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IC-MZDFN10

器件型号:IC-MZDFN10
厂商名称:iC-Haus GmbH
厂商官网:http://www.ichaus.biz
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DIFFERENTIAL HALL SWITCH

IC-MZDFN10器件文档内容

iC-MZ                                                                                        Rev A2, Page 1/11

DIFFERENTIAL HALL SWITCH                                            APPLICATIONS
                                                                    o Gear wheel sensing
FEATURES                                                            o Pole wheel and magnetic tape

o Dual Hall sensors set 2.0 mm apart                                   scanning
o Magnetic field frequency range from DC to 40 kHz                  o Magnetic incremental encoders
o Supply voltage range 4.5 to 36 V                                  o Proximity switches
o Complementary push-pull line driver outputs with integrated       o Two-channel line drivers up to

    line adaptation                                                    100 kHz
o Output stages are current limited and short-circuit-proof due to
                                                                    PACKAGES
    temperature shutdown
o Min. 200 mA output current at 24 V supply voltage
o Low driver stage saturation voltage (< 0.4 V at 30 mA)
o RS422-compatible (TIA / EIA standard)
o Temperature and supply voltage monitor with error messaging
o Amplified differential sensor signal, accessible for diagnostic

    purposes
o Additional mode of operation (twofold line driver)

                                                                                    DFN10 4 mm x 4 mm

BLOCK DIAGRAM             4.5 ... 36 V

                 VPA            VB

                                                                                 D  LINE
                                                                                ND
GND1
                                                                                 A
                                                                                NA
                                                                           NERR

                                                                            TEST
                                                                    GND2

Copyright 2010 iC-Haus                                                            http://www.ichaus.com
iC-MZ

DIFFERENTIAL HALL SWITCH

                                                                                       Rev A2, Page 2/11

DESCRIPTION

Hall-effect device iC-MZ is a differential magnetic       switched to high impedance. Following a delay of
sensor used to scan pole wheels or ferromagnetic          about 200 s the analog outputs are activated and
gear wheels. It contains two Hall sensors set 2.0 mm      the status of the two Hall sensors ist transmitted by
apart, a differential amplifier with a back-end com-      the line drivers if the difference in field strength is suf-
parator and a complementary line driver. A difference     ficiently strong.
in field strength of the magnetic normal components
at iC-MZ's two Hall elements is amplified and eval-       The complementary line drivers are suitable for sup-
uated as an analog signal and fed to the integrated       ply voltages of 4.5 to 36 V with output impedances
line drivers as a complementary digital signal. The       between 40 and 110 . An integrated over temper-
digital output signal tracks the change in sign of the    ature and undervoltage monitor switches the output
field strength difference with a given hysteresis and     stages to high impedance in the event of error and
thus provides a clear switch.                             activates the open drain output NERR.

With a moving gear or pole wheel the frequency of         By activating the TEST input the device can be used
the tooth or pole pair corresponds to the frequency       as an independent two-channel line driver. In this
of the output signal. The amplified analog differential   case, the outputs D and ND are controlled by the in-
sensor signal is available for diagnostic purposes at     puts A and NA.
pins A and NA.
                                                          The analog section of the iC-MZ circuit is fed by an
Once the device has been switched on the digital out-     internal supply of 5 V which is available at pin VPA
puts are initially in a predefined start state with D at  for reference purpose. To improve signal quality, a
low and ND at high; the analog outputs A and NA           capacitor can be connected to this pin.

PACKAGES

PIN CONFIGURATION                                         PIN FUNCTIONS
                                                          No. Name Function

                                                          1 GND1 Ground

                                                          2D    Digital Output, not inverted

             1              10                            3 VB Supply Voltage

             2              9                             4 ND Digital Output, inverted

             3     iC-MZ    8                             5 GND2 Ground

             4     ...      7                             6 TEST Linedriver Test Mode

                   ...yyww                                7 NERR Error Output, open drain

             5              6                             8 VPA Internal 5 V Supply Voltage

                                                          9 NA Analog Output, invertiert

                                                          10 A  Analog Output, non invertierend

For improved thermal dissipation the thermal pad on the package underside should be connected to ground in a
suitable manner (ground plane). GND1 and GND2 should both be connected to ground.
Orientation of the logo ( MZ CODE ...) is subject to alteration.
iC-MZ

DIFFERENTIAL HALL SWITCH

                                                                                                                        Rev A2, Page 3/11

ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS

Beyond these values damage may occur; device operation is not guaranteed. Absolute Maximum Ratings are no Operating Conditions.
Integrated circuits with system interfaces, e.g. via cable accessible pins (I/O pins, line drivers) are per principle endangered by injected
interferences, which may compromise the function or durability. The robustness of the devices has to be verified by the user during system
development with regards to applying standards and ensured where necessary by additional protective circuitry. By the manufacturer
suggested protective circuitry is for information only and given without responsibility and has to be verified within the actual system with
respect to actual interferences.

Item Symbol    Parameter                            Conditions                                                     Min.                   Unit
No.                                                 HBM 100 pF discharged through 1.5 k                            -0.4      Max.
G001 VB       Supply Voltage                                                                                      -0.4
G002 V()      Voltage at D, ND, NERR                                                                              -0.4      40   V
G003 V()      Voltage at A, NA, TEST                                                                              -100
G004 I(VB)    Current in VB                                                                                       -600      40   V
G005 I()      Current in D, ND                                                                                    -10
G006 I(NERR)  Current in NERR                                                                                      -4       6    V
G007 I()      Current in A, NA, TEST
G008 Vd()     Susceptibility to ESD at all pins                                                                   -40       100  mA
G009 Tj       Operating Junction Temperature                                                                      -40
G010 Ts       Storage Temperature Range                                                                                     600  mA

                                                                                                                             30   mA

                                                                                                                             4    mA

                                                                                                                             1    kV

                                                                                                                             150  C

                                                                                                                             150  C

THERMAL DATA

Operating Conditions: VB = 4.5..36 V, unless otherwise stated

Item Symbol Parameter                               Conditions                                                                                    Unit
No.                                                                                                                Min. Typ. Max.

T01 Ta         Operating Ambient Temperature Range                                                                 -40       +125 C

T02 Rtjc       Thermal Resistance Chip/Case                                                                              10       K/W
T03 Rthja      Thermal Resistance Chip/Ambient
                                                    Mounted on PCB, with thermal pad of 2 cm2                            40       K/W

All voltages are referenced to ground unless otherwise stated.
All currents flowing into the device pins are positive; all currents flowing out of the device pins are negative.
iC-MZ

DIFFERENTIAL HALL SWITCH

                                                                                                   Rev A2, Page 4/11

ELECTRICAL CHARACTERISTICS

Operating Conditions: VB = 4.5..36 V, Tj = -40...135 C unless otherwise stated

Item Symbol Parameter                              Conditions                                                                   Unit
No.                                                                                          Min. Typ. Max.

General

001 fmagn    Magnetic Cut-off Frequency            (upper 3 dB frequency corner)                   40        kHz

002 VB       Permissible Supply Voltage                                                      4.5        36   V

003 I(VB)    Supply Current in VB                  open outputs, fmagn = 0                         9    12   mA

004 |Hdc|    Magnitude of mean magnetic            |Hdc| = |H1 + H2| / 2,                          400       kA/m
             field strength                        Outputs A, NA not saturated

005 |H|      Maximal magnetic field difference |H| = |H1 - H2|                                     120       kA/m
006 Ht,hi
007 Ht,lo    Upper magnetic trigger threshold Output D lo  hi for H > Ht,hi                        2         kA/m
008 Ht,hys
009 Vc()lo   lower magnetic trigger threshold Output D hi  lo for H < Ht,lo                        -2        kA/m

             Hysteresis                            Ht,hys = Ht,hi - Ht,lo                          4         kA/m

             Clamp Voltage lo at Pins VB, I() = -10 mA                                       -1.4       -0.35 V

             VPA, VPD, A, NA, D, ND, NERR,

             TEST

010 Vc()hi   Clamp Voltage hi at Pins VB,          I(VB) = 10 mA, Test = hi, I(NERR) = 1 mA  37         50   V
             NERR

011 Vc()hi   Clamp Voltage hi at Pins VPA, I(VPA, VPD) = 10 mA, I(A, NA, TEST) = 2 mA        6          20   V
             VPD, A, NA, TEST

012 tsetup   System enable                         from power on to activating outputs             200 400   s

013 I(VB)    Supply Current in VB, Test Mode open outputs, Test = hi (line driver mode)                 6    mA

Temperatur Monitor

301 Toff     Thermal Shutdown Threshold                                                      145        175  C

302 Ton      Thermal Lock-on Threshold                                                       135        165  C

303 Thys     Thermal Shotdown Hysteresis Thys = Ton - Toff                                   5     10   20   C

Differential Outputs A, NA, Line Driver Test Mode

501 Rout()   Output resistance                                                               14    20   28   k

503 Vdc()    Mean output voltage                   H = 0                                     1.5 1.8 2.1     V

504 |V()|    Output voltage difference             |H| = 1kA/m, |V()| = |V(A) - V(NA)|             70        mV

505 Vt()hi   Input Threshold Voltage hi            TEST = hi (Leitungstreibermodus)                     2    V

506 Vt()lo   Input Threshold Voltage lo            TEST = hi (Leitungstreibermodus)          0.8             V

507 Vt()hys Input Hysteresis                       TEST = hi (Leitungstreibermodus)          0.2 0.4 0.6     V

508 Ipd()    Pull-Down Current                     V() = 0.8 V, TEST = hi                    10         100 A

509 Ipd()    Pull-Down Current                     V() = 5.5 V, TEST = hi                    20         200 A

Error Output NERR

601 Vs()lo   Saturation Voltage lo at NERR I(NERR) = 2.5 mA, NERR = lo                                  0.4  V

602 Isc()lo  Short-Circuit Current lo in NERR V(NERR) = 2 V...VB, NERR = lo                  4     12   25   mA

603 Ilk()    Leakage Current in NERR               V(NERR) = 5.5 V...VB, NERR = hi           -10        10   A

604 VB       Supply Voltage VB for NERR            I(NERR) = 2.5 mA, NERR = lo,              3.2             V
             Function                              Vs(NERR) < 0.4 V

605 Rpu()    Pull-Up-Resistor at NERR              V(NERR) = 0...4.5 V                       1     2.5 5.5 M

Test Mode NERR, TEST

704 Rpd(TEST) Pull-Down Resistor at TEST           Test Mode = off, V(TEST)  VPA             11    20   36   k

710 Vt(TEST)hi Threshold Voltage hi at TEST                                                             2    V

711 Vt(TEST)lo Threshold Voltage lo at TEST                                                  0.8             V

712 Vt(TEST)hy Hysteresis                                                                    0.2 0.4 0.6     V

713 Vt(NERR)hi Threshold Voltage hi at NERR Test = hi                                                   2.5  V
iC-MZ

DIFFERENTIAL HALL SWITCH

                                                                                       Rev A2, Page 5/11

ELECTRICAL CHARACTERISTICS

Operating Conditions: VB = 4.5..36 V, Tj = -40...135 C unless otherwise stated

Item Symbol Parameter                          Conditions                                                           Unit
No.                                                                              Min. Typ. Max.

Line Driver D, ND

801 Vs()hi         Saturation Voltage high     Vs()hi = VB - V(),                          0.2   V
                                               I() = -10 mA, output = hi

802 Vs()hi         Saturation Voltage high     Vs()hi = VB - V(),                          0.4   V
                                               I() = -30 mA, output = hi

803 Isc()hi        Short circuit current high  V() = VB - 1.5 V, output = hi     -70 -50 -35 mA

804 Isc()hi        Short circuit current high  V(Ax) = 0 V, output = hi          -600            mA

805 Rout()hi Output resistance                 VB = 10...36 V, V() =0.5 * VB     40    75 110   

806 SR()hi         Slew Rate high              VB= 36 V, Cl() = 100 pF           100 250         V/s

807 Vc()hi         Free Wheel Clamp Voltage high I() = 100 mA,                   0.5       1.3   V
                                                                 VB = VCC = GND

808 Vs()lo         Saturation Voltage low      I() = 10 mA, output = lo                    0.2   V

809 Vs()lo         Saturation Voltage low      I() = 30 mA, output = lo                    0.4   V

810 Isc()lo        Short circuit current low   V() = 1.5 V, output = lo          35    50  70    mA

811 Isc()lo        Short circuit current low   V() = VB, output = low                      600 mA

812 Rout()lo Output resistance                 VB = 10...36 V, V() = 0.5 * VB    40    75 110   

813 SR()lo         Slew Rate low               VB = 36 V, Cl() = 100 pF          100 250         V/s

814 Vc()lo         Free Wheel Clamp Voltage low I() = -100 mA                    -1.3      -0.5  V

815 Ilk()          Leakage Current in D, ND    VB < VBoff; V() = 0...VBoff       -10       10    A

816 Ilk()          Leakage Current in D, ND    T > Toff; V() = 0...VB            -10       10    A

VB Voltage Monitor

901 VBon           Turn-on Threshold VB                                                    4.45  V

902 VBoff          Turn-off Threshold VB                                         3.2             V

903 VBhys          Hysteresis                  VPAhys = VPAon - VPAoff           100 200         mV

907 V(VPA) Voltage at VPA                      VB > 5 V                          4.5   5   5.5   V

908 V(VPA) Voltage at VPA                      VB  5 V                           4         5     V
iC-MZ                                                                                                                          Rev A2, Page 6/11

DIFFERENTIAL HALL SWITCH

DEFINITION OF MAGNETIC FIELDS AND SENSOR OUTPUT SIGNALS

In essence iC-MZ is non-magnetic and thus has prac-                                In accordance with Figure 2 a distinction can be made
tically no effect on the magnetic field to be scanned.                             between the different position and polarity of a mag-
The Hall sensors on the topside of the chip or at pack-                            net from the sign of the sensor signal. Following the
age level (x, y) are sensing the z component Hz of the                             amplification of the Hall voltage difference a differen-
magnetic field vector at the site of each sensor.                                  tial analog signal V(A) or V(NA) is available at pins A
                                                                                   and NA with a mean voltage of Vdc (Figure 3).
Magnetic field component Hz counts as a positive
when the field lines emerge on the printed upper side                              If H exceeds a limit of Ht,hi, digital output D switches
of the chip.                                                                       to high. If H undershoots a threshold of Ht,lo, output
                                                                                   D is switched back to low. The switching status com-
The source of the magnetic field (magnets, coils) can                              plementary to D is available at output ND.
be placed above or below (back bias) the iC package.
                                                                                   If differential field strength H lies within the Ht,lo..Ht,hi
                                                                               +B  interval, the momentary switching status of the driver
                                                                                   outputs does not change.
                                                  MZ
                                                                                                     V
                                                N
                                                S

                   MZ+B                                   N                                                      V(A)

                                                          S                        Vdc

z                                                                                                                V(NA)

       y

       x

Figure 1: Example magnet positions in relation to                                                                 0                H
            iC-MZ

The difference H between z components H1 and H2                                    Figure 3: Analog signals A and NA as a function of
of the magnetic field strengths at the site of the two                                         the difference in field strength H
Hall sensors S1 and S2 is significant for the electrical
output signal.

                           H = H1 - H2                                             V(D)

                                                                                   Ht,hys = Ht,hi Ht,lo

          S                                      N                                                                             VB
                N                                      S

           MH1Z                                   MH1Z

          S1                                     S1

Pin 1              S2                     Pin 1               S2  H0                               H2

       y                                                                                                   Ht,lo     0  Ht,hi         H

       x

Figure 2: Definition of the difference in field strength                           Figure 4: Digital output D in dependence on the dif-
            H                                                                                  ference in field strength H
iC-MZ                                                                                                                                    Rev A2, Page 7/11

DIFFERENTIAL HALL SWITCH

HALL SENSOR POSITION

The position of the two Hall sensors S1 and S2 is                                                    0.4 typ.                            z
shown in Figure 5 (top view).                                                                          side view                                   x

                                              2,0                                                                             | | < 0.2
                                                                         0,14
                                                                                          | | < 0.2
             S1           S2                                                                         S1                       S2
                     center of chip
y

            x

                                                                                                                              center     | | < 3
                                                                                                                              of chip
                                                                                                                                               y
Figure 5: Position of Hall sensors S1 and S2 in rela-                                                top view                                            x
            tion to the chip center (dimensions in mm)

The position tolerances of the chip within the DFN10                                Figure 6: Maximum placement error of the chip (ex-
package are given in Figure 6.                                                                  aggerated view) in a DFN10 package (di-
                                                                                                mensions in mm)

LINE DRIVER MODE

iC-MZ's line driver mode is activated by TEST = high,                               ND. When pins A and NA are connected together and
i.e. by a supply of VPA = 5 V. Pins A and NA then func-                             used as common input, D and ND acts as buffered and
tion as independent inputs for line driver outputs D and                            inverted outputs.

                                                               4.5 ... 36 V

                                                                     VB

SUPPLY            HALL SENSOR                                  AMPLIFIER       A/D        LINE DRIVER

                  B            B                                                                          D

                                                                                                         ND

                                                                                                                                  LINE

VPA                                                                          ANALOG BUFFER

                               5V                                                                                          A

                                   TEMPERATUR MONITOR                                                                     NA
                                   ERROR CONTROL
                                                                                    TEST                     NERR
                                         1
                                                                          iC-MZ                      5V
                                                     > 145 C                                        Rpu

      GND1                                                                                                    TEST

                                                                                                     GND2

                                  Figure 7: iC-MZ in line driver mode
iC-MZ                                                       Rev A2, Page 8/11

DIFFERENTIAL HALL SWITCH

APPLICATON NOTES

The complementary line driver couples the output sig-       LINE EFFECTS
nals via lines to industrial 24 V systems. Due to the       With 24 V signals data is often transmitted without
possible event of short circuiting in the line the drivers  the line beeing terminated with the characteristic
are current limited and shut down with excessive tem-       impedance. Mismatched line terminations such as
perature. The maximum possible signal frequency de-         these cause reflections which travel back and forth if
pends on the capacitive loading of the outputs (line        no suitable adjustments have been made at the driver
length) or the power dissipation in iC-MZ caused by         end of the setup. With rapid pulse trains transmission
such. With an unloaded output the maximum output            is then disrupted.
voltage is equivalent to supply VB - with the exception
of the saturation voltages.                                 In iC-MZ the reflection of return signals is hindered by
                                                            an integrated impedance adapter. On pulse transmis-
              40                                            sion the amplitude at the iC-MZ output first rises to ap-
                                                            proximately half the value of supply voltage VB as the
              36                                            internal driver resistor and the line impedance adapter
                                                            form a voltage divider. Following a delay determined by
                             VB = 36 V                      the length of the line the impedance coupled into the
                                                            line in this way is reflected at the high impedance end
              32                                            of the setup and travels back towards the driver. As the
                                                            latter is well adjusted to the line by its interior resistor,
              28                                            the return pulse is largely absorbed. Fast signals can
                                                            thus also be transmitted in this manner along lines with
V(D, ND) [V]  24                                            a characteristic impedance of between 40 and 110 .

              20                                            BOARD LAYOUT
                                                            The thermal dissipation of iC-MZ is improved by con-
              16                                            necting the thermal pad on the underside to a large
                                                            area of copper on the board. Blocking capacitors used
              12                                            to filter the local iC supply should be connected up
                                                            to the VB and GND package pins across the shortest
                     VB = 24 V                              possible distance.

                8

              4

              0

                  0  100        200     300  400  500

                          - I(D, ND) [mA]

   Figure 8: Load dependence of the output voltage          NERR connection
                                                            Excessive temperature and overvoltage errors are in-
Figure 8 illustrates the typical highside output charac-    dicated at output NERR. In normal operating mode the
teristics of a driver acting as a load for two different    pin is at high impedance (open drain); it is switched
supply voltages. Across a wide range the differential       to GND in the event of error. It can be connected up
output resistance is typically 75 .                         to VB via an external resistor. If NERR is not used, it
                                                            must be left open and not be connected to GND.
iC-MZ                                                                                     Rev A2, Page 9/11

DIFFERENTIAL HALL SWITCH                                                                 gear wheel
                                                                                               P
APPLICATION EXAMPLES
                                                                       B1          B2
Gear wheel scanning
Logging the position and rotation of a gear wheel with                      S1     S2     iC-MZ
iC-MZ requires that the gear wheel is made of a soft
magnetic basic material with which a magnetic field                             N         bias magnet
applied externally through the gear geometry can be
modulated. The strength of the modulation is greatest                           S
at the gear rim, calling for iC-MZ to be placed at the
shortest possible operating distance to the gear wheel.     B

The necessary external bias field is generated by a                    B2          B1                  bias
back bias magnet placed behind iC-MZ. The magnet                                                       field
should be positioned central to the package so that the
two Hall sensors are impinged by equal magnetic field                  B1-B2
strengths and a field strength offset is avoided; the lat-
ter would make a greater difference in modulation field     BT,hi                      P
strength necessary for switching purposes. Field ho-
mogeneity can be improved by placing a pole piece           BT,l o  0  P/2
between the magnet and iC-MZ.
                                                            V          VNA         VA              3P/2
The strength of the magnetic field modulation depends
not just on the operating distance and the intensity of             0  P/2             P                      Vdc
the bias field but also on the module and addendum
of the gear wheel. The distance of the teeth along the      VD                                     3P/2
perimeter of the wheel stipulates the cycle with which                                           VB
the magnetic field strength is modulated. An optimum
modulation depth is achieved when the gear wheel ge-                   P/2             P         3P/2
ometry is selected so that the two Hall sensors on the
chip are opposite a tooth or a gap and the sensors pro-     VND                    VB
vide signals in antiphase. With the given iC-MZ sensor
distance of 2 mm a tooth distance of about 4 mm is ad-                 P/2             P         3P/2
vantageous but not imperative. Even if the geometry of
the wheel is not adapted to suit the sensor, the signals            Figure 9: Gear wheel scanning
generated by the two Hall sensors share a fixed phase
relation.

Figure 9 illustrates the typical course of magnetic in-
duction B = 0 H at the two Hall sensors, dependent
on angle of rotation  of the gear wheel. In an ensuing
amplification process analog signals VA and VNA are
formed from the differential signal; digital signals VD
and VND are generated by the back-end comparator
with hysteresis.
iC-MZ

DIFFERENTIAL HALL SWITCH

                                         pole wheel                                                              Rev A2, Page 10/11
                                             P
                                                                    Pole wheel scanning
                     SS NN                                          Pole wheels have a cyclic magnetization along their
                                                                    perimeter which is used for the magnetic modulation
                B1                                                  of iC-MZ. The intensity of the magnetic field is great-
                                                                    est along the perimeter and significantly diminishes
            S1              S2           iC-MZ                      with an increase in distance , so that iC-MZ should be
                                                                    placed as close to the pole wheel as possible.
                            B2
                                                                    The magnetic subdivision along the pole wheel
   B            B1 B2                                               perimeter is repeated by a cycle P; iC-MZ's electrical
                                                                    output signals also demonstrate this periodicity. The
BT,hi                                 P                             pole wheel is optimally adjusted when the Hall sen-
BT,l o                                                              sors are activated in antiphase, i.e. the distance of the
                P/2                             3P/2                Hall sensors is equivalent to just half a magnetic cycle.
         0                                                          With iC-MZ this is the case when P = 4 mm.
            B1-B2
                                                                    The dimensions of a pole wheel and its magnetic sub-
                                   P                                division are often stipulated by the application so that
                                                                    the signals provided by the two Hall sensors are no
            P/2                                 3P/2                longer in antiphase but in an arbitrary yet fixed phase
                                                                    relation to one another.
V           VA              VNA
                                                                    The differential signal and the analog and digital iC-MZ
                                                            Vdc     output signals derived from it in dependence on the an-
                                                                    gle of rotation of a pole wheel are shown in Figure 10.
                                                3P/2
     0          P/2             P                               VB

VD

                P/2             P               3P/2

VND                                      VB

                P/2             P               3P/2

    Figure 10: Pole wheel scanning

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be put to.
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DIFFERENTIAL HALL SWITCH

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iC-MZ  DFN10              iC-MZ DFN10

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