Other Parts Discussed in Post: DRV5033, TIDA-00839, TMAG5170
作者： Yuan Tan
全球因為偷電和非技術(shù)性損失巨大，大大影響了供電部門和用戶的利益。拆表是一種常見的非技術(shù)性損失，通過停表和減慢表等方式來少交電費。為了盡量杜絕這種現(xiàn)象的發(fā)生，防拆檢測功能十分重要。
圖1 表殼外觀
傳統(tǒng)的拆表檢測可以用機(jī)械設(shè)計來完成。在表殼上做一個向下突起的部分，再在PCB對應(yīng)的位置上放置一個按鈕，使表殼突起的部分壓住按鈕，按鈕的輸出和MCU的input口鏈接。當(dāng)有人打開了表殼，表殼和按鈕分開，改變了MCU的輸入，MCU報警。這種傳統(tǒng)做法成本低，能耗小，但是使用上有很多限制。首先是可靠性的問題，因為按鈕下壓的不同高度可能會在運輸安裝途中誤觸發(fā)防拆檢測。另外，如果按鈕被卡住，防拆檢測會直接失效。為了防止這種情況出現(xiàn)，需要使用高可靠性的開關(guān)和復(fù)位芯片，這會加大系統(tǒng)成本。
這里為大家介紹基于霍爾傳感器的高可靠性，同時功耗低成本好的防拆檢測方案。
1 使用霍爾開關(guān)的防拆檢測方案
霍爾開關(guān)的輸出可以顯示磁通量密度相對于門檻值的出現(xiàn)和消失，單極性霍爾開關(guān)和雙極性開關(guān)的輸出如圖：
圖2 單極性霍爾開關(guān)輸出
圖3 雙極性霍爾開關(guān)輸出
因為雙極性霍爾開關(guān)可以對南磁極和北磁極都響應(yīng)，適用面更廣而更適合用在防拆的場合。
在表殼開口上放一個磁鐵，當(dāng)表殼打開，磁鐵遠(yuǎn)離霍爾器件，可以檢測到的磁通量密度消失，改變霍爾開關(guān)的輸出，從而實現(xiàn)監(jiān)測。這種方案功耗可以做到很低，比如DRV5032的平均電流為0.54uA。
參考設(shè)計TIDA-00839提供了一種適用于電表的防拆方案。使用了雙極性的霍爾開關(guān)DRV5033來實現(xiàn)。該設(shè)計使用了兩組DRV5033， 每組三個，來實現(xiàn)X/Y/Z三個方向的檢測，兩組霍爾分別放在易受磁攻擊的電流互感器和電源變壓器附近。
圖4 TIDA-00839 電路圖
2 使用線性霍爾傳感器的防拆檢測方案
與霍爾開關(guān)和鎖存器不同，線性霍爾傳感器的輸出并不是兩個電平的切換，而是與磁通量密度成正比的值，可以實現(xiàn)更精確的測量。
想象一下，如果在拆開表殼時，在霍爾開關(guān)附近放置一個很大的外部磁鐵，那么磁通量密度飽和，霍爾開關(guān)的輸出不會改變，不能正確地反映出來被拆開的事實。而如果我們使用線性霍爾傳感器，磁場的變化很可能改變輸出的范圍，從而被探測到，這樣就提供了魯棒性更強(qiáng)精確度更高的解決方案。
線性霍爾傳感器的輸出有不同的類型，比如：
1) DRV5055可以響應(yīng)南北磁極，輸出電壓和磁通量密度成正比
2) DRV5056只響應(yīng)南磁極，對于感應(yīng)一個磁極的應(yīng)用， 此響應(yīng)可以最大限度提高輸出動態(tài)范圍。對于單位磁通量密度的變化輸出范圍翻倍，磁性靈敏度也會翻倍。
3) DRV5057輸出的是頻率為2kHZ，占空比隨磁通量密度變化的時鐘。當(dāng)存在電壓噪聲或接地電勢失配時，可保持信號完整性。該信號適合嘈雜環(huán)境中的遠(yuǎn)距離傳輸，始終存在的時鐘使得系統(tǒng)控制器能夠確認(rèn)具備良好的互連。
圖5 DRV5055 輸出
圖6 DRV5056 輸出
圖7 DRV5057 輸出
3 使用3D線性霍爾傳感器的防拆檢測方案
在第一部分“使用霍爾開關(guān)的防拆檢測方案”提到過，為了在三維層面探測磁通量密度，TIDA-00839將三個單軸線性霍爾傳感器分別組成一組來進(jìn)行探測。
而使用單顆3D線性霍爾傳感器，例如TMAG5170，可以實現(xiàn)更廣闊的探測范圍，使得磁鐵的安放位置更有靈活度。
圖8 3D線性霍爾傳感器示意圖
綜上，本文介紹了三種基于霍爾傳感器的高可靠性，同時功耗低成本好的防拆檢測方案。霍爾開關(guān)的方案簡單易行，功耗低。線性霍爾傳感器的方案則解決了拆卸時外加磁場干擾的場景，提供了魯棒性更強(qiáng)精確度更高的解決方案。最后簡單介紹了使用3D線性霍爾傳感器的防拆檢測方案，可以實現(xiàn)更廣闊的探測范圍，使得磁鐵的安放位置更有靈活度。
相關(guān)資料：
Read the application note, “Linear Hall Effect Sensor Angle Measurement Theory, Implementation, and Calibration,” about the use of linear Hall effect sensors for angle measurement.
Magnetic Tamper detection using low-power hall effect sensors reference design (TIDA-00839)
Check out the Hall effect training video series.
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