开关霍尔传感器DRV5032在TWS耳机设计的应用

作者:Haiwen Huang

TWSTrue Wireless Stereo, 真无线蓝牙耳机)需要检测充电仓盖的开合,以及耳机是否在位,在这一检测功能中,霍尔器件因为反应灵敏,体积小,功耗低,受到越来越多的客户的青睐。在本文中,我们将会介绍市场常见的开关监测方案,以及TI 霍尔传感器技术在TWS 耳机中的应用。

一、常规开关检测方案

1、机械弹针检测

机械弹针结构简单,对精度要求高,但是使用寿命短,易受粉尘、水汽、振动等因素影响,触点容易锈化,极易产生金属疲劳损坏。

2、磁簧开关检测

磁簧检测是通过磁铁感应密封在玻璃管内含有贵金属材料的触点。因此,该开关不受湿气或其他环境因素的影响,触点不会氧化,缺点是体积大、安装难、易损坏。

3、红外光电开关检测

红外光电开关把光发射器和接收器面对面地装在一个槽的两侧。发光器发出红外光,在开盖时接收器能收到光,合盖时槽中光线被遮挡,光电开关便动作。该方案优点是检测速度快,但功耗大,也怕灰尘水水汽等因素。

4、霍尔开关检测

通过霍尔效应对磁场变化进行检测,相对于簧片、机械式一类的开关,其数字输出干净平稳,不会出现抖动,没有冲击等情况的产生,寿命高、耐振动;相对于红外光检测,这种检测方式不怕油污、水汽和盐雾污染或腐蚀、不怕灰尘、功耗低、体积小、重量轻、安装方便。越来越多的TWS耳机开始选择开关型霍尔器件,耳机插入检测也逐渐从机械弹针方案转换为霍尔检测。

二、霍尔效应以及霍尔传感器技术的原理

霍尔效应是通电固体导体(或半导体)内部载流子在磁场受洛仑兹力形成偏移,继而产生感应电压差,最终洛仑兹力与电场力平衡的过程。霍尔效应常用于磁场测量、电信号测量等方向。

常用的霍尔器件按输出信号类型分为线性霍尔器件,开关霍尔器件和锁存霍尔器件。线性霍尔器件输出为模拟信号,输出电压与外部磁场的强弱通常成线性关系。数字霍尔器件输出为01的电平,其中根据感应磁极的特性不同数字霍尔器件可以分为单极型,双极型以及锁存型三种。工作过程如图12所示,通过检测外部磁场的强弱控制输出导通或关断,类似开关的作用。当磁通量密度增大到一定值时,霍尔开关开始动作输出低电平,该点对应的磁通量密度称为工作点BOP,由于磁滞作用的影响,如果关掉中的和霍尔开关需要使磁通量密度低于某点,霍尔开关关断,此时磁通量密度的数值称为释放点BRP

图1.单极型数字霍尔IC输出特性

图2.双极型数字霍尔IC输出特性

数字霍尔器件的通常结构如图3所示由霍尔效应片、电压调节器、休眠唤醒控制电路、信号放大滤波电路、偏移补偿电路、施密特触发器,开漏极输出(或推挽输出)。

 

3. 数字霍尔IC内部结构

三、TI霍尔传感器技术在TWS耳机里的应用

TWS蓝牙耳机充电仓之中,往往放置了多块磁铁用以吸附耳机与仓盖,每一块磁铁的极性朝向都会影响到霍尔IC感应点的磁场感应强度。若选用全极型霍尔IC,充电仓内部磁场即使在仓盖打开后仍会保持一个较高的值,不能达到霍尔IC的释放点。因此仓盖中应使用与原仓内磁场相反的磁极,并选用只对该极性动作的单极型霍尔IC,避开其他磁极的干扰。此外,开关型霍尔IC内部为逻辑控制电路,如图4所示在输入端放置滤波电容能够提供一个干净供电环境保证内部逻辑能够正常的工作,电容靠芯片越近,滤波效果越好,一般容量在0.1uF-10uF 。许多工程师计算开关霍尔IC与磁极的有效总气隙时常常会遇到困难,TI提供了一个在线计算工具Hall Effect Switch Magnetic Field Calculator,并给出了TI霍尔开关产品在不同规格磁铁下的感应距离,为大家的设计提供参考与便利。

图4.典型应用电路

图5. 有效总气隙计算工具

TI推出的超低功耗DRV5032霍尔效应开关,在TWS耳机里根据客户不同的需求有表6中七个版本可供选择。该IC具有较宽的供电电压1.65-5.5 V,可由电池直接供电。其中采样频率为5 Hz的版本在1.8V的供电条件下电流消耗低至0.54 µA20 Hz版本在3V的供电条件下电流消耗低至1.6 µA。两种不同的封装规格SOT-232.9*1.3)与X2SON1.1*1.4),适用不同的仓内结构。此外,单极型版本的IC推挽输出节省上拉电阻空间,有两档磁感应灵敏度能够提供准确而稳定的磁开关点。工作的温度范围支持-40 +85°C

6.DRV5032霍尔开关版本

同时,为帮助工程师快速开发设计,TI提供DRV5032的评估板、相关技术资料以及TWS耳机整体参考设计供设计参考。

 

  • 这个应用给了我很多启发,比如儿童乐园玩的钓鱼,不就是一个磁铁和一个铁石的互吸吗,

    在鱼竿端可以设计一款霍尔传感器,当钓到鱼的时候开始闪烁,一下增加了孩子的乐趣。

    这种小体积低功耗的非常时候,结合MSP430就根据完美的解决了低功耗需求。

  • 霍尔传感器虽然市面上很多,TI自主研发DRV5032的确值得推广,特别是超低功耗也是最为关注的参数,TWS设计中霍尔传感器的应用及工作中与外部磁场的关心,这些是崭新的吸收,并且提供的典型应用电路,对后期的电路累计学习也是有所帮助,TWS市场越来越广,技术新型百家齐放,耳机插入检测也逐渐从机械弹针方案转换为霍尔检测,相信霍尔传感器的技术也会越来越成熟可靠支持TWS的发展。

  • ti的霍尔传感器有几个特点 1 体积小采用标准 SOT-23 和小型 X2SON 封装 2 低功耗 1.6µA3 根据磁场不同有多种DRV5032霍尔开关选择 比如DRV5032ZE 有6.3mT的磁场强度,另外 还有完善的评估PCB板供选择调试 ,当施加的磁通量密度超过 BOP 阈值时,霍尔器件会输出低电压。输出会保持低电压,直到磁通量密度低于 BRP,随后输出将驱动高电压或变成高阻抗,具体取决于器件版本。通过集成内部振荡器,该器件可对磁场进行采样,并以 20Hz 或 5Hz 的速率更新输出,以实现最低电流消耗。在感应TWS耳机是否接触良好中应用很大。

  • TWS耳机相比传统耳机方便太多,将人从整理耳机线的烦恼中解放出来,市场巨大,方案也越发丰富。在这些检测耳机的方案中,个人认为比较看好霍尔开关检测以及红外光电开关检测,主要是倾向于他们的可靠性会更好。之前入手过一对200多TWS耳机,音质一般、功能一般,这些都可接受。但是经常发现耳机没电或者耳机掏出来发现它已经连接上手机并且在播放了。。。。。。观察发现,这款耳机是机械弹针检测,触点接触不好导致无法有效地检测出耳机是否置于充电仓内,导致耳机放进去了却认为没有放入而继续连接手机继续播放或者至于耳机仓内却认为取出去连接手机进行播放,这是“致命”缺陷。耳机连接稳定、快速这些特性固然能提升用户体验,然而最重要的是耳机能否正常使用,一对无法稳定检测耳机状态的耳机相信无法为消费者接受。因此,我认为霍尔开关检测以及红外光电开关检测的稳定性更好,能够保证耳机放置状态的正确检测,从而支撑耳机功能的正常运行。TI提供如此多贴心服务,期待更多的耳机厂商采用为我们带来优秀的耳机。

  • 个人觉得DRV5032最优秀的表现是宽的供电范围,这个在电池供电的情况非常重要;第二个表现就是低功耗,便携式设备必须考虑的因素。

    在检测开盖的设备中提供了新的思路,比如垃圾桶。