基於巨磁阻（GMR）感測技術的真正上電多圈感測器必將徹底改變工業和汽車用例中的位置感測市場，原因是相較於現有解決方案，其系統複雜性和維護要求更低。本文說明設計磁性系統時必須考慮的一些關鍵因素，以確保在要求嚴苛的應用中也能可靠運行；並且介紹一種磁性參考設計，方便早期採用該技術。

多圈感測器本質上是將磁寫入和電子讀取記憶體與傳統的磁性角度感測器相互結合，以提供高精度的絕對位置。在<具有真正上電能力與零功耗的多圈位置感測器（TPO）>文中描述的磁寫入過程，需要使用特定的操作視窗來維持入射磁場。如果磁場過高或過低，可能會導致磁寫入錯誤的出現。在設計系統磁體時必須小心仔細，並考慮可能干擾感測器的任何雜散磁場以及產品使用壽命內的機械公差。較小的雜散磁場可能會導致測量角度出現誤差，而較大的雜散磁場可能會導致磁寫入錯誤，進而引起總圈數錯誤。

磁性參考設計目標

設計出理想的磁體和遮罩需要仔細瞭解系統要求。一般來說，系統要求越寬鬆，達到目標規格所需的磁體解決方案尺寸越大、成本越高。ADI正在開發一系列滿足各種機械、雜散場和溫度要求的磁性參考設計，可供 ADMT4000 真正上電多圈感測器的客戶使用。ADI開發的第一個設計涵蓋了公差相對寬鬆的系統：感測器到磁鐵的距離為2.45 mm+/-1 mm，感測器到旋轉軸的總位移為+/-0.6 mm，工作溫度範圍為–40?C至+150?C，雜散磁場遮罩衰減大於90%。

磁性元件設計關鍵

設計磁體時，需要考慮一些關鍵注意事項，下一章節內容概述為GMR感測器進行設計時需要考慮的主要方面。

磁體材料

GMR感測器在定義的磁視窗1（6 mT至31 mT）內運行；此外，最大和最小工作範圍具有熱係數（TC），如圖ㄧ中的紅色跡線所示。選擇TC與GMR感測器匹配的磁體材料大幅提高工作磁場的允許變化範圍。這有助於增大磁體強度的變化和/或磁體相對於感測器的距離公差變化。鐵氧體等低成本磁性材料的TC遠遠高於GMR感測器，相較於釤鈷（SmCo）或釹鐵硼（NeFeB）等材料，其工作溫度範圍有限。

圖一 : 工作視窗與典型SmCo磁體的熱係數比較

瞭解所選磁性材料的TC以及由於製造差異而導致的磁場強度變化後，即可確定室溫（25°C）下所需的磁場強度。然後可以在室溫下進行設計模擬，同時系統將在整個溫度範圍內按預期運行的可信度高。如圖一所示，綠色實線代表磁體根據設計應在GMR感測器的活動區域範圍內產生的磁場強度視窗。由於磁性材料製造製程的差異，該視窗小於GMR感測器的最大和最小操作視窗。綠色虛線表示由於>5%的典型製造差異而產生的最大和最小預期磁場。

磁體模擬

機械操作環境中磁體的模擬可以採取不同的形式。通常用於設計磁體的模擬有兩種類型：解析模擬或有限元分析（FEA）。解析模擬使用被模擬磁體的整體參數（尺寸、材料）求解出磁場，除了假設磁體在空氣中運行之外，不考慮周圍環境。這是一種快速的計算，在沒有相鄰鐵磁材料時非常有用。FEA可以對較大磁性系統中含鐵材料的影響進行建模，在將磁體與雜散磁場遮罩或靠近磁體或感測器的鐵磁材料組合時，此操作非常重要。

FEA是一個耗時的過程，因此，它通常將解析分析中的基本磁體設計作為起點，FEA用於對磁體和雜散場遮罩的參考設計進行模擬。

磁體設計特性

模擬產生的參考設計磁體由一個具備整合鋼雜散場遮罩的SmCo磁體組成，該磁體採用注塑成型設計，因此能夠量產。SmCo磁體的注塑成型因能夠生產複雜的形狀而很常見，並且廣泛用於汽車和工業應用。該元件根據設計可與直徑為9mm的軸形成過盈配合；然而，透過對襯套進行修改可連接不同尺寸的軸。

磁體表徵

我們對磁體元件進行詳細的表徵，以展示GMR感測器的強大磁性解決方案。表徵的關鍵是能夠繪製在擴展的磁鐵到感測器距離視窗範圍內磁場強度在受控環境中的詳細圖。表徵成功的關鍵在於充分瞭解和校準所用的磁場探頭。圖二顯示在兩個不同氣隙下測量的磁場強度的示例，在整個工作溫度範圍和氣隙範圍內重複這些測量非常耗時，但此操作對於瞭解磁體性能以確保其在所需條件下正常運作至關重要。

圖二 : 氣隙為1.42 mm和2.45 mm的磁場分佈

@大標:結語

總而言之，參考設計磁體已被證明能夠滿足在–40°C至+150°C溫度下工作的要求，氣隙為2.45 mm+/-1 mm，與感測器軸向距離公差為+/-0.6 mm。

ADMT4000為首款整合式真正上電多圈位置感測器，必將明顯降低系統設計複雜性和工作量，最終實現體積更小、重量更輕和成本更低的解決方案。無論設計人員是否具備磁性設計能力，均能借助該參考設計為目前應用增加或改善現有功能，並為許多新應用打開大門。

（本文作者為ADI產品應用工程師Stephen Bradshaw、產品應用經理Christian Nau及策略行銷經理Enda Nicholl）