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

作者:Gary Pepka,A亚博棋牌游戏llegro MicroSystems,LLC

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抽象

智能车辆控制系统的当前革命基本上依赖于磁传感器集成电路(IC)的快速发展的物理检测技术。这些非接触式磁传感器IC的复杂性,可靠性,灵活性和功能,但在最新一代汽车中的每种应用中,所有磁力传感器IC都具有诸如对机电开关的需求。然而,随着这种复杂电子设备的使用增加,对难以陷入困难,系统级风险的增加是一种高度的兴趣。反过来,这导致了汽车行业专注于汽车功能安全。ISO 26262功能安全标准概述了一种开发过程,包括预测分析,以尽量减少风险。反过来,这一过程需要直接集成到磁传感器IC系统中的高级诊断功能。检查采用新型磁传感器IC,实现集成诊断,采用创新的嵌入式固态线圈,以结束终端系统测试。

概述

打开任何最新型号的汽车的门,你马上就会被一个看不见的电子传感器网络所包围。它们检测安全带屈曲、车窗或天窗夹伤、换档杆位置、发动机变速器转速和方向以及凸轮轴位置,仅举几个应用实例。随着各种非接触式磁探测器(如霍尔效应、巨磁阻、各向异性磁阻)的发展,实时传感在这些应用中的渗透已经成为现实。除了具有非常小的外形尺寸外,这些最先进的固态半导体集成电路还具有成本效益高、功率效率高、非接触式的特点,能够在车辆发动机最恶劣的环境中收集普及的数据流,并对车辆状况的最微小变化作出微妙的响应。亚博尊贵会员

这些检测系统提供了先进水平的计算复杂度,提供了高度的输出排列。这对按照ISO 26262实现功能安全提出了挑战,因为设备状态的复杂性和几乎无限多样的车辆运行条件的结合使得所有的使用场景和故障模式不可能通过设计预期或在测试程序中发现。考虑到可能需要几乎瞬时的响应来保护乘客和保护车辆,这些巧妙的检测系统必须能够在功能不正常时进行自我诊断,甚至常常能够自我纠正。

传统的解决方案使用的机电开关具有有限的运行状态(运行或不运行),因此故障检测非常简单。焊接簧片开关触点存在短路。断开的开关弹簧防止输出状态改变。系统级故障很难预料。预防性维护通常基于一般的平均故障时间(MTTF)数据,切换设计为适应所有合理情况而无需调整。

图1:磁霍尔效应传感器集成电路提供紧凑的数据收集在有限的位置,如换档器和安全带扣

图1:磁霍尔效应传感器集成电路提供紧凑的数据收集在有限的位置,如换档器和安全带扣

IC可以提供次优输出,因此汽车用途需要额外的安全措施,以避免根据汽车安全完整性(ASIL),ISO 26262。ASIL分配安全目标,而不是表征整个系统或组件。严格的ASIL级别D要求制造商遵循严格的发展指南,包括失败模式效果和诊断分析(FMEDA)来量化甚至非常低的故障风险。这些复杂性需要全面的诊断,以确保检测系统级故障并启用安全(LIMP HOME)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,一个可行的选择是系统中的冗余。机电设计通常是笨重的和在线的,因此它们不能容纳故障转移冗余,在这里替代控制可以在线。基于磁性的控制系统通过允许就地自动交换控制电路来适应故障转移冗余,因为磁性传感器IC不需要与被检测的机械目标或电路接触或直接电气连接。

冗余有多种形式。系统可以包括一对彼此非常接近的非接触式磁性传感器ic。每个传感器IC都有自己的电源、接地和输出,因此如果其中一个发生故障,则在诊断检测到故障后,另一个将接管。互补传感器IC可以简单地用来通知控制器,当它应该切换时,它的队列没有切换。此外,还有能够自我诊断的传感器IC,能够在控制器不能正常工作时通知控制器,而无需额外的传感器IC的帮助。

电磁传感器集成电路中的启用诊断

磁传感器IC可能需要监控,以确保设备本身正常工作,并确保在磁场变化的适当时间发生切换。

一种方法是提供一种自诊断的传感器IC,其可以更昂贵,需要较少的PCB空间,并且在应用于两个互补传感器IC时更容易制造。该解决方案还通过解决确定适当的电气性能和磁性开关的复杂性,帮助设计工程师满足其目标功能安全要求。

最近自我诊断的进步,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器线圈。图2中示出了一个例子,其中霍尔元素被嵌入式线圈包围在内亚博棋牌游戏Allegro MicroSystems A1160单极霍尔效应开关。这提供了一种成本效益和节省空间的解决方案,消除了外部磁场调节结​​构的需要集中和引导环境磁场。

图2:磁场波动检测

图2:磁场波动检测

通过创新的线圈结构增强了磁场波动的检测,该模型线圈结构围绕Allegro Microsystems A1160中的霍尔元素。亚博棋牌游戏线圈和霍尔元件嵌入IC基板中。

该器件遵循典型的单极霍尔效应开关行为:当嵌入的霍尔元件感测到足够强度的垂直南极磁场穿过内部比较器开关点时,器件输出打开。该设备的独特之处在于,芯片上的线圈嵌入到集成电路的硅中。线圈环绕着霍尔元件。当被称为诊断启用引脚的逻辑I/O引脚拉高时,设备通过线圈传递10毫安的电流。通电线圈产生一个磁场,由于线圈与霍尔元件非常接近,该磁场足以打开设备并评估设备(包括传感元件)的整个信号路径。当诊断启用引脚为高电平时,设备输出脉冲宽度(PW)信号。如果PW信号有50%的占空比,则认为设备正常工作。如果PW信号有0%或100%的占空比,则认为设备工作不正常(见图3)。

图3:Allegro微系统A1160中的自我诊断亚博棋牌游戏

图3:Allegro微系统A1160中的自我诊断亚博棋牌游戏

当诊断启用引脚拉高时,设备输出诊断信号。50%的占空比表示工作正常。

To enable self-calibration for these diagnostics, the number of coil turns is fixed and the amount of current is regulated .Therefore, the amount of field generated by the coil is precisely repeatable and if the diagnostic magnetic field changes for some reason (i.e. due to time or stress), the diagnostic mode can detect it. The comparator is the same for both diagnostic mode and normal operation, and what changes is the offset (mV) between diagnostic mode and normal operation (see Figure 4). As a result, when the device is in diagnostics mode, the operation of the diagnostics signal from the regulator to the energized coil and all the way to the output provides an end-to-end test of the full signal path (see Figure 4).

图4:匹配的比较器

图4:匹配的比较器

匹配的比较器确保自诊断模式验证Allegro Microsystems A1160中的正常模式操作。亚博棋牌游戏

为了防止外部磁场移动的附带影响,这种特殊的集成线圈概念提供了由感测元件差分感测线圈的额外好处。这意味着可以随时使用诊断功能,即使设备存在足够强度的外部磁场,以便在正常操作模式下打开设备。此外,由于在诊断模式期间将传感元件重新配置为对差分磁场敏感,因此在传感元件处直接拒绝任何外部磁场。

正在发现其他应用程序亚博尊贵会员

这种开创性的设备设计提供了响应ECU轮询信号的模式诊断,正在开发的设备也在启动时运行诊断。A1160的典型应用电路如图5所示,各种输出选项(2线或3线)正在开发中,具有位置、行程、速度和方向变化的传感技术。最初是为了增强实现汽车市场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家电。亚博尊贵会员

图5:实现磁感应IC解决方案的典型应用

图5:实现磁感测IC解决方案的典型应用。

摘要

汽车、工业和商业市场对提高可靠性和功能的不断发展的需求将继续推动对电子内容的需求,包括具有诊断功能的非接触式磁传感器IC。创新的Allegro诊断开关及其集成线圈为设计工程师提供了一个独特、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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最初发表于《设计新闻》,2014年2月,版权所有©2014 UBM Electronics。经允许转载。

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