垂直霍爾技術(shù)在智能電表抗磁干擾方面的應(yīng)用分析

許多機(jī)械和電子系統(tǒng)都面臨磁干擾的威脅。不法分子還可能攻擊已啟用的電子設(shè)備，如智能電表、ATM 機(jī)、賭博機(jī)/游戲機(jī)、自動(dòng)售票機(jī)或電子鎖等等，意圖篡改或干擾它們，或竊取產(chǎn)品或服務(wù)。

本文著重介紹了智能電表，但其中的原理也適用于其他系統(tǒng)。智能電表在全球范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，它能更高效和更準(zhǔn)確地顯示和監(jiān)測(cè)用電數(shù)據(jù)。許多水表、煤氣表和電表內(nèi)都含有智能電子裝置，它們能自動(dòng)收集和傳輸使用數(shù)據(jù)。根據(jù)《Navigant Research》的研究 ，到 2018 年，全球每年智能電表的配送量將達(dá) 1.31 億臺(tái)。竊電行為是電力運(yùn)營(yíng)商和政府監(jiān)管部門(mén)需要解決的首要問(wèn)題。竊電者會(huì)使用磁鐵干擾智能電表，試圖使讀數(shù)歸零，或使用電量大幅減少。 據(jù)估計(jì)，每年因干擾智能電表造成的竊電損失約有 900 億美元。ii.

圖1：典型的智能電表

干擾電表常用的一種方法是使用強(qiáng)磁鐵破壞電表檢測(cè)耗電量的功能。 這種磁鐵通常磁性很強(qiáng)，而且又大又沉。此類磁鐵既能從網(wǎng)上購(gòu)買(mǎi)，也可從廢棄的電子產(chǎn)品和電腦（電子垃圾）中獲取。當(dāng)這類磁鐵靠近電表時(shí)，它們會(huì)使變流器（檢測(cè)通過(guò)電表的電流）達(dá)到磁飽和狀態(tài)。磁芯飽和將導(dǎo)致電表無(wú)法準(zhǔn)確判斷通過(guò)的電流量。

對(duì)電表制造商而言，雖然很難預(yù)防在使用電表時(shí)出現(xiàn)的竊電行為，但它們完全能檢測(cè)干擾企圖，這樣就能及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，如派出工作人員或遠(yuǎn)程禁用電表。全球各地有許多機(jī)構(gòu)正在制定智能電表的規(guī)范，包括電表檢測(cè)干擾企圖的相關(guān)要求。請(qǐng)參閱智能電表標(biāo)準(zhǔn)側(cè)邊欄，了解更多詳情。

為確保有效運(yùn)行，用于檢測(cè)干擾的磁傳感器必須具有下列特征：

·高靈敏度：雖然在系統(tǒng)外部放置的磁鐵可能有很強(qiáng)的磁性，遠(yuǎn)離磁鐵時(shí)，它的磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)急劇減弱；傳感器內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度可能比磁鐵表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度小得多；電表內(nèi)使用的特定組件可能使施加磁場(chǎng)扭曲，如果傳感器的靈敏度不夠高，這會(huì)在傳感器的檢測(cè)區(qū)產(chǎn)生“陰影”或“孔洞”。

·較大的動(dòng)態(tài)范圍：有些磁感應(yīng)技術(shù)對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度有上限要求?；魻栃?yīng)技術(shù)對(duì)施加磁場(chǎng)沒(méi)有上限要求。

·全極靈敏度：企圖干擾電表的壞人不會(huì)在意磁鐵的具體極性，他們會(huì)嘗試所有磁極，最后找到有效的磁極；所以傳感器在檢測(cè)磁場(chǎng)時(shí)，應(yīng)不受磁鐵朝向的限制。

·全向靈敏度：許多老舊的磁傳感器只能沿一個(gè)方向或平面感應(yīng)磁場(chǎng)；由于外部磁鐵可能沿任何方向?qū)﹄姳硗獠浚ㄕ妗㈨敳?、底部或兩?cè)）的暴露 點(diǎn)施加磁場(chǎng)，因此傳感器應(yīng)在三個(gè)方向（X 軸、Y 軸和 Z 軸）具有相同的靈敏度。

通常，當(dāng)我們遠(yuǎn)離磁鐵時(shí)，它的磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)急劇減弱。例如，一塊表面磁場(chǎng)強(qiáng)度為 6000G （600 mT） 的大稀土磁鐵 （50 mm x 50 mm x 50 mm） 在距其 50mm（厚度的一倍）的位置測(cè)量時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度只有約 600G （60 mT）。圖 2顯示了這種現(xiàn)象。與較大的磁鐵相比，較小的磁鐵具有更小的影響范圍。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在與磁鐵厚度相等的距離測(cè)得的磁場(chǎng)強(qiáng)度只有原磁場(chǎng)強(qiáng)度的 1/10。

圖2:50 mm x 50 mm x 50 mm N45 磁鐵磁極 （mm） 的磁場(chǎng)強(qiáng)度與距離的對(duì)比

如果傳感器安裝在電表內(nèi)部，在確定傳感器對(duì)外部磁鐵（放在電表外面的任何位置）的感應(yīng)靈敏度時(shí)，必須考慮與電表兩側(cè)和表面的距離。

以前最常用的磁感應(yīng)解決方案是霍爾效應(yīng)傳感器 IC。這些 IC 能利用霍爾效應(yīng)檢測(cè)磁場(chǎng)，霍爾效應(yīng)是根據(jù)埃德溫·霍爾命名的，他在 1879 年發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁場(chǎng)沿垂直于導(dǎo)電板平面的方向通過(guò)導(dǎo)電板時(shí)，載流導(dǎo)電板上會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差 。如圖 3所示，在導(dǎo)電板上施加電流。與導(dǎo)電板（電流）垂直的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生沿導(dǎo)電板分布的差分電壓。傳感器測(cè)量到此電壓時(shí)，說(shuō)明存在外加磁場(chǎng)。注意，傳統(tǒng)的平面霍爾效應(yīng)傳感器只能測(cè)量與感應(yīng)導(dǎo)電板或表面垂直的磁場(chǎng)。如果是表面貼裝的 IC，導(dǎo)電板通常要與安裝傳感器的 PCB 的平面平行。不管傳感器的朝向/轉(zhuǎn)向如何，它只能有效感應(yīng) Z 軸方向的磁場(chǎng)。

有效感應(yīng) X 軸和 Y 軸磁場(chǎng)需要在單獨(dú)的 PCB 上另外安裝傳感器，這些傳感器不僅要互相垂直，而且要與母板或安裝的含鉛傳感器垂直，還可能進(jìn)行引線成型處理，這樣就能確?；魻柊宓某蛘_。這兩種方法都會(huì)增加組件數(shù)量和成本、系統(tǒng)復(fù)雜性和組裝成本。還可安裝大量傳統(tǒng)的平面霍爾傳感器，并依靠“邊緣”磁場(chǎng)激活它們，但這樣仍會(huì)增加系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。

人們已采用各種磁阻技術(shù)來(lái)創(chuàng)建磁傳感器 IC。這些傳感器通常具有平面響應(yīng)能力，也就是說(shuō)，它們能檢測(cè) X-Y 軸平面內(nèi)的磁場(chǎng)，但對(duì) Z 軸磁場(chǎng)的響應(yīng)能力有限。此外，超強(qiáng)磁場(chǎng)還會(huì)導(dǎo)致傳感器出現(xiàn)磁飽和，進(jìn)而發(fā)生故障（動(dòng)態(tài)范圍有限）。由于干擾時(shí)通常會(huì)采用強(qiáng)磁場(chǎng)，所以這是一種明顯的局限。

圖3：平面霍爾效應(yīng)傳感器

霍爾效應(yīng)傳感技術(shù)最近取得的突破使我們能創(chuàng)建符合所有干擾檢測(cè)要求的全向磁感應(yīng)傳感器 IC。隨著 IC 設(shè)計(jì)和制造工藝的進(jìn)步，我們現(xiàn)在能生產(chǎn)垂直霍爾傳感器（參閱圖 4）。垂直和平面?zhèn)鞲衅饕韵嗤奈锢憩F(xiàn)象為依據(jù)，但采用了不同的構(gòu)建方法：

平面：沿芯片的寬度和長(zhǎng)度方向排列；不管朝向如何，只感應(yīng) Z 軸磁場(chǎng)

垂直：沿芯片的深度方向從頂部向底部排列；可感應(yīng) X 軸、Y 軸或其他方向的磁場(chǎng)

圖4：垂直霍爾傳感器

平面霍爾元件能感應(yīng)與 IC 封裝的平面垂直的磁場(chǎng)，而垂直霍爾元件能沿與模具平行的軸（如 X 軸或 Y 軸）感應(yīng)磁場(chǎng)。圖 4顯示了垂直霍爾板的構(gòu)建詳情。兩個(gè)垂直霍爾傳感器在單獨(dú) IC 內(nèi)與平面霍爾傳感器組合構(gòu)成的磁傳感器能感應(yīng)任意方向（X 軸、Y 軸和 Z 軸）的磁場(chǎng)，而且能經(jīng)受超強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響。過(guò)去，這種解決方案需要使用三個(gè)獨(dú)立 IC，所需 PCB 面積最高為 56 mm2。Allegro MicroSystems 最近推出的 A1266 就是此類器件的一個(gè)實(shí)例（參閱圖 5），這種小型表面安裝 SOT-23W 封裝只需 9mm2的 PCB。A1266 還具有極高的靈敏度（工作點(diǎn)，BOP），所以它能在更大的面積或體積范圍內(nèi)檢測(cè)干擾企圖。 表 1顯示了目前可用技術(shù)的對(duì)比。

圖5：A1266 具有適合檢測(cè)干擾的 3D 全向響應(yīng)功能

表1：磁傳感器 IC 可用技術(shù)的對(duì)比

不同傳感器的響應(yīng)圖清楚顯示了高靈敏度、全向、全極傳感器的優(yōu)勢(shì)。下列圖表假設(shè)有一個(gè)正面尺寸最大 290mm x 165mm 的矩形電表和一塊 50mm x 50mm x 50mm 的 N45 磁鐵（參閱圖 6 和圖 7）。

圖6：假設(shè)電表尺寸和傳感器氣隙

圖7：磁鐵朝向（磁南極對(duì)電表正面）

待測(cè)試的傳感器位于電表中間的正面下方 35mm 的位置。使用自動(dòng)繪圖儀使磁鐵在電表外表面的上方 10mm 沿電表正面的長(zhǎng)度和寬度方向移動(dòng)。圖 8顯示了設(shè)置繪圖儀對(duì)傳感器的響應(yīng)進(jìn)行繪圖。

圖8：自動(dòng)繪圖儀

圖 9顯示了使用在 Z 軸方向具有最高靈敏度的傳統(tǒng)平面霍爾傳感器檢測(cè)磁場(chǎng)時(shí)，這種假設(shè)電表的繪圖結(jié)果。藍(lán)色區(qū)域是磁鐵位置，待測(cè)試的傳感器在此能檢測(cè)磁鐵的存在。當(dāng)磁鐵位于傳感器正上方時(shí)，傳感器很容易就能檢測(cè)到它。當(dāng)磁鐵沿 X-Y 軸平面移動(dòng)時(shí)，氣隙增大，磁場(chǎng)方向不再沿靈敏度最高的軸 （Z） 分布。但傳感器能在 148mm x 148mm 的區(qū)域內(nèi)檢測(cè)磁鐵。

圖9：采用 1D 平面霍爾傳感器的干擾覆蓋范圍 （43%）（藍(lán)色表示檢測(cè)區(qū)域）

圖 10顯示了使用由 2 個(gè)垂直霍爾元件和 1 個(gè)平面霍爾感應(yīng)元件組成的單個(gè) IC 封裝全向 （3D） 霍爾傳感器檢測(cè)磁場(chǎng)時(shí)，相同的假設(shè)電表的繪圖結(jié)果。藍(lán)色區(qū)域是磁鐵位置，待測(cè)試的傳感器在此能檢測(cè)磁鐵的存在。當(dāng)磁鐵位于傳感器正上方時(shí)，傳感器很容易就能檢測(cè)到它。當(dāng)磁鐵在 X-Y 軸平面內(nèi)移動(dòng)時(shí)，氣隙增大，但由于磁鐵偏離軸，所以影響減弱。在此情況下，傳感器能在接近假設(shè)電表整個(gè)表面的更大范圍（約覆蓋區(qū)域的 280mm x 165 mm）內(nèi)檢測(cè)磁鐵。

圖10：采用 3D 霍爾傳感器的干擾覆蓋范圍 （92%）（藍(lán)色表示檢測(cè)區(qū)域）

無(wú)論在哪種情況下，都可使用多個(gè)傳感器覆蓋更大的面積或體積范圍。但需要很少的 3D 傳感器覆蓋較大的面積/體積范圍。在顯示的實(shí)例中，磁鐵的朝向有利于被傳統(tǒng)的平面霍爾 （1D） 傳感器檢測(cè)到。當(dāng)磁鐵的朝向改變或正對(duì)電表側(cè)面時(shí)，圖 9顯示的性能會(huì)下降。

這體現(xiàn)了 3D 傳感器的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)，即它能檢測(cè)在電表外部隨機(jī)施加的磁場(chǎng)。如果是更小的電表，如常見(jiàn)的單相家用電表，使用單個(gè) 3D 傳感器 IC 就足以覆蓋整個(gè)電表。像 Allegro MicroSystems， LLC 推出的 A1266 這種將平面和垂直霍爾元件融為一體的器件能在較大的面積/體積范圍內(nèi)檢測(cè)磁場(chǎng)干擾，而且完全不受磁鐵朝向的影響。這不僅極大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而且還允許使用數(shù)量最少的傳感器，進(jìn)行最靈敏的干擾檢測(cè)。

智能電表標(biāo)準(zhǔn)

全球各地有許多機(jī)構(gòu)正在制定智能電表的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。這些標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)電表檢測(cè)干擾的要求越來(lái)越多。這些機(jī)構(gòu)有些是政府組織，有些是專門(mén)成立的行業(yè)團(tuán)體。獨(dú)立電力運(yùn)營(yíng)商也能為其購(gòu)買(mǎi)和部署的電表制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)涉及磁干擾時(shí)，不同標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于具體規(guī)范和檢測(cè)方法的細(xì)節(jié)可能千差萬(wàn)別。表 2 列出了為智能電表制定標(biāo)準(zhǔn)的一些機(jī)構(gòu)。

表2：行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

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