使用 ALS31300 3D 霍尔效应传感器 IC 和 I2C 输出的高级功率管理
作者：Wade Bussing，
Allegro MicroSystems, LLC
摘要
随着人机界面设备的普及，人们越来越需要低成本、低功耗和外形紧凑的强大的非接触式感测解决方案。小型 DFN10 封装中的 Allegro ALS31300 3D 霍尔效应传感器 IC 非常适合触发器、按钮、旋转、操纵杆和 2D 滑块操纵杆应用。高度可配置的电源管理选项，包括低功耗占空比模式、睡眠模式和操作唤醒，使 ALS31300 适用于电池供电的应用，如无人机、相机平衡架，以及控制台和移动游戏控制器。本应用说明探讨了 Allegro MicroSystems 发售的、带 I2C 输出的 ALS31300 3D 线性霍尔效应传感器上独特而先进的低功率模式。
简介
ALS31300 是来自 Allegro MicroSystems 的 3D 线性霍尔效应传感器 IC。感测三个轴的磁场的能力使 ALS31300 高度通用，可利用来自两个轴的磁力数据感测任何轴运动或旋转运动。本应用说明将向用户解释专门针对特定应用需求的应用例子和设备配置。
ALS31300 传感器可以在 2.65 到 3.5 V 的供应电压下工作，功率管理可配置性高，可让效率最大化。ALS31300 的可用功率模式和典型供电电流如表 1 所列。
表 1：ALS31300 功率模式
| 工作模式 | 模式描述 | 电源电流 （典型） |
| 活跃模式 | 设备持续更新磁性和温度数据。 供应电流恒定。 |
ICC（活跃）≈ 3.4 mA |
| 休眠模式 | 设备处于接近断电的模式。 无 磁性或温度 数据更新。供应电流恒定。 |
ICC(SLEEP) ≈ 14 nA |
| 低功率工作 周期模式 (LPDCM) |
设备在 完全活跃和不活跃 状态之间切换。设备定期唤醒，以更新磁性和温度数据。 |
ICC（活跃） ≈ 3.4 mA ICC（不活跃） ≈ 12 μA |
ALS31300 的工作模式由休眠字段的值确定：地址 0x27，位 1:0。这些位可以随时访问，表 2 中亦有说明。
表 2：休眠寄存器
| 地址 | 位 | 值 | 工作模式 |
| 0x27 | 1:0 | 0 | 活跃模式 |
| 1 | 休眠模式 | ||
| 2 | 低功率工作周期模式 (LPDCM) |
休眠模式
在休眠模式中，ALS31300 处于接近断电的状态，仅消耗极少量的电流（一般为 14 nA）。在这个模式下，设备仍然会响应 I2C 命令，但不会更新磁力或温度数据。在不能禁用供电电压但需要少量电力消耗的情况下，休眠模式非常有用。退出休眠模式的时间相当于通电延迟时间 (tPOD)。
低功率工作周期模式 (LPDCM)
在低功率工作周期模式 (LPDCM) 下，ALS31300 在活跃和不活跃状态间切换，减少整体电流消耗。ALS31300 在低功率工作循环模式中的平均 ICC 取决于所使用的设置，可能在 12 μA 到 2 mA（典型）之间。
图 1 中的图解显示了在低功率工作周期模式下，ALS31300 在活跃和不活跃状态间切换时的 ICC 简况。
时长 tINACTIVE 由字段低功率模式最大次数决定：地址 0x27，位 6:4。ALS31300 为 tINACTIVE 提供八个离散的时间帧。tINACTIVE 的典型值在表 3 中列出。tINACTIVE 期间的典型 ICC ≈ 12 μA。
表 3：LPDCM 不活跃时间 (tINACTVE)
| 地址 | 位 | 值 | tINACTIVE (typ) (ms) |
| 0x27 | 6:4 | 0 | 0.5 |
| 1 | 1 | ||
| 2 | 5 | ||
| 3 | 10 | ||
| 4 | 50 | ||
| 5 | 100 | ||
| 6 | 500 | ||
| 7 | 1000 |
图 1 中显示的 tACTIVE 时间长度取决于两个设定：BW Select 和活跃信道的数量。
ALS31300 的磁性感测信道通过写入“1”到 信道 x en、信道 y en 和信道 z en 位而独立启用，如表 4 中所列。
表 4：信道启用控件
| 地址 | 位 | 值 | 描述 |
| 0x02 | 8 | 1 | 启用 Z 传感信道 |
| 7 | 1 | 启用 Y 传感信道 | |
| 6 | 1 | 启用 X 传感信道 |
BW Select 控制应用于样本磁性数据的筛选量。BW Select 和对应更新比率（典型）的值在表 5 中列出。
表 5：BW Select 和更新比率
| BW 选择 值 |
1 信道 更新率 |
2 信道 更新率 |
3 信道 更新率 |
–3 dB 带宽 |
|||
| μs |
kHz | μs | kHz | μs | kHz | kHz | |
| 0 | 160 | 6 | 330 | 3 | 495 | 2 | 3.5 |
| 1 | 80 | 13 | 170 | 6 | 255 | 4 | 7 |
| 2 | 40 | 25 | 90 | 11 | 135 | 7 | 14 |
| 3 | – | – | – | – | – | – | – |
| 4 | 64 | 16 | 138 | 7 | 207 | 5 | 10 |
| 5 | 32 | 31 | 74 | 14 | 111 | 9 | 20 |
| 6 | 16 | 63 | 42 | 24 | 63 | 16 | 40 |
| 7 | – | – | – | – | – | – | – |
每个 BW Select 值得出的噪音表现在表 6 中列出。
表 6：BW Select ，筛选模式和得出的噪音表现（与输入端有关）
| BW Select 值 |
FIR 已启用 | Z 信道 噪音 (G) |
X/Y 信道 噪音 (G) |
| 0 | 1 | 1.5 | 4 |
| 1 | 1 | 2 | 5 |
| 2 | 1 | 2.2 | 7 |
| 3 | – | – | – |
| 4 | 0 | 2 | 6 |
| 5 | 0 | 2.5 | 8 |
| 6 | 0 | 3.5 | 10 |
| 7 | – | – | – |
配置低功率工作周期模式
本章节将说明如何根据若干顶级系统要求配置低功率工作周期模式 (LPDCM)。在为 ALS31300 配置低功率运转时，用户应考虑具体应用的目标。本章节中的截屏来自 Allegro 软件门户上提供的 ALS31300 演示软件。
LPDCM 例子
假设 ALS31300 用在一个大约每 500 μs 就需要 X 和 Y 两个信道的新全分辨率磁性数据的系统中。
首先，在 EEPROM 选项卡下启用 X 和 Y 磁信道，禁用 Z 信道。带宽选择值设置为代码“0”，以实现满量程分辨率。请参阅图 2 中的截屏。注：出厂时，Allegro 会启用所有信道。
接下来，设置 LPM Count Max 的值，这个值控制 tINACTIVE 的时间长度。重新参考表 3，tINACTIVE ≈ 500 μs 的对应代码是代码“0”。设置 LPM Count Max 后，将休眠字段设为“2”即可使设备进入 LPDCM。这些可变设定在图 3 的截屏中显示。
得出的 ICC 概况文件在图 4 的范围图中显示。不活跃时间 (tINACTIVE)、活跃时间 (tACTIVE)、ICC(ACTIVE) 和 ICC(INACTIVE) 等主要参数均已突出显示。
请注意，即使 ALS31300 返回不活跃状态，I2C 命令也仍然会得到处理。这是因为 I2C 时钟 (SCLK) 在不同于主系统时钟的独立网域中处理。
在图 4 中，ICC 是使用示波器的不同探针（图 5）在 VCC 串联电阻器上测量电压而观测的。
估算 ICC 消耗
平均电流消耗可以根据图 4 中的范围图和 tACTIVE、tINACTIVE、ICC（活跃）和 ICC（不活跃）典型值估算。请记住，时间长度 tACTIVE
是 BW Select 设置和活跃信道的合并结果。
本例子中每个参数的典型值在表 7 中概括。
表 7：主要 LPDCM 参数的典型值
| 参数名称 | 典型值 | 单位 |
| tINACTIVE | 500 | μs |
| tACTIVE | 390 | μs |
| ICC(ACTIVE) | 3.4 | mA |
| ICC(INACTIVE) | 12 | μA |
如需有关定时和 BW Select 以及活跃信道数量的完整表格，请见附件 A 的表 8。
电流消耗可根据以下方程估算， LPDCM 下的平均 ICC：
使用 ALS31300“中断”功能的高级低功耗管理
ALS31300 的“中断”功能使需要较长电池寿命的应用进一步节省系统水平功率。这项技术使系统微控制器能够进入低功率状态，等待 ALS31300 的中断。
假设系统正在监控应用磁场的存在。例如，在存在大型外部磁场的情况下，电表可能会不准确。假设该电表对大于 300 高斯 (30 mT) 的磁场敏感。最后，假设系统的最大电流需要在由于停电而使用电池时降低。图 6 中展示了一个简版方框图。
为 LPDCM 初始化中断条件和配置设备
ALS31300 中断阈值可以对所有三个轴（X、Y 和 Z）单独配置。在这个例子中，每个轴的阈值都将被设为相当于 300 高斯的值。
在电表正常运行期间，ALS31300 将以完全活跃模式运行，休眠 = 0，因为功率消耗在这时候不成问题。在这种模式下，设备始终消耗典型的 ICC（活跃）值并持续更新磁性和温度数据。
假设电表检测到电网功率丢失，转回到备用电池，但仍然需要监控篡改事件或大型外部磁场。由于这些事件具有一定意义但并不危险，所以我们可以选择使 ALS31300 进入最高效的 LPDCM 状态。
首先，将 BW Select 设为最快的状态，代码 7。
接下来，将 LPM Count Max 设为代码 6，将 ALS31300 配置为最长的 tINACTIVE 时间。再次参考表 3，我们可以看到，代码 6 对应 500 ms 的 tINACTIVE 时间。
在这个模式下，平均 ICC 消耗仍然使用方程 1 及将符号替换为典型值来计算。启用 3 个信道且 BW Select = 7 的 tINACTIVE 典型值可以在附件 A 表 8 中找到。
.
现在，系统微控制器可以进入更深层的休眠状态，在存在大于 300 高斯的磁场的情况下，ALS31300 发出活跃的低“中断”信号，即可唤醒微控制器。
图 8 的范围图显示了所得出的 ICC 简况。tACTIVE 的持续时间相对于 tINACTIVE 而言非常短，以至于在示波器上显示为两个较小的狭缝。LPDCM 期间仍然会发生 I2C 事务
。
图 9 中的范围图显示了 ALS3100 响应大于 300 高斯磁场的“中断”管脚。INT 设备可以被用作电表微控制器的唤醒事件，提醒系统处理篡改事件。
附件 A
基于 BW SELECT 设置和活跃信道数量的活跃时间 (tACTIVE) 典型值完整表格在表 8 中显示。
表 8：典型活跃时间 (tACTIVE) 和活跃信道数量及 BW Select 值
| BW 选择 | 活跃通道 | 活跃时间 (tACTIVE) (μs) |
| 0 | 3 | 592 |
| 2 | 390 | |
| 1 | 218 | |
| 1 | 3 | 313 |
| 2 | 224 | |
| 1 | 135 | |
| 2 | 3 | 188 |
| 2 | 141 | |
| 1 | 114 | |
| 3 | – | – |
| – | – | |
| – | – | |
| 4 | 3 | 263 |
| 2 | 191 | |
| 1 | 119 | |
| 5 | 3 | 164 |
| 2 | 125 | |
| 1 | 84 | |
| 6 | 3 | 114 |
| 2 | 91 | |
| 1 | 69 | |
| 7 | – | – |
| – | – | |
| – | – |
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