磁传感器IC为ASIL合规性提供集成诊断
磁传感器IC为ASIL合规性提供集成诊断
由Gary Pepka，All亚博棋牌游戏egro Microsystems，LLC
摘要
当前智能车辆控制系统的革命主要依赖于被称为磁传感器集成电路（ICs）的快速发展的物理检测技术。这些非接触式磁性传感器集成电路的复杂性、可靠性、灵活性和功能性几乎消除了最新一代汽车几乎所有应用中对机电开关的需求。然而，伴随着复杂电子设备使用量的增加，人们对难以检测的系统级风险的担忧也随之增加。这反过来又使汽车工业把重点放在汽车功能安全上。ISO 26262功能安全标准概述了包括预测分析在内的开发过程，以将风险降至最低。这一过程，反过来，需要先进的诊断能力，直接集成到磁传感器集成电路系统。本文研究了一种新型磁传感器集成电路，该集成电路采用创新的嵌入式固态线圈进行端到端系统测试，实现了集成诊断。
Overview
Open the door of any recent-model automobile and you are immediately surrounded by an invisible network of electronic sensors. They detect seat belt buckling, window or sunroof pinching, gear shifter position, engine transmission rotational speed and direction, and camshaft position, to name only a few applications. The penetration of real time sensing into these applications has been made practical by developments in various types of non-contacting magnetic detectors (i.e. Hall effect, Giant Magnetoresistive (GMR), Anisotropic resistive (AMR)). In addition to having very small form factors, these state-of-the-art, solid-state, semiconductor ICs are cost effective, power efficient, non-contacting, and gather a pervasive data stream in the harshest environment of vehicle engines with the subtlety to respond to the slightest of changes in vehicle conditions.
这些检测系统提供了高级的计算复杂程度，提供了高度的输出置换。这在实现功能安全性每ISO 26262时提出了挑战，因为设备状态复杂性和几乎无限各种车辆操作条件的组合使得所有使用场景和故障模式都不太可能通过设计或在测试程序中发现。鉴于可能需要几乎瞬时反应来保护乘客并保留车辆，这些巧妙的检测系统必须能够自我诊断，并且通常在运作不当时甚至纠正自己。
传统解决方案使用具有有限运营状态的机电开关（操作与否），因此故障检测是简单的。焊接簧片开关触点呈现短。破碎的开关弹簧防止输出状态变化。系统级别故障难以预测。预防性维护通常基于通用平均故障（MTTF）数据的时间（MTTF）数据，开关过度设计以在不调整的情况下容纳所有合理情况。
图1：基于磁场效果的传感器IC提供了紧凑的数据，包括换档地点，如换档机和安全带扣
集成电路可以提供次优的输出，因此汽车使用需要额外的安全措施，以避免不合理的残余风险，根据汽车安全完整性水平（ASIL），ISO 26262。ASIL指定安全目标，而不是描述整个系统或组件。严格的ASIL D级要求制造商遵循严格的开发指南，包括故障模式影响和诊断分析（FMEDA），以量化甚至非常低的故障风险。这些复杂性要求进行全面的诊断，以确保检测到系统级故障并启用安全（跛行回家）模式。
安全关键应用中的冗余亚博尊贵会员
对于安全关键功能，系统中可行的选项是冗余。机电设计通常是笨重和在线，因此它们无法容纳失效冗余，其中可以在线带来替代控制。基于磁的控制系统通过允许自动交换控制电路到位，因为磁传感器IC不需要与检测到的机械目标或电路直接电连接。
Redundancy has many forms. A system can include a pair of non-contacting, magnetic sensor ICs in close proximity to each other. Each sensor IC has its own power, ground, and outputs, so if one fails, the other takes over after diagnostics detect a failure. A complementary sensor IC may be used simply to inform a controller that its cohort is not switching when it should. Moreover, there are sensor ICs capable of self-diagnosis, able to inform the controller when it is not operating properly, without the assistance of additional sensor ICs.
Enabled Diagnostics in Electronic Magnetic Sensor ICs
磁传感器IC可能需要监视，以确保设备本身正常运行，并且还要确保在相对于磁场的变化的适当时间发生切换。
一种方法是提供一个单独的自诊断传感器IC，它比两个互补的传感器IC成本更低，需要更少的PCB空间，并且在应用中更容易制造。该解决方案还通过解决确定适当电气性能和磁开关的复杂性，帮助设计工程师满足其目标功能安全要求。
自诊断的最新进展，特别是涉及应用磁场分析的阶段，是在磁传感器IC芯片上使用嵌入式检测线圈。一个例子如图2所示，霍尔元件被一个嵌入线圈包围Allegro MicroSystems A1160 unipolar Hall-effect switch. 这提供了一种经济高效且节省空间的解决方案，无需外部磁场调节结构来集中和引导环境磁场。
图2：磁场波动的检测
在Allegro微系统A1160中，围绕霍尔元件的创新线圈结构增强了对磁场波动的检测。线圈和霍尔元件嵌入IC基板中。亚博棋牌游戏
该装置遵循典型的单极霍尔效应开关行为：当嵌入式霍尔元素感知嵌入式南极性磁场时，器件输出打开足够强度的垂直南极磁场以越过内部比较器开关点。该装置的独特方面是嵌入IC的硅中的片上线圈。线圈在霍尔元素周围缠绕。当逻辑I / O引脚被拉高时，该设备通过线圈通过10 mA的电流。通电线圈产生一个场，其由于线圈的近距离接近霍尔元件，足以打开设备并评估设备的整个信号路径（包括传感元件）。虽然诊断使能引脚很高，但设备输出脉冲宽度（PW）信号。如果PW信号具有50％的占空比，则设备被视为正常运行。如果PW信号具有0％或100％占空比，则设备被视为不正确的运行（参见图3）。
Figure 3: Self-diagnostics in the Allegro MicroSystems A1160
When the Diagnostic Enable pin is pulled high, the device outputs a diagnostic signal. A 50% duty cycle indicates proper operation.
为了实现这些诊断的自校准，线圈匝数是固定的，电流量是可调节的。因此，线圈产生的磁场量是可精确重复的，如果诊断磁场由于某种原因（即由于时间或应力）发生变化，诊断模式可以检测到。比较器对于诊断模式和正常操作都是相同的，改变的是诊断模式和正常操作之间的偏移量（mV）（见图4）。因此，当设备处于诊断模式时，从调节器到通电线圈并一直到输出的诊断信号操作提供了完整信号路径的端到端测试（见图4）。
图4：匹配比较器
匹配的比较器确保自我诊断模式验证Allegro微系统A1160中的正常模式操作。亚博棋牌游戏
To prevent incidental effects of shifting external magnetic fields, this particular integrated coil concept provides the additional benefit of the coil being sensed differentially by the sensing elements. This means that the diagnostics function may be used at any time, even if the device is in the presence of an external magnetic field of sufficient strength to switch-on the device under normal operation mode. Additionally, as the sensing elements are reconfigured during diagnostics mode to be sensitive to the differential field, any external fields are rejected directly at the sensing elements.
额外的应用程序被发现亚博尊贵会员
这种开创性的设备设计为响应ECU轮询信号提供模态诊断，并且开发设备也在启动时运行诊断。A1160的典型应用电路如图5所示，并且正在开发各种输出选项（2线或3线），具有定位，旅行，速度和方向变化的传感技术。最初为提高实现汽车市场的功能安全要求的能力，应用是无限的，包括工业自动化和白色商品。亚博尊贵会员
图5：实现磁感应IC解决方案的典型应用。
Summary
用于提高可靠性和功能的汽车，工业和商业市场的不断发展的要求将继续推动对电子内容的需求，包括具有诊断的非接触磁传感器IC。创新的Allegro诊断开关与其集成线圈提供设计工程师，具有独特，经济高效和用户友好的解决方案，以满足几乎任何安全要求。
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Originally published in Design News, February 2014, Copyright ©2014 UBM Electronics. Reprinted with permission.
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