作者：Haiwen Huang

TWS（True Wireless Stereo, 真無線藍(lán)牙耳機(jī)）需要檢測充電倉蓋的開合，以及耳機(jī)是否在位，在這一檢測功能中，霍爾器件因?yàn)榉磻?yīng)靈敏，體積小，功耗低，受到越來越多的客戶的青睞。在本文中，我們將會(huì)介紹市場常見的開關(guān)監(jiān)測方案，以及TI 霍爾傳感器技術(shù)在TWS 耳機(jī)中的應(yīng)用。

一、常規(guī)開關(guān)檢測方案

1、機(jī)械彈針檢測

機(jī)械彈針結(jié)構(gòu)簡單，對(duì)精度要求高，但是使用壽命短，易受粉塵、水汽、振動(dòng)等因素影響，觸點(diǎn)容易銹化，極易產(chǎn)生金屬疲勞損壞。

2、磁簧開關(guān)檢測

磁簧檢測是通過磁鐵感應(yīng)密封在玻璃管內(nèi)含有貴金屬材料的觸點(diǎn)。因此，該開關(guān)不受濕氣或其他環(huán)境因素的影響，觸點(diǎn)不會(huì)氧化，缺點(diǎn)是體積大、安裝難、易損壞。

3、紅外光電開關(guān)檢測

紅外光電開關(guān)把光發(fā)射器和接收器面對(duì)面地裝在一個(gè)槽的兩側(cè)。發(fā)光器發(fā)出紅外光，在開蓋時(shí)接收器能收到光，合蓋時(shí)槽中光線被遮擋，光電開關(guān)便動(dòng)作。該方案優(yōu)點(diǎn)是檢測速度快，但功耗大，也怕灰塵水水汽等因素。

4、霍爾開關(guān)檢測

通過霍爾效應(yīng)對(duì)磁場變化進(jìn)行檢測，相對(duì)于簧片、機(jī)械式一類的開關(guān)，其數(shù)字輸出干凈平穩(wěn)，不會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)，沒有沖擊等情況的產(chǎn)生，壽命高、耐振動(dòng)；相對(duì)于紅外光檢測，這種檢測方式不怕油污、水汽和鹽霧污染或腐蝕、不怕灰塵、功耗低、體積小、重量輕、安裝方便。越來越多的TWS耳機(jī)開始選擇開關(guān)型霍爾器件，耳機(jī)插入檢測也逐漸從機(jī)械彈針方案轉(zhuǎn)換為霍爾檢測。

二、霍爾效應(yīng)以及霍爾傳感器技術(shù)的原理

霍爾效應(yīng)是通電固體導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）內(nèi)部載流子在磁場受洛侖茲力形成偏移，繼而產(chǎn)生感應(yīng)電壓差，最終洛侖茲力與電場力平衡的過程?；魻栃?yīng)常用于磁場測量、電信號(hào)測量等方向。

常用的霍爾器件按輸出信號(hào)類型分為線性霍爾器件,開關(guān)霍爾器件和鎖存霍爾器件。線性霍爾器件輸出為模擬信號(hào)，輸出電壓與外部磁場的強(qiáng)弱通常成線性關(guān)系。數(shù)字霍爾器件輸出為01的電平，其中根據(jù)感應(yīng)磁極的特性不同數(shù)字霍爾器件可以分為單極型，雙極型以及鎖存型三種。工作過程如圖1和2所示，通過檢測外部磁場的強(qiáng)弱控制輸出導(dǎo)通或關(guān)斷，類似開關(guān)的作用。當(dāng)磁通量密度增大到一定值時(shí)，霍爾開關(guān)開始動(dòng)作輸出低電平，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的磁通量密度稱為工作點(diǎn)BOP，由于磁滯作用的影響，如果關(guān)掉中的和霍爾開關(guān)需要使磁通量密度低于某點(diǎn)，霍爾開關(guān)關(guān)斷，此時(shí)磁通量密度的數(shù)值稱為釋放點(diǎn)BRP。

圖1.單極型數(shù)字霍爾IC輸出特性

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圖2.雙極型數(shù)字霍爾IC輸出特性

數(shù)字霍爾器件的通常結(jié)構(gòu)如圖3所示由霍爾效應(yīng)片、電壓調(diào)節(jié)器、休眠喚醒控制電路、信號(hào)放大濾波電路、偏移補(bǔ)償電路、施密特觸發(fā)器，開漏極輸出（或推挽輸出）。

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圖3. 數(shù)字霍爾IC內(nèi)部結(jié)構(gòu)

三、TI霍爾傳感器技術(shù)在TWS耳機(jī)里的應(yīng)用

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在TWS藍(lán)牙耳機(jī)充電倉之中，往往放置了多塊磁鐵用以吸附耳機(jī)與倉蓋，每一塊磁鐵的極性朝向都會(huì)影響到霍爾IC感應(yīng)點(diǎn)的磁場感應(yīng)強(qiáng)度。若選用全極型霍爾IC，充電倉內(nèi)部磁場即使在倉蓋打開后仍會(huì)保持一個(gè)較高的值，不能達(dá)到霍爾IC的釋放點(diǎn)。因此倉蓋中應(yīng)使用與原倉內(nèi)磁場相反的磁極，并選用只對(duì)該極性動(dòng)作的單極型霍爾IC，避開其他磁極的干擾。此外，開關(guān)型霍爾IC內(nèi)部為邏輯控制電路，如圖4所示在輸入端放置濾波電容能夠提供一個(gè)干凈供電環(huán)境保證內(nèi)部邏輯能夠正常的工作，電容靠芯片越近，濾波效果越好，一般容量在0.1uF-10uF 。許多工程師計(jì)算開關(guān)霍爾IC與磁極的有效總氣隙時(shí)常常會(huì)遇到困難，TI提供了一個(gè)在線計(jì)算工具Hall Effect Switch Magnetic Field Calculator，并給出了TI霍爾開關(guān)產(chǎn)品在不同規(guī)格磁鐵下的感應(yīng)距離，為大家的設(shè)計(jì)提供參考與便利。

圖4.典型應(yīng)用電路

圖5. 有效總氣隙計(jì)算工具

TI推出的超低功耗DRV5032霍爾效應(yīng)開關(guān)，在TWS耳機(jī)里根據(jù)客戶不同的需求有表6中七個(gè)版本可供選擇。該IC具有較寬的供電電壓1.65-5.5 V，可由電池直接供電。其中采樣頻率為5 Hz的版本在1.8V的供電條件下電流消耗低至0.54 μA，20 Hz版本在3V的供電條件下電流消耗低至1.6 μA。兩種不同的封裝規(guī)格SOT-23（2.9*1.3）與X2SON（1.1*1.4），適用不同的倉內(nèi)結(jié)構(gòu)。此外，單極型版本的IC推挽輸出節(jié)省上拉電阻空間，有兩檔磁感應(yīng)靈敏度能夠提供準(zhǔn)確而穩(wěn)定的磁開關(guān)點(diǎn)。工作的溫度范圍支持-40 至 +85°C。

表6.DRV5032霍爾開關(guān)版本

同時(shí)，為幫助工程師快速開發(fā)設(shè)計(jì)，TI提供DRV5032的評(píng)估板、相關(guān)技術(shù)資料以及TWS耳機(jī)整體參考設(shè)計(jì)供設(shè)計(jì)參考。

• DRV5032 超低功耗、1.65V 至 5.5V 霍爾效應(yīng)開關(guān)傳感器評(píng)估模塊
• DRV5032評(píng)估板用戶指南
• TWS/無線耳機(jī)/頭戴式耳機(jī)/入耳式耳塞系統(tǒng)解決方案及參考設(shè)計(jì)
• TWS藍(lán)牙耳機(jī)介紹及TI低功耗方案

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編輯：fqj