，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幾百萬次以上的旋轉測試的可靠性，那在電機方面，高精度實時的一個測量提高了電機效率并且降低功耗，這兩方面在汽車電子上充當越來越重要的角色。

Q：未來還有哪些新需求?應用場景以及未來工藝類型?

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

Q：傳感+定位(精度在m，受成本考慮)+補償獲知車輛位置，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)，原因是沒有內燃機后很難再給真空泵提供動力，所以集成式剎車系統(tǒng)會用電機提供動力，電機則需要位置傳感器?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的工作效率，降低溫升。在同樣尺寸的電機條件下有傳感器的電機可以提高更高的瞬態(tài)功率，因為此類電機通常是工作在瞬態(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到ASIL D等級要從系統(tǒng)等級進行一個判斷，像我們這樣兩顆芯片會更容易配合客戶達到ASIL D的等級。