汽车应用往往要求极其准确及精确的角度（旋转）或线性运动测量，磁性位置传感器（MPOS）已经成为备受青睐的组件类型。磁性位置传感器帮助汽车供应商达到汽车制造商对安全性及效率的要求，并使得原始设备制造商能够符合例如ISO26262（功能安全）行业标准规范，以及符合政府要求的燃油效率标准。

与此同时，磁性位置传感器还具备电气、机械及环境的高度耐用性，与其他组件如旋转编码器和电位计相比更具优越性。通过使用磁性位置传感器，汽车供应商可以开发出更小、更具性价比的产品，并且可以使旋转角度的测量实现更高精确度。
一般来说，完整的测量解决方案包括一个磁性位置传感器集成电路以及少量安装在印刷电路板上的外部组件。该印刷电路板通常固定在一个位置，且垂直于一个未端安装有两极磁铁的需要被测量的转轴或转子。虽然安装在印刷电路板上的组件总数可能比较少，但与用电位计构成的等效组件相比，这对汽车供应商来说仍是一个更加复杂的装配。
本文将讨论采用系统级封装的完整磁性位置传感器系统，使得汽车供应商在实现磁性位置传感时降低对印刷电路板组装的要求。

更稳健的封装也更容易安装
磁性位置传感器需要少量的外部组件，从而实现安全且可靠的电子电路运行。图1所示是艾迈斯半导体汽车旋转磁性位置传感器AS5162应用电路的典型例子。

图1 艾迈斯半导体旋转磁性位置传感器AS5162 的典型应用电路板

为了让汽车供应商实现例如踏板位置传感模块这样的产品，必须经过电路板设计、布局和组装，包含位置传感器、电阻、电容和其他必要保护装置，然后将它们连接到系统的其余部分。但是如果磁性位置传感器采用系统级封装，就无需该项需求。图1所示的整个应用电路板将会组合成一个单独的封装单元。这将帮助减少传感器以及其他相关组件的电路板占用面积，使制造商能轻松地开发和组装印刷电路板。

图2 磁性位置传感器在测量旋转位置应用中的标准应用

由于磁性位置传感器解决方案采用特殊方式安装在最终产品中，因而从应用性能和稳健性来说，系统级封装技术享有十分重要的优势。印刷电路板构建的位置传感电路不能完全密封，这是因为印刷电路板和外罩是应用中各自分离的组件，通常来说外罩被安装固定，印刷电路板与外罩的表面相连接，是一个单独的单元（见图2）。因此，在生产线上，有两个组件，一个表面和一个外罩，他们必须互相连接。但是在旋转磁性位置传感器应用中，如果需要作出精确的角度测量，那么传感器的集成电路必须与轴上的旋转磁铁或者转轮末端精确地对齐。而且如果印刷电路板和表面相连接，表面与外罩相关的任何位置变化都会引起传感器集成电路输出的误差（即不准确的测量）。

此外，在表面和外罩之间必须设立一个隔离器。该隔离器阻碍了磁性位置传感器在严酷环境中的使用，这里需要一个完全密封的组件，以防止油或水等液体的进入。在这种情况下，需要在外罩和表面之间设置一个额外的密封装置，以此来保护外罩内部的组件。这种额外的密封应用增加了成本并且使生产过程更具复杂性。

图3 系统级封装可以保证密封外罩的生产

相比之下，图3展示了采用系统级封装的磁性位置传感器如何容纳进一个完全包裹成型的外罩中，该密封装配可阻止液体进入，并且适用于最严苛的汽车环境。此外，与之前的产品相比，密封组件的失败分析要更快并且更容易。    

直面电磁兼容性规定的挑战
印刷电路板系统级封装解决方案的一个潜在缺点是，它更容易被电磁兼容性事件和高瞬态电压损坏。当前传统离散磁性位置传感器应用包含了一个印刷电路板，广泛使用特殊对策，例如多层接地层或特殊板布局技术，从而增加对瞬态电路的免疫力。

图4 离散磁性位置传感器解决方案的最低供应链

由于系统级封装是模压包里的一个完整电路，不可能在磁性位置传感器附近添加组件或者改变电路板布局来消除电磁兼容事件的影响。如果要使用系统级封装，那么必须仔细进行选择以确保其可以达到电磁兼容系统级要求。

供应链简化
上面的讨论描述了系统级封装实现的性能优势，但它也为生产工程师和设计工程师带来了益处。因为与离散的磁性位置传感器相比，系统级封装具有更小、更简单的供应商链。主要原因是：对印刷电路板供应商没有要求；支持磁性位置传感器（例如电容、电阻等）外部组件的供应链由系统级封装的制造商负责。这大大地简化了汽车供应商为质量保障、采购和生产所作的各项安排。

图5 系统级封装磁性位置传感器解决方案的最小供应链

如何在系统级封装中实现磁性位置传感器电路？

当前艾迈斯半导体已经将最新的磁性位置传感器技术和离散的解耦组件整合在一个单独的封装中：这就是AS5171系统级封装产品（见图6）。
该封装只包含三个外部引脚：一个电源引脚（VDD）、一个接地引脚（GND）以及一个输出引脚（OUT）。输出支持各项通信协议，这些协议可以由系统设计者随意选择。对这三个引脚的连接需要通过焊接，从而完成生产的灵活性（见图7）。

图6 艾迈斯半导体AS5171 系统级封装磁性位置传感器

该封装主提包含了外部无源元件，封装的顶部仅包含传感器集成电路，这也是磁敏感地区。在应用中，一个完全磁化的磁铁被放置在顶部位置之上，且中间有一定的空气间隙。该传感器的角度测量产生于输出引脚。

图7 磁性位置传感器模块与焊接终端

由于AS5171系统级封装由两个模制体和一个内部连接构成，它可以以各种方式进行嵌入安装，其内部和外部连接可朝着不同方向弯曲（见图8）。图6中顶部引脚不具备电气功能，也可能被用来稳定嵌入安装。

如何确保稳定、安全的操作？

在质量、稳定性以及功能安全性方面，汽车制造商对其供应商所提供的产品有很高的标准。在磁性位置传感器的操作中，系统性能中的两个参数格外重要：对严重电磁活动和杂散磁场的免疫力。

出于安全原因，一级供应商需要证明该系统可以抵抗电磁干扰。AS5171可以帮助一级供应商达到EMC和ESD的标准，因为它结合了引线框架（封装）设计和传感器集成电路（顶部）中外部组件的分离。这实际上是系统级封装实现的优点之一：这是一个完整的电路，包括了所有必要的保护装置，并且不需要由客户设计的印刷电路板。

艾迈斯半导体的系统级封装设计确保了设备不会受到电气变形和损坏而引起的安全问题。然而，许多磁性位置传感器却仍然受到杂散磁场的干扰危险。汽车环境中，特别是发动机舱，通常包含了由电动机、螺丝管和其他设备产生的强大磁场。杂散磁场会干扰与传感器匹配的两级磁铁磁场，随机损坏许多集成电路的角度测量。正因为损坏是随机的，该错误无法由主ECU或微控制器进行补偿。因此，系统设计者不得不对集成电路添加防护设施。这使得BoM以及组装成本都提高了，它也可能因此导致需要牺牲空间受限应用中的机械设计。

使用屏蔽设施来应对杂散磁场干扰风险并不是一项让人满意的解决方案，而且考虑到ISO26262安全性能标准，该方案也显得更加没有吸引力，因为该标准要求汽车制造商设计出对电动机系统中杂散磁场的免疫性。艾迈斯半导体磁性位置传感器均包含专利的差分传感技术，包括AS5171，因此特别适合用于汽车应用，因为传感器本身就能够免除25 000 A/m杂散磁场的干扰。当磁场强度低于25 000 A/m时，该技术无需使用屏蔽设施。
事实上，AS5171完全符合ISO26262标准，并按照SEooC的规范进行开发，支持集成安全机制和ASIL级别的任何安全关键性应用。

市场应用
艾迈斯半导体采用系统级封装磁性位置传感器的推出意味着汽车制造商使用具有性价比、小而稳定的设备，可以达到OEM厂商对性能、稳定性、安全性的要求，且无需他们自行设计印刷电路板。
首批使用系统级封装的汽车磁性位置传感器为AS5171A和AS5171B，满足AEC-Q100的0级标准，可以支持底盘、节气门、踏板和油位传感器的应用。这些AS5171部件是艾迈斯半导体“7X”系列产品中的第一代传感器。该新型7X系列产品将使用新的封装，同时还支持Analog、SENT、PWM和PSI5一系列接口。