霍尔传感器在表类防拆检测中的应用

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本帖最后由 alan000345 于 2020-9-1 23:14 编辑

作者： Yuan Tan

全球因为偷电和非技术性损失巨大，大大影响了供电部门和用户的利益。拆表是一种常见的非技术性损失，通过停表和减慢表等方式来少交电费。为了尽量杜绝这种现象的发生，防拆检测功能十分重要。

图1 表壳外观

传统的拆表检测可以用机械设计来完成。在表壳上做一个向下突起的部分，再在PCB对应的位置上放置一个按钮，使表壳突起的部分压住按钮，按钮的输出和MCU的input口链接。当有人打开了表壳，表壳和按钮分开，改变了MCU的输入，MCU报警。这种传统做法成本低，能耗小，但是使用上有很多限制。首先是可靠性的问题，因为按钮下压的不同高度可能会在运输安装途中误触发防拆检测。另外，如果按钮被卡住，防拆检测会直接失效。为了防止这种情况出现，需要使用高可靠性的开关和复位芯片，这会加大系统成本。

这里为大家介绍基于霍尔传感器的高可靠性，同时功耗低成本好的防拆检测方案。

1 使用霍尔开关的防拆检测方案

霍尔开关的输出可以显示磁通量密度相对于门槛值的出现和消失，单极性霍尔开关和双极性开关的输出如图：

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图2 单极性霍尔开关输出

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图3 双极性霍尔开关输出

因为双极性霍尔开关可以对南磁极和北磁极都响应，适用面更广而更适合用在防拆的场合。

在表壳开口上放一个磁铁，当表壳打开，磁铁远离霍尔器件，可以检测到的磁通量密度消失，改变霍尔开关的输出，从而实现监测。这种方案功耗可以做到很低，比如DRV5032的平均电流为0.54uA。

参考设计TIDA-00839提供了一种适用于电表的防拆方案。使用了双极性的霍尔开关DRV5033来实现。该设计使用了两组DRV5033，每组三个，来实现X/Y/Z三个方向的检测，两组霍尔分别放在易受磁攻击的电流互感器和电源变压器附近。

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图4 TIDA-00839 电路图

2 使用线性霍尔传感器的防拆检测方案

与霍尔开关和锁存器不同，线性霍尔传感器的输出并不是两个电平的切换，而是与磁通量密度成正比的值，可以实现更精确的测量。

想象一下，如果在拆开表壳时，在霍尔开关附近放置一个很大的外部磁铁，那么磁通量密度饱和，霍尔开关的输出不会改变，不能正确地反映出来被拆开的事实。而如果我们使用线性霍尔传感器，磁场的变化很可能改变输出的范围，从而被探测到，这样就提供了鲁棒性更强精确度更高的解决方案。

线性霍尔传感器的输出有不同的类型，比如：

1) DRV5055可以响应南北磁极，输出电压和磁通量密度成正比

2) DRV5056只响应南磁极，对于感应一个磁极的应用，此响应可以最大限度提高输出动态范围。对于单位磁通量密度的变化输出范围翻倍，磁性灵敏度也会翻倍。

3) DRV5057输出的是频率为2kHZ，占空比随磁通量密度变化的时钟。当存在电压噪声或接地电势失配时，可保持信号完整性。该信号适合嘈杂环境中的远距离传输，始终存在的时钟使得系统控制器能够确认具备良好的互连。

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图5 DRV5055 输出

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图6 DRV5056 输出

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图7 DRV5057 输出

3 使用3D线性霍尔传感器的防拆检测方案

在第一部分“使用霍尔开关的防拆检测方案”提到过，为了在三维层面探测磁通量密度，TIDA-00839将三个单轴线性霍尔传感器分别组成一组来进行探测。

而使用单颗3D线性霍尔传感器，例如TMAG5170，可以实现更广阔的探测范围，使得磁铁的安放位置更有灵活度。

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图8 3D线性霍尔传感器示意图

综上，本文介绍了三种基于霍尔传感器的高可靠性，同时功耗低成本好的防拆检测方案。霍尔开关的方案简单易行，功耗低。线性霍尔传感器的方案则解决了拆卸时外加磁场干扰的场景，提供了鲁棒性更强精确度更高的解决方案。最后简单介绍了使用3D线性霍尔传感器的防拆检测方案，可以实现更广阔的探测范围，使得磁铁的安放位置更有灵活度。