一種霍爾電流傳感器的電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了一種零磁通型霍爾電流傳感器，可廣泛應(yīng)用于交流變頻驅(qū)動(dòng)、焊接電源、開(kāi)關(guān)電源、不間斷電源等領(lǐng)域。該零磁通型霍爾電流傳感器通過(guò)砷化鎵霍爾元件檢測(cè)由通電電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，繼而有效地檢測(cè)被測(cè)電流。 由于霍爾元件產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)很微弱，而且還存在較大的失調(diào)電壓，因此對(duì)霍爾電壓的放大和對(duì)不等位電勢(shì)的補(bǔ)償是該設(shè)計(jì)的兩個(gè)主要需要解決的問(wèn)題，而且霍爾元件中載流子濃度等隨溫度變化而變化，因此還需用溫度補(bǔ)償電路對(duì)其溫度補(bǔ)償。 1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架 系統(tǒng)分為4個(gè)部分：1)霍爾元件的供電電路，由電壓基準(zhǔn)(電流基準(zhǔn))芯片為霍爾片提供工作電流；2)霍爾元件及磁芯，將感應(yīng)片感應(yīng)的磁場(chǎng)(該磁場(chǎng)由通電電流產(chǎn)生)轉(zhuǎn)化為霍爾電壓；3)放大電路，將微弱的霍爾電壓進(jìn)行放大；4)反饋部分，利用了磁平衡原理：一次側(cè)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，通過(guò)二次線圈電流進(jìn)行補(bǔ)償，使磁芯始終處于零磁通工作狀態(tài)。其系統(tǒng)總流程圖如圖1所示。

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2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)由?5 V的穩(wěn)壓源供電。用一片電壓基準(zhǔn)芯片REF3012為砷化鎵系列的霍爾元件HW300B提供基準(zhǔn)電壓。HW300B是一款可采用電壓模式供電和電流模式供電的霍爾元件，HW300B放在開(kāi)有氣隙的集磁環(huán)的氣隙里，并用膠水加以固定(霍爾元件和集磁環(huán)相對(duì)位置如果發(fā)生變化，會(huì)影響產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)的大小)?；魻栐妮敵鼋又羶x器放大器AD620，作為放大器的差模出入端和共模輸入端。放大器的增益可通過(guò)調(diào)節(jié)1、8引腳之間的10 kΩ的電位器改變。放大器的輸出接反饋線圈，該反饋線圈繞在集磁環(huán)上，其繞線方向能使通過(guò)它的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與集磁環(huán)收集到的磁場(chǎng)方向相反。反饋線圈末端放1個(gè)75 kΩ的精阻接地，可以通過(guò)測(cè)量精阻兩端的電壓，計(jì)算反饋線圈中的電流，進(jìn)而推算穿過(guò)集磁環(huán)中心的被測(cè)電流的大小。其具體電路圖如圖2所示。

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2．1 REF3012 以SOT23-3封裝的REF3012是一個(gè)高精度、低功耗、低電壓差電壓參考系列芯片。REF3012小尺寸和低功耗(最大50μA)非常適用于便攜式和電池供電。它不需要負(fù)載電容，但對(duì)任何容性負(fù)載很穩(wěn)定。因磁敏型霍爾元件很容易受溫度的影響，可以采用恒流源供電以減小其溫度系數(shù)。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，REF3012的輸入引腳1接 5 V電源，并接10μF的旁路電容至地，該旁路電容對(duì)電源進(jìn)行濾波，提高電源穩(wěn)定性。而其輸出引腳2接到HW300B的引腳1，并且也接1O μF的旁路電容至地，GND(地)引腳3接地。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求REF3012為HW300B提供2．5 V的基準(zhǔn)電壓，根據(jù)REF3012的數(shù)據(jù)資料可知，當(dāng)輸入電壓為5 V時(shí)，輸出電壓為2．5 V，所以REF3012引腳1接 5 V電壓。 2．2 霍爾元件 本設(shè)計(jì)采用砷化鎵系列的HW300B型霍爾元件，輸出霍爾電壓范圍122～204mV，輸入、輸出阻抗為240～550 Ω，補(bǔ)償電壓為-7～7 mV，溫度系數(shù)為-1．8％／℃。其輸入可采用電壓模式供電，也可采用電流模式供電。這里采用電壓模式供電，即就是HW300B的引腳1、3為控制輸入端，而引腳2、4為霍爾電壓輸出端。 霍爾元件是將磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的線性磁敏元件，霍爾輸出電壓

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式中，S為乘積靈敏度，mV／(mT?mA)；Ic為工作電流，mA；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，mT。 本設(shè)計(jì)中，將霍爾元件放進(jìn)開(kāi)有氣隙的集磁環(huán)的氣隙里，并將霍爾元件和集磁環(huán)固定，這樣可以感應(yīng)出更大、更穩(wěn)定的霍爾電勢(shì)。式(1)中，當(dāng)S與Ic一定，則Vh與B有直接線性關(guān)系。通電導(dǎo)體周?chē)厝划a(chǎn)生磁場(chǎng)，根據(jù)安培定律，電流與磁場(chǎng)的關(guān)系式∮BdI=μ0I0得：

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式中，μ0為真空磁導(dǎo)率，

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。 根據(jù)安培回路定律，可得到這種磁路形式的電流與磁場(chǎng)的關(guān)系

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由式(6)可知，根據(jù)霍爾元件的乘積靈敏度S，工作電流Ic，真空磁導(dǎo)率μ0，被測(cè)電流I0，纏繞匝數(shù)N1，氣隙長(zhǎng)度l2，便可計(jì)算出霍爾電壓Vh。而且可知，氣隙長(zhǎng)度l2越小，霍爾電壓Vh越大，所以氣隙應(yīng)以剛好卡住霍爾元件為宜。 2．3 放大電路 由磁敏霍爾元件將集磁環(huán)收集到的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為弱電信號(hào)，輸出一般為幾毫伏的電壓，需對(duì)其進(jìn)行放大。這里采用AD620型儀器放大器，它通過(guò)改變電阻而改變放大倍數(shù)(1～1000)。AD620的1、8引腳之間通過(guò)跨接1只10 kΩ的電位器和1只75 Ω的電阻來(lái)調(diào)整放大倍數(shù)。若要改變放大倍數(shù)，可調(diào)節(jié)電位器AD620的引腳7、4分別接 5 V、-5 V的工作電壓，并且分別接0．01 μF的旁路電容至地，用來(lái)濾除交流成分，使輸出的直流更平滑；而其引腳3、2分別接霍爾元件的引腳2、4，其引腳6輸出放大后的電壓值，接反饋線圈；引腳5是參考基準(zhǔn)，接REF3012的引腳3，作為整個(gè)系統(tǒng)的地接。 儀器放大器電路由3個(gè)放大器共同組成，其中電阻R和RG需要在放大器的電阻使用范圍內(nèi)(1～10kΩ)，根據(jù)固定的電阻R調(diào)整其放大倍數(shù)，關(guān)系式如下：(需要注意每個(gè)放大器的飽和現(xiàn)象，放大器的最大輸出電壓為其工作電壓?Vc)。AD620的輸出電壓Vo與輸入電壓V1、V2關(guān)系式如式(7)所示：

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2．4 反饋電路 零磁通霍爾傳感器利用磁平衡原理：一次側(cè)電流(被測(cè)電流)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，通過(guò)二次線圈電流進(jìn)行補(bǔ)償，使磁芯始終處于零磁通工作狀態(tài)。當(dāng)Io剛通過(guò)磁環(huán)，Is尚未形成時(shí)，霍爾元件檢測(cè)出N1I0所產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)，經(jīng)放大級(jí)放大，推動(dòng)驅(qū)動(dòng)級(jí)。由于N2為補(bǔ)償線圈，通過(guò)線圈電流不會(huì)突變，因此，Is逐漸上升，N2Is所產(chǎn)生的磁場(chǎng)補(bǔ)償了N1I0所產(chǎn)生的磁場(chǎng)。因此，霍爾元件輸出降低，Is上升減慢。當(dāng)N2Is=N1I0時(shí)，磁場(chǎng)為零，霍爾元件輸出為零。但由于線圈的緣故，Is還會(huì)上升，這樣，N2Is>N1I0，補(bǔ)償過(guò)沖，霍爾元件輸出變號(hào)，輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)使Is減小。如此反復(fù)在平衡點(diǎn)附近振蕩?？梢栽诜答伨€圈上接一個(gè)精阻，通過(guò)測(cè)量電阻端的電壓，計(jì)算Is的大小，通過(guò)N2Is=N1I0計(jì)算通電電流I0的大小，一般情況下N1=1。 2．5 不等位電勢(shì)補(bǔ)償 不等位電勢(shì)是霍爾元件在加控制電流而不加外磁場(chǎng)時(shí)出現(xiàn)的霍爾電勢(shì)，稱(chēng)其為零位誤差。在分析不等位電勢(shì)時(shí)，可將霍爾元件等效為一個(gè)電橋，控制電極1、3和霍爾電極2、4可看作電橋的電阻連接點(diǎn)。它們之間分布電阻R1、R2、R3、R4構(gòu)成4個(gè)橋臂，控制電壓可視為電橋的工作電壓。 理想情況下，不等位電勢(shì)UM=O，對(duì)應(yīng)于電橋的平衡狀態(tài)，此時(shí)R1=R2=R3=R4。如果霍爾元件的UM≠O，則電橋就處于不平衡狀態(tài)，此時(shí)R1、R2、R3、R4的阻值有差異，UM就是電橋的不平衡輸出電壓。只要能使電橋達(dá)到平衡的方法都可作為不等位電勢(shì)的補(bǔ)償方法。 本系統(tǒng)中不等位電勢(shì)補(bǔ)償方法為：在I0=0的情況下，系統(tǒng)上電，用萬(wàn)用表測(cè)試傳感器的輸出引腳電壓值是否為零；為零則表示不等位電勢(shì)UM=0。如果不等于零，用螺絲刀調(diào)節(jié)電位器W104390E使UM=0。 2．6 溫度補(bǔ)償問(wèn)題 由于載流子濃度等隨溫度變化而變化，會(huì)導(dǎo)致霍爾元件的內(nèi)阻、霍爾電勢(shì)等也隨溫度變化而變化。這種變化程度隨不同半導(dǎo)體材料有所不同，而且溫度高到一定程度，產(chǎn)生的變化相當(dāng)大。溫度誤差是霍爾元件測(cè)量中不可忽視的誤差。 針對(duì)溫度變化導(dǎo)致內(nèi)阻(輸入、輸出電阻)的變化，可以采用對(duì)輸入或輸出電路的電阻進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)霍爾元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ泻芏喾N：采用恒流源提供控制電流、合理選擇負(fù)載電阻、采用熱敏電阻，也可以將整個(gè)霍爾電流傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)補(bǔ)償。其中最簡(jiǎn)單實(shí)用的方法就是用熱敏電阻對(duì)霍爾元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 對(duì)于由溫度系數(shù)較大的半導(dǎo)體材料(如銻化銦)制成的霍爾元件，常采用圖3所示的溫度補(bǔ)償電路，其中Rt是熱敏元件(熱電阻或熱敏電阻)。

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圖3(a)是在輸入回路進(jìn)行溫度補(bǔ)償電路，當(dāng)溫度變化時(shí)，用Rt的變化來(lái)抵消霍爾元件的乘積靈敏度S和輸入電阻Ri變化對(duì)霍爾輸出電勢(shì)Vk的影響。圖3(b)則是在輸出回路進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)碾娐罚?dāng)溫度變化時(shí)，用Rt的變化來(lái)抵消霍爾電勢(shì)Vk和輸出電阻R0變化對(duì)負(fù)載電阻RL上的電壓UL的影響。安裝測(cè)量電路時(shí)，應(yīng)使熱敏元件和霍爾元件的溫度一致。 3 測(cè)試結(jié)果 3．1 連接電路 1)由DF1731SB3A型雙路電源提供?18 V電壓，經(jīng)過(guò)電壓轉(zhuǎn)化芯片輸出穩(wěn)定的?5 V電壓，給霍爾電流傳感器提供工作電壓，分別接傳感器P1口的引腳1(GND)、2( 5 V)、3(-5 V)。P2口的引腳1為輸出端，引腳3為GND。 2)仔細(xì)檢查電路，確認(rèn)無(wú)誤后上電?；魻杺鞲衅鞯妮敵鼋覷NI-TUTS8A型萬(wàn)用表。先調(diào)節(jié)HW30082、引腳3之間的100 kΩ電位器，使零點(diǎn)電壓盡可能地接近0 mV。 3)將待檢測(cè)通電導(dǎo)線穿過(guò)集磁環(huán)。采用的方法是在8 Ω的功率電阻上施加電壓，如果是交流電壓電源TektronixAFG310，則產(chǎn)生交流電；如果是直流電源DF1731SB3A，則產(chǎn)生直流，通過(guò)改變電壓的大小改變電流的大小。 3．2 線性度的測(cè)量 線性度是指輸出對(duì)于輸入的跟蹤度的好壞，輸出與輸入有良好的線性關(guān)系。表1為測(cè)試數(shù)據(jù)，在不等位電勢(shì)為0 mV時(shí)，用UNI-T UTS8A型萬(wàn)用表測(cè)量的數(shù)據(jù)。

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當(dāng)電阻兩端接交流電壓時(shí)，由Tektronix AFG310型交流信號(hào)源提供電壓，輸出接TektronixTDS型示波器，改變交流電壓幅值的大小，觀察示波器上波形幅度的大小。經(jīng)觀察線性度很好。調(diào)節(jié)AD620的放大倍數(shù)，可以使被測(cè)電流達(dá)到?99．6 A，一般的傳感器電流范圍為?50 A，因此該傳感器的動(dòng)態(tài)測(cè)試范圍提高了將近50％。 3．3 頻帶寬度的測(cè)量 霍爾元件的輸出接示波器，使交流信號(hào)源提供1個(gè)頻率為50 kHz，幅度為10 V的電壓，觀察輸出信號(hào)的波形，如圖4(a)所示，輸出頻率為50．2 kHz，峰峰值為184 mV的電壓信號(hào)，改變電壓的頻率，系統(tǒng)輸出的電壓幅值基本保持不變，說(shuō)明輸出信號(hào)的幅頻特性很好。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該傳感器的頻帶寬度可以達(dá)到300 kHz，如圖4(b)所示，輸出信號(hào)的頻率為301．4 kHz，峰峰值為170 mV，較同類(lèi)型傳感器(頻帶寬度為 50 kHz)有很大的提高。

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3．4 響應(yīng)時(shí)間 響應(yīng)時(shí)間指輸入電流為交流時(shí)，從開(kāi)始產(chǎn)生輸出到輸出穩(wěn)定的時(shí)間，Tra(reactiontime@90％of Ipn)指達(dá)到輸出穩(wěn)定值的90％的時(shí)間，經(jīng)過(guò)測(cè)試，零磁通型霍爾傳感器的Tra=140．0 ns。Tr(response time of Ipn)指達(dá)到輸出峰值的時(shí)間，經(jīng)過(guò)測(cè)試，零磁通型霍爾傳感器的Tr=280．0 ns，如圖5所示。

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4 結(jié)論 該設(shè)計(jì)是在深入研究傳統(tǒng)傳感器的基礎(chǔ)上，針對(duì)傳統(tǒng)霍爾傳感器設(shè)計(jì)的弊端，設(shè)計(jì)寬電流測(cè)試量程、高精度、寬頻帶的傳感器。該傳感器可以精確地感應(yīng)被測(cè)電流，能夠進(jìn)行電路保護(hù)和監(jiān)視電路性能，繼而改善電路性能，起到保護(hù)設(shè)備的作用。經(jīng)過(guò)測(cè)試，此傳感器的電流動(dòng)態(tài)測(cè)試范圍比同類(lèi)型的傳感器提高了50％，線性度可以達(dá)到輸入電流的0．2％，頻帶寬度可以達(dá)到300 kHz，并且具有體積小、功耗低、成本低、響應(yīng)速度快、接口簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于交流變頻驅(qū)動(dòng)、開(kāi)關(guān)電源等方面。 作者：盧 敏 鄭建生 張?zhí)嵘?黃小秋