【微课堂实录】汽车电气化时代 位置传感器该如何应对挑战？

6月26日晚8点，"盖世微课堂-位置传感器如何应对挑战"正式开讲！盖世汽车特邀请了“艾迈斯半导体的资深工程师苏阳”授课并解答微友疑问，同时，来自上汽集团、观致、奇瑞捷途等整车厂以及来自汽车零部件及相关企业共计424位人士在群内展开热烈讨论。

本文为本次微课堂实录。

大家好，我是ams的苏阳，在ams担任车载电子的FAE，主要负责华东地区的客户，今天我为大家带来的是ams的位置传感器，内嵌霍尔传感器的驾驶电气化解决方案。

这次研讨会的议程

1、对ams的简单介绍，包括应用领域以及一些挑战的案例；

2、霍尔传感器的技术要点及产品特点的介绍；

3、新产品——电感式传感器的技术介绍；

4、对产品的概况以及支持服务的介绍；

一、对ams的简单介绍，包括应用领域以及一些挑战的案例

ams中文名是艾迈斯半导体,ams是致力于生产传感器的一家半导体公司，同时会结合arm的算法给客户提供传感的解决方案。

从图中我们可以看到一些关键的数字，例如在2018年，ams的营收是16.27亿美元，全球超过8000个客户，1200的工程师，以及18个设计中心和9000名员工，还有超过2700个专利。ams面向的是一个广泛的市场，在通讯行业，有3D人脸的识别；在消费类电子方面有ANC的解决方案；在计算机方面，有1D TOF的接近光传感器的方案；在汽车电子方面，有MLA投射方案及LIDAR VCSEL红外发射器，还有ams位置传感器的一些解决方案；在工业方面，ams有一些高端的视觉传感器；在医疗方面，ams会在大型的CT机以及内窥镜方面都会有些解决方案。

在汽车电子方面，ams有四大类产品：

第一类产品使用在激光雷达上面，ams提供的是高功率以及高效率的红外激光发射器；

第二类的是MLA,全称是Micro-lens arrays，中文名叫微透镜矩阵，适用于高清晰度及大面积的一个MLA的透镜阵列投射照明方案；

第三类是HMI人机交互，是车内的3D人脸识别方案以及2D的一个驾驶员状态监测的方案；

第四类是用在角度的一个位置检测，以及马达控制方面的位置传感器。

今天我们主要讲的是汽车位置传感器，ams的汽车位置传感器主要有两大类，第一类是角度位置的检测，第二个是马达的控制。角度位置检测，主要是通过检测位置反馈给MCU，然后进行后续的系统调整。在马达控制方面，我们的芯片主要是捕捉马达的运作状态，从而来达到马达的控制，然后快速的响应，以及高效率高转速的运作控制。

在马达位置检测方面，我们以电子助力转向系统为例，可以看到我们的芯片放在PCB上可以紧贴着马达的侧面，芯片可以直接检测马达轴末端的一个双极磁铁的磁场的变化。

许多客户在马达位置检测应用方面会遇到如噪声、波纹以及杂散磁场方面的一些挑战，而ams会针对客户的一些挑战和需求，提供相应的一个解决方案。

本身因为差分方式的一个测量方式以及只对垂直磁场有感应作用，所以说我们的芯片，在抗杂散磁场方面的能力是非常强的。根据客户的一些紧凑性的方案要求，我们也会提供一些小型化的一个小封装的方案。根据客户对于转速的要求，ams也可以提供支持高转速能力的芯片。客户对安全等级也会有需求，比如说需要做到ASILC、D，或者是车载认证。ams位置传感器有ISO26262的保证，是经过车载认证的。同时也会有双芯片封装的一个冗余方案，可以给客户做选择。

对于角度位置检测，我们以车身高度调教系统作为案例。我们可以看到芯片是通过后轮转折的旋转，然后感知转折的一个位置，从而调节车身的一个高度，来控制车前光束的一个高度。

霍尔传感器在角度位置检测方面同样也会遇到非常多的问题，比如说在非常严酷的环境中，我们公司会提供非接触式的感知系统，这样可以大大增强整个系统的寿命。同时我们也会提供不同的平台供客户选择，像-SENT、PSI5、PWM、Analog等出形式。在抗杂散磁场方面，也因为差分形式的一个检测，以及垂直场强的一个感应，抗干扰能力也非常强。同样也可以为客户提供一个紧凑型的系统级封装方案。

二、霍尔传感器的技术要点以及产品特点

下面我来介绍一下霍尔传感器的一些技术要点和产品特点

我们的霍尔传感器是基于霍尔原理的一个传感器芯片。

简单介绍一下霍尔原理，可以看到上面的左图，它通过一个半导体的电流，在磁场的作用下，半导体上会产生一个电压；如果磁场在变化的情况下，这个半导体上面的电压也会随之变化。我们可以看到上面的右图，霍尔传感器中有四个小的霍尔器件。

下面我们来看一下传感器对于磁场测量的原理。

芯片内部的四个霍尔器件会对磁场的变化有一个感知，那我们可以在同轴的一个末端装上一个两级磁铁，磁铁随着电机一起转动的时候它的磁场就会随之转动。对于磁场的方向，我们可以把它分为三个方向，有水平方向的X轴和Y轴，垂直方向的Z轴，我们的芯片是指对垂直于霍尔传感器表面方向的磁场有感应作用，然后对于XY轴方向的磁场完全没有感应作用，这也是说明了为什么我们芯片抗干扰能力会强，因为XY轴方向的磁场完全感应不到。在Z轴方向，它的磁场有黄色区域内的相对于线性度非常高，所以说我们芯片在感应的进度方面也非常高。

下面我们来看一下霍尔传感器内部的工作原理。

图中的四个霍尔器件，它们会对磁场的变化进行感知，两两分别采集Sin和Cos上的信号，内部进行差分的运算，然后经过A/D的转换，进行CORDIC的算法，最终输出客户想要的角度和大小。同时内部会有一个AGC的电流，会根据采集到的磁场的强弱程度，内部进行调整。

接下来，我们看到的是ams芯片的抗干扰能力的说明。

芯片内部本身会做一个差分的运算，这样对地磁场的干扰可以通过这个运算而剪掉，其他的一些杂散的磁场，如果是垂直方向的干扰，也可以通过相同的方法进行消减，芯片本身对于XY轴的磁场不会有感应，所以说ams芯片在抗干扰能力方面比较强。因此，客户在使用ams芯片的时候不需要做额外的屏蔽处理，这样在整个系统的设计上灵活度就大大提高了，同时系统的成本也可以做的非常低，在应用安全性方面也比较高。

针对客户的紧凑型的方案，以及一些PCBS的应用的话，我们公司也会提供相应的系统级的封装。那从图中可以看到我们的芯片，除了IC传感器之外，还会把一些被动器件也整体的封装在一个芯片。这样做的话会对于芯片本身的防护性会大大加强，客户在使用方面的时候，安全性也会大大提高。同时，客户可以根据他的不同的应用，也可以对我们的芯片进行一个二次的整形。

这张图是ams针对客户的ASIL  C和ASIL  D的应用的一个双核封装的方案。

我们可以从图中看到是一个双芯片上下结构的布局，这样布局的好处是，相对于同一平面双袋的布局，ams的芯片可以在一颗袋损坏的情况下不影响另一颗袋，同时在精度方面会比平行的布局说好很多。

三、新产品，电感式的传感器的技术介绍

接下来介绍一下我们公司的一个新的产品啊，电感式传感器。

ams电感式传感器被认为是旋转编码器的替代方案，现在主要的应用是在电动车的主电机上。由于是非接触式的传感器，客户在设计方面上会比较灵活，同时也是降成本的方案。同样的他在抗干扰能力方面也是非常强。系统配置方面非常灵活，与其他方案相比的话它所占的空间非常小，可以配合马达的一个极对数，也会对精度方面的有一个增益的作用。在布局方面也是独立的机械布局。在精度方面会比霍尔传感器更加有优异，在马达控制方面也是非常高效的。这个产品在安全性方面的水平非常高，单颗可以做到ASIL C的等级,也可以与霍尔传感器结合使用，形成一个冗余的方案，同时我们也可以提供电感式传感器的一个双芯片的方案。

ams的电感式传感器，如图中的几个部件组成，我们可以看到PCB板上会搭载我们的芯片，然后会有一组发射线圈以及两组接收线圈。然后两组线圈之间，由于物理的一个布局他的电器角度相差90度。上方还会有一个有传导材料组成的一个金属叶片，这个金属叶片的片数，会根据马达的一个极对数会有相应的一个片数。

下面来说一下机械角度和电气角度的一个关系：

我们可以以三极对的电机座为例，它所对应的叶片的片数也是三片。我们可以看到，它在120度的机械角度，所对应的是360度的电气角度，那以此类推的话，是90度的机械角度对应的是360度的电气角度，那如果这样下类推下去的话，极对数越多的话，那其实他得到的轻度的一个加成就会越大。

下面我来介绍一下电感式传感器的技术原理：

我们可以从图中看到，芯片的发射端给到发射线圈一个共振信号，频率大概在几兆赫兹左右，发射线圈就会产生一个交变磁场。在胶片线圈的上方，会有一个同轴旋转的叶片, 在叶面上面会有金属部分，从而造成该区域的磁场减少，然而在叶片与叶片之间，没有覆盖到的区域交变磁场依然会比较大。当叶片旋转的时候，会在感应线圈上面形成一个Sin和Cos的波型，然后反馈给芯片的一个输入端。

感应线圈会有红色和绿色两组，因为物理上的一个位置关系，他们的电气差在90度，所得到的信号会包含振荡器的一个信号，内部的话会进行一个解调。通过AGC的一个争议，然后是一个差分的放大，之后输出客户想要的Sin和Cos的一个波形。

系统设计方面，可以有一定的灵活性。根据客户不同的需求，我们可以提供空心转折位置的传感方案，或者是半轴的位置传感的方案。在应用市场方面的话，主要是应用在马达控制的高速方案，再嵌入式应用方案也会有电子助力转向器的应用，还会有齿条电机，在远程应用方面会有EV牵引的主电机和旋转的编码器。

根据客户对于功能安全的需求，我们会提供以下几种冗余的方案：

首先，我们单芯片可以做到ASIL C，因为本身单芯片可以针对故障进行一个报警。同时也可以用双芯片的电感式传感器做ASIL  D的一个安全等级。

然后可以结合不同的应用原理，结合霍尔式传感器的原理，并且在结合电感式传感器原理，在叶片的轴心处安装一个双极磁铁，之后在PCB板中心处可以加一个霍尔式的传感器，最后用不同的原理进行达到一个ASIL  D的等级。

从图中可以看到，相比于旋转编码器，ams的电感式传感器，以及霍尔传感器都是有非常大的优势。在尺寸和重量方面我们的传感器方案的尺寸是小型化的,重量也是非常轻的。在设计灵活性方面，可以根据客户的不同需求，设计不同的PCB来搭载我们的芯片。在精度方面，ams的电感式传感器相比于霍尔传感器在精度上更高。平台选择方面，霍尔传感器它可以根据客户不同的采集信号的需求，给到不同的输出方式。在功能安全方面，我们可以使实现ASIL C和ASIL D的要求。在系统成本方面，我们电感式传感器和霍尔传感器的成本方面相比于旋转编码器成本会更低。

四、对产品的概况以及支持服务的介绍

最后，我们介绍一下产品的一个概况，以及后续的一些支持服务以及使用的工具。

我们可以看到，如果客户有一些analog输出需求的话，可以选择我们5115和5116，5116相比5115在性能上更好、价格更便宜。同样这两款芯片也可以有冗余5215和5216的双待的方案的选择。针对客户的一些高速电机的应用，我们会有一些高速的产品进行对应，同时,也会有不同的输出方式，ABI  UVW  PWM  SPI 的输出方式供客户选择。在高速电机方面，我们是用中空转轴或者侧轴的一个电感式传感器的方案进行对应。

我们针对低速的高精度的方案，也会有不同的平台供客户选择，包括PSI5  PWM  Analog  SENT的形式，同样也会有中空转轴和侧轴的低速方案，我们可以提供电感式传感器，给客户进行一个对应。同样的，这些芯片也会有相应的双待的冗余的方案，给客户进行选择。

ams会根据客户早期的一些评价，提供一些demo版、socket版以及一个motor版。然后，可以根据客户不同的参数需求，也可以提供烧录器进行烧录工作。在前期的话，我们也会免费提供一些模拟的软件，模拟客户的实际的应用情况，以及我们芯片可以达到的精度。

最后我对ams的提供的方案进行一个总结。

我们这系列产品，主要是针对角度位置传感和马达控制，可以提供一个具有非常高的可靠性以及非接触式的方案。产品本身也会有不同的封装形式，根据客户不同的需求会有不同的平台和输出方式。位置传感器本身有霍尔传感器与电感式传感器两种，具有一流的一个精度。在业界的话也是有领先的数字模拟的IC设计的经验，同时有丰富的电感式线圈的设计能力，可以根据客户的不同需求可以提供不同的设计方案。针对客户的前期开发的话，我们会提供比较完善的一个demo版的测试，包括还有一些比较可以容易上手的一些模拟软件，给客户进行一个前期的模拟及评测。

问题：

Q：可编程传感器的应用前景分析

A：首先是第一个问题，可编程传感器的应用前景分析，由于汽车的可靠性和高效率方面的要求，位置传感器可以解决这方面的需求，如踏板等角度传感方面可以实现几百万次以上的旋转测试的可靠性，那在电机方面，高精度实时的一个测量提高了电机效率并且降低功耗，这两方面在汽车电子上充当越来越重要的角色。

Q：未来还有哪些新需求？应用场景以及未来工艺类型？

A：我觉得在未来，像超低系统延迟可以实现在高速应用中达到实时性，更高输出的分辨率可以提供更大功率的电机位置传感，降低功耗，使用新的通信协议，降低连接导线数等，这些今后的趋势。

Q：传感＋定位（精度在m，受成本考虑）+补偿获知车辆位置，想了解目前有更好的方式吗？除了高精

A：因为转速传感器使用的是简单的霍尔传感，ams是霍尔阵列的编码器精度会要求更高。

Q：车的刹车系统是否会全变成集成式得（像Conti.的MKC，博世的Ibooster等），原因是没有内燃机后很难再给真空泵提供动力，所以集成式刹车系统会用电机提供动力，电机则需要位置传感器？另外，刹车液的液位传感器的趋势是怎样的？

A：我们从位置传感器这个方面来讨论一下，因为它是可以提高电机的工作效率，降低温升。在同样尺寸的电机条件下有传感器的电机可以提高更高的瞬态功率，因为此类电机通常是工作在瞬态大功率的状态，所以说。我们可以用更小的尺寸的点击来替代，实现小型化和紧凑化。

Q：您好，您介绍有款双die的hall传感器可以满足ASIL D，如果都是基于相同的原理，是如何达到ASIL D的？

A：因为判定一个ASIL等级的话会困难，因为并不是说只是两颗芯片就可以达到ASIL D等级要从系统等级进行一个判断，像我们这样两颗芯片会更容易配合客户达到ASIL D的等级。