汽車輪速傳感器中智能芯片的應用

王玉寶

（浙江正泰汽車科技有限公司，浙江 溫州 325025）

轉速傳感器 （WSS）的主要功能是檢測車輪的速度，并將速度信號輸入ABS／ESP的控制單元，ABS／ESP控制單元通過對輪速傳感器信號的處理得到車輛的速度及各車輪轉動速度、狀態的信息。

隨著汽車電子技術的不斷發展以及總線通信技術在車輛上的不斷普及，輪速傳感器經歷了被動傳感器、主動傳感器、智能傳感器的發展階段。

1 輪速傳感器的分類及發展

1.1 電磁式輪速傳感器 （被動式輪速傳感器）

輪速傳感器最早的產品為利用電磁感應原理的磁電式輪速傳感器，主要結構見圖1。

雖然電磁式輪速傳感器具有結構簡單、成本低的特點，但由于其較差的低速檢出性、頻率特性和抗干擾性，以及較大的產品體積與鐵磁體目標齒輪一起的結構構成，增大了車輛輪轂單元體積，并增加了結構質量。隨著裝配霍爾元件／磁阻元件的主動式輪速傳感器大量應用而帶來的成本上的降低，電磁式輪速傳感器已經淡出乘用車應用領域，目前基本上只在商用車ABS系統中保持應用。

1.2 霍爾／磁阻式輪速傳感器 （主動式輪速傳感器）

主動式輪速傳感器主要通過芯片內的霍爾元件／磁阻元件，利用車輪帶動鐵磁體目標齒輪 （或磁輪）在輪速傳感器頭部附近轉動并產生磁通量的交變，通過元件芯片內部的信號處理電路將磁場的變化轉換成調制數字脈動電流輸出。ABS／ESP系統通過采樣電阻將調制數字脈動電流 （輪速傳感器領域目前標準值為：IH=14 mA／IL=7 mA）轉換為數字電壓脈沖信號，從而得到輪速數值。霍爾元件／磁阻元件的工作原理 （鐵氧體目標輪）、調制電流輸出分別如圖2、圖3所示。

圖1 電磁式輪速傳感器結構示意

圖2 霍爾／磁阻元件工作圖示

圖3 主動式輪速傳感器電流調制輸出圖示

主動式輪速傳感器以其優良的頻率響應特性、低至0 km的低速檢出特性、強大的抗干擾能力，同時可以提供緊湊的輪轂單元結構 （磁環與輪轂軸承整合）以有效降低輪轂單元的質量，已經全面在乘用車領域應用。同時隨著乘用車電子技術的不斷發展以及系統功能的不斷擴展，主動式輪速傳感器也在不斷發展進步，智能型輪速傳感器就是這個發展的一個成果。

2 Smart輪速傳感器介紹

普通主動式輪速傳感器的輸出信號只是一個隨著速度變化而產生頻率變化的數字脈動調制電流信號 （高電流14 mA、低電流7 mA），它只能給車輛控制系統提供一個基本輪速信號。

隨著車輛穩定控制ESP、坡道起步輔助HSA、牽引力控制TCS、電子差速鎖、自動泊車系統、自動駕駛系統等一系列高技術性附加系統功能的逐步推廣及發展，車輪轉動相關的其他信號需求也被生產廠家提了出來，例如車輪轉動方向信號的需求。隨之，大型主機廠及其傳感器供應商與芯片廠商合作開發推出了智能輪速傳感器芯片。

智能輪速傳感器的芯片目前主要由3家IC廠家在提供，分別是美國的Allegro公司、德國的NXP（恩智浦）、Infineon（英飛凌），而其中以NXP和Infineon的智能芯片在輪速傳感器領域應用最為廣泛。

3 Smart輪速傳感器芯片的分類

3.1 根據芯片工作機理來劃分

1）以NXP公司KMI系列為代表的各向異性磁阻效應（AMR）感應芯片。

2）Infineon公司、Allegro公司應用的霍爾效應感應芯片。

3.2 根據芯片輸出信號協議不同來劃分

3.2.1 根據調制電流脈沖寬度

利用調制電流脈沖寬度表示旋轉方向信息，包括Allegro公司的A1698芯片和Infineon公司的TLE-4942芯片。其典型應用電路與普通主動輪速傳感器的應用電路一致，只是推薦的負載電阻阻值不同，這一點在芯片應用時要特別注意。而這2個芯片的信息數據定義又分別不同。下面對這2款芯片分別進行介紹。

3.2.1.1 Allegro公司的A1698芯片

Allegro公司的A1698芯片，芯片采用了乘用車輪速傳感器領域通用的標準雙線數字電流調制輸出接口電路 （高電流14 mA／低電流7 mA），芯片可以提供速度和方向信息、安裝氣隙警告信息 （P尾綴型號）。2引腳SIP無鉛封裝。芯片外形見圖4。特點：真正的零速檢測能力；方向脈寬輸出協議；集成 EMC電容器；微型封裝；寬引線便于裝配；欠壓鎖定。

圖4 A1698封裝圖示

Allegro公司的A1698芯片，以調制的輸出電流脈沖及脈沖寬度提供轉動速度及轉動方向的信號。芯片內部集成了包含3個霍爾感應元件的信號處理電路和高溫陶瓷電容器 （2 200 pF），集成電容器提供了增強的電磁兼容性能。

A1698芯片的調制電流輸出規格與目前乘用車領域主動式輪速傳感器的輸出規格一致，均為低電流7 mA，高電流14 mA，輪速信號的信息以調制電流的脈沖數計算；而轉向信號則以電流脈沖的寬度來表示，A1698（-W尾綴型號）在正轉時輸出調制電流脈沖寬度為90 μs（標準值），反轉時脈沖寬度則為180 μs（標準值）；A1698的推薦使用負載電阻為100 Ω。

A1698利用芯片內部的3個霍爾感應元件在速度測量的同時實現對轉動方向的檢測。其旋轉方向定義、工作原理及輸出脈沖時序圖示見圖5、圖6、圖7。

圖5 A1698的旋轉方向定義

Allegro A1698在使用中的注意事項如下。

1）在以A1698為元件的輪速傳感器上電啟動階段，依據目標磁輪 （或鐵磁體齒輪）的設計、制造誤差，以及傳感器的安裝氣隙和目標磁輪 （齒輪）的相位誤差，傳感器輸出的方向信號會存在暫時不正確的現象。

2）在以A1698為元件的輪速傳感器正常工作階段，同樣會由于目標磁輪 （或鐵磁體齒輪）的設計以及目標磁輪（齒輪）的相位誤差影響，會導致傳感器輸出的方向信號出現短暫不正確的現象。

3）A1698芯片的-P尾綴型號以停止脈沖寬度的形式來提供安裝氣隙報警信號，45 μs（標準值）。

圖6 A1698基本工作原理

圖7 A1698輸出脈沖電流時序圖示說明

3.2.1.2 Infineon公司的TLE-4942芯片

Infineon公司的TLE-4942芯片，芯片也采用了乘用車輪速傳感器領域通用的標準雙線數字電流調制輸出接口電路 （高電流14 mA／低電流7 mA）。芯片可以提供速度和方向信息，具有正常工作狀態下的安裝氣隙診斷功能，相對于Allegro公司的A1698芯片來講，增加了安裝位置診斷功能。2引腳無鉛鍍錫封裝，包裝規格為：PGSSO-2-2（TLE4942-1C芯片），其中TLE4942-1C芯片集成了一片1.8 nF貼片電容。包裝規格及外觀見圖8。

圖8 TLE4942C芯片封裝

芯片特點：雙線式電流脈寬調制接口；旋轉方向檢測功能；氣息診斷功能；安裝位置診斷功能；動態自校準原理；單芯片方案；無需外接元件；高靈敏度；南北磁極預感應可能；高阻抗壓電效應；寬工作氣隙范圍；寬工作溫度范圍。

TLE4942芯片與Allegro公司的A1698芯片工作原理一致，均以調制電流脈沖寬度的形式來表示希望輸出的信號內容，但它們的數據定義不同 （EL信號疊加時的脈沖寬度變化），所以應用時無法互相替換，這一點在應用時要特別注意。其推薦負載電阻為75 Ω。TLE4942的輸出信號說明如下。

1）氣隙范圍報警信號 （Warning） 當磁場強度小于臨界值 （如霍爾元件與目標輪之間的距離達到臨界值時），報警信息通過輸出脈沖寬度變化表示，此時傳感器將工作在簡單功能狀態。報警信息只在校準模式時輸出。磁場強度范圍定義見圖9。

圖9 TLE4942磁場強度范圍定義

2）安裝范圍報警信號 （EL） 當磁場強度小于預先設定值 （如霍爾元件與目標輪之間的距離超過預先設定值時），EL信息通過輸出脈沖寬度變化表示，此時傳感器工作于全功能狀態。

3）右轉信號 （DR-R） 當目標輪在霍爾元件的前部從信號引腳轉向電源引腳時，DR-R信息通過輸出脈沖寬度變化表示。

4）左轉信號 （DR-L） 當目標輪在霍爾元件的前部從電源引腳轉向信號引腳時，DR-L信息通過輸出脈沖寬度變化表示。在外部磁場強度充足的條件下，轉向信號在未校準模式后的2個脈沖期間得到校正。TLE4942旋轉方向定義說明見圖10。

圖10 TLE4942轉動方向定義

TLE4942芯片速度信號通過所包含的一對相距2.5 mm的霍爾感應元件、一個包含噪聲抑制低通濾波器的差動放大器、一個進行輸出電流切換的比較觸發器來實現。同時還有一個由信號跟蹤模數轉換器、一個數字信號處理器（DSP）及一個偏差補償數模轉換器構成的偏差補償反饋環路。在芯片上電期間信號輸出被置于無效狀態 （低電流）。TLE4942芯片的調制電流脈沖PWM輸出說明，見圖11。

圖11 TLE4942PWM電流接口定義

脈沖寬度調制電流接口：每次磁場變換與相對應的輸出電流上升沿之間的時間差被稱為tpre-low，它被用來確保信號內部傳輸的可靠性。隨后的信號脈沖 （高電流）為輸出。tpre-low典型值定義為45 μs。

如果磁場變化差值超出ΔBEL范圍，輸出脈沖寬度則根據旋轉方向分別以90 μs或180 μs響應。如果大量磁場變化差值低于ΔBEL范圍，輸出脈沖寬度則根據左右旋轉方向分別以360 μs或720 μs響應。由于高頻運轉下信號周期時間逐漸減少，這些寬幅輸出脈沖只在117 Hz內有效。在比這個頻率高的場合，如果大量磁場變化差值低于ΔBEL范圍，輸出脈沖寬度則只根據左右旋轉方向分別以90 μs或180 μs響應。如果大量磁場變化差值低于ΔBWarning范圍，輸出脈沖寬度則以45 μs響應。警告輸出信號具有統治權，這意味著在接近極限氣隙的安裝條件下，轉向信號和安裝位置信號將被置于無效狀態。

當大量磁場變化差值低于ΔBLimit范圍則信號丟失，在信號無法被檢出且時間超過靜止周期TStop時，傳感器將輸出停止脈沖。在第1個停止脈沖輸出的同時，傳感器內部電路將回歸至非標定狀態。圖12為停止信號輸出脈沖定義。

使用注意如下。

1）在極個別條件下，在標定過程中可編程增益放大器有可能發生進一步切換，這種情況發生在信號值非常接近PGA切換閥值的條件下，該切換會導致標定模式的進入延遲2個以上脈沖。這種狀況的發生主要取決于實際裝車狀況下的磁場曲線幅值變化。

2）方向檢測同樣在非標定模式下有效，但必須基于充分的環境磁場信號強度。正確的方向信息最遲在標定模式下的最初2個輸出脈沖后有效。在上述最惡劣條件下并結合其它初始條件，可能導致正確的方向信息在9個輸出脈沖后有效。

3）應用系統在使用這些附加信息信號時，必須注意轉動頻率對信號的影響，必須在規定的頻率范圍之內正確使用，否則會導致錯誤的產生。

Infineon公司的產品中與TLE4942類似功能的產品還有TLE4955C芯片，其輸出定義與TLE4942基本類似，只是正反轉的脈沖寬度定義不一致。TLE4955C中，正轉脈沖寬度典型值為45 μs；反轉脈沖寬度典型值為90 μs。它們之間是不能直接替換的。

3.2.2 AK數據通信協議編碼形式輸出

AK數據通信協議編碼是由VW、AUDI、PORSCHE、BMW、DAIMLERCHRYSLER、RENAULT等幾大汽車制造商共同商討制定的一個關于智能輪速傳感器輸出信號的數據格式定義，它將速度信息、方向信息、氣隙狀態等傳感器工作相關信息以脈沖編碼的形式定義為一個統一的數據格式。目前這種輸出數據通信規格的輪速傳感器已經廣泛應用在這些制造商生產的車輛當中。目前采用AK信號協議的智能輪速傳感器芯片主要有兩家，它們分別是Infineon公司的TLE4943C芯片和NXP公司的KMI25芯片。下面將對這兩款芯片分別進行詳細介紹。

3.2.2.1 Infineon公司的TLE4943C芯片

Infineon公司的TLE4943C芯片是Infineon公司基于AK信號協議開發的一款智能輪速傳感器芯片，見圖13。

圖12 停止信號輸出脈沖定義

圖13 TLE4943C外觀圖

它具有以下特點：AK通信協議的雙線調制電流接口；霍爾原理測量；集成了磁場傳感器用于車輪轉速測量；旋轉方向的檢測；安裝氣隙狀態的檢測信息；單芯片方案；高靈敏度；寬范圍工作氣隙；磁場預感應功能；車用級工作溫度范圍：TJ=-40℃to 150℃；1.8 nF成型包覆電容；寬電壓工作范圍；無鉛涂層的環保封裝。

TLE4943C芯片通過磁環或鐵氧體目標輪產生的磁場強度變化來測量它們的轉動，并以信號輸出的形式體現出來轉動參數 （測量鐵氧體目標輪的轉動時，需要在芯片背面施加一個背磁鐵）。TLE4943C芯片內集成了3個霍爾元件，利用它們芯片可以測量目標輪轉動的速度、方向等轉動信息。基于AK信號協議，TLE4943C根據轉動輸出3個層次的電流 （28 mA、14 mA、7 mA）組成轉動相關的信息。TLE4943C的信號時序及旋轉方向定義分別見圖14、圖15。TLE4943C的推薦負載電阻為50 Ω。典型應用電路見圖16。

圖14 TLE4943C脈沖時序圖

圖15 TLE4943C選裝正方向定義

圖16 TLE4943C典型應用電路圖

TLE4943C的輸出信號在遵循AK信號協議的基礎上，具體定義和編碼脈沖圖如圖17所示。

AK編碼信息在不同工作頻率下的傳輸：正常旋轉速度下 （信號頻率低于1 800 Hz），速度脈沖及8位編碼脈沖均可以被正常傳輸給信號接收單元；其他頻率條件下的傳輸詳見圖18。

由圖18可見，在工作頻率2 800 Hz以內，TLE4943C可以正常輸出方向信號信息，而超出這個頻率范圍后，芯片的輸出信號中就不含轉動方向信息了。這一點在應用中要重視。

當芯片在一個大于停止時間tstop（150 ms）的周期內沒有檢測到目標輪轉動引起的外部磁場變化，芯片將開始以停止協議發送數據。停止協議信號的發送周期為150 ms±20%。停止協議的信號唯一的變化就是以14 mA的幅度發送一個虛擬速度脈沖信號，其他編碼信號均與正常工作狀態下一致。這也是遵循AK信號協議的指定實施的。

圖17 TLE4943C編碼定義及編碼脈沖圖示

圖18 TLE4943C編碼不同頻率下的傳輸

TLE4943C應用上需注意以下幾點。

1）TLE4943C推薦的典型應用電路與負載電阻阻值（50 Ω）和其他的Infineon輪速傳感器芯片有所不同，在芯片的應用過程中，要引起注意。

2）TLE4943C芯片在高頻率條件下工作時，會有部分編碼位的數據丟失，所以在應用系統設計時，必須考慮好高頻率條件下的信號處理問題，避免不必要的報錯。

3.2.2.2 NXP公司的KMI25芯片

NXP公司的KMI25芯片是NXP公司利用AK信號協議開發的一款基于各向異性磁阻效應的AMR元件智能輪速傳感器芯片，KMI25依據尾綴數字的不同可分為微尺寸背磁磁鐵的KMI25／2和中尺寸背磁磁鐵的KMI25／4，芯片封裝說明見圖19。其中，KMI25／2應用于磁輪；KMI25／4應用鐵氧體材料目標輪。

芯片特點：系統封裝；兩線電流調制接口；旋轉方向檢測；AK通信協議的數字編碼輸出格式；寬工作氣隙范圍；寬工作溫度范圍；高防靜電 （ESD）特性；極低的信號抖動；符合汽車領域的AEC-Q100 Rev-G標準 （AEC組織所制訂的車用可靠性測試標準）。

圖19 KMI25封裝說明

KMI25通過芯片內部的磁阻元件利用各向異性磁阻效應（AMR）對目標輪運動產生的磁場強度變化進行測量，其中KMI／2是利用作用在AMR電橋上的外部磁輪轉動產生的磁場變化來進行檢測；而KMI／4則是通過芯片所附的一塊中尺寸磁鐵利用外部鐵氧體齒輪的轉動引起的磁場變化來檢測的。

芯片內部通過對變化磁場的檢測，利用芯片內部電路對檢測信號的處理，將其轉換為一系列含有速度、方向等信息的7 mA、14 mA、28 mA的調制電流輸出。KMI25／2及KMI／4的旋轉方向定義見圖20。

圖20 KMI25／2， KMI／4正向旋轉定義

KMI25芯片的輸出信號在遵循AK信號協議的基礎上，具體定義和編碼位如圖21所示。

KMI25工作模式中有一個低速工作模式，它是在芯片檢測出外部磁場變化頻率低至1 Hz時，進入低速工作模式。它作為芯片的待機模式，在此模式下，芯片內部的一些普通功能和算法將被暫停，直至芯片檢測出超過1 Hz變化頻率的外部磁場動作。如果芯片在150 ms內沒有檢測出過零切換信號，芯片會以最少150 ms的間隔輸出一個虛擬速度脈沖（14 mA幅度），這一點上是與TLE4943C相同的。KMI25的典型應用電路與TLE4943C相同，推薦負載電阻也是50 Ω。

圖21 KMI25的AK信號協議編碼位定義

4 結束語

以上分別介紹了幾款智能輪速傳感器芯片，針對這些不同芯片的輸出，分別對應不同的ABS、ESP控制系統，速度信號、轉向信號、工作氣隙信號等一系列的信號都要通過系統的解析，轉換成系統工作需要的信號格式，并通過總線技術 （如CAN總線通信）發送給其他需要使用系統。

隨著車輛穩定控制ESP、坡道起步輔助HSA、牽引力控制TCS、電子差速鎖、自動泊車系統、自動駕駛系統等一系列高技術性附加功能系統的不斷普及應用在普通轎車上，同時電子產品的成本也在不斷下降，智能輪速傳感器的價格會越來越低，隨之而來的是智能輪速傳感器應用的不斷擴展和壯大。