介紹一種零磁通型霍爾電流傳感器設計-設計應用

精品文檔-下載后可編輯介紹一種零磁通型霍爾電流傳感器設計-設計應用設計了一種零磁通型霍爾電流傳感器，可廣泛應用于交流變頻驅動、焊接電源、開關電源、不間斷電源等領域。該零磁通型霍爾電流傳感器通過砷化鎵霍爾元件檢測由通電電流產生的磁場，繼而有效地檢測被測電流。

圣斯爾“SSET”專注研發(fā)生產霍爾電流傳感器,將交直流電流電壓功率頻率等電信號,隔離轉換成4-20mA/0-10V等各種標準信號在半導體薄片兩端通以控制電流I，并在薄片的垂直方向施加磁感應強度為B的勻強磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產生電勢差為UH的霍爾電壓。

由于霍爾元件產生的霍爾電勢很微弱，而且還存在較大的失調電壓，因此對霍爾電壓的放大和對不等位電勢的補償是該設計的兩個主要需要解決的問題，而且霍爾元件中載流子濃度等隨溫度變化而變化，因此還需用溫度補償電路對其溫度補償。

1系統設計框架

系統分為4個部分：1）霍爾元件的供電電路，由電壓基準（電流基準）芯片為霍爾片提供工作電流；2）霍爾元件及磁芯，將感應片感應的磁場（該磁場由通電電流產生）轉化為霍爾電壓；3）放大電路，將微弱的霍爾電壓進行放大；4）反饋部分，利用了磁平衡原理：側電流所產生的磁場，通過二次線圈電流進行補償，使磁芯始終處于零磁通工作狀態(tài)。其系統總流程圖如圖1所示。

2系統硬件電路設計

系統由±5V的穩(wěn)壓源供電。用一片電壓基準芯片REF3012為砷化鎵系列的霍爾元件HW300B提供基準電壓。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放在開有氣隙的集磁環(huán)的氣隙里，并用膠水加以固定。其具體電路圖如圖2所示。

2.1REF3012

以SOT23-3封裝的REF3012是一個高精度、低功耗、低電壓差電壓參考系列芯片。REF3012小尺寸和低功耗（50μA）非常壓。

2.2霍爾元件

本設計采用砷化鎵系列的HW300B型霍爾元件，輸出霍爾電壓范圍122～204mV，輸入、輸出阻抗為240～550Ω，補償電壓為-7～7mV，溫度系數為-1.8％／℃。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。

霍爾元件是將磁場轉換為電信號的線性磁敏元件，霍爾輸出電壓

式中，S為乘積靈敏度，mV／（mT·mA）；Ic為工作電流，mA；B為磁感應強度，mT。

本設計中，將霍爾元件放進開有氣隙的集磁環(huán)的氣隙里，并將霍爾元件和集磁環(huán)固定，這樣可以感應出更大、更穩(wěn)定的霍爾電勢。式（1）中，當S與Ic一定，則Vh與B有直接線性關系。通電導體周圍必然產生磁場，根據安培定律，電流與磁場的關系式∮BdI=μ0I0得：

式中，μ0為真空磁導率，。

根據安培回路定律，可得到這種磁路形式的電流與磁場的關系

由式（6）可知，根據霍爾元件的乘積靈敏度S，工作電流Ic，真空磁導率μ0，被測電流I0，纏繞匝數N1，氣隙長度l2，便可計算出霍爾電壓Vh。

2.3放大電路

由磁敏霍爾元件將集磁環(huán)收集到的磁場轉換為弱電信號，輸出一般為幾毫伏的電壓，需對其進行放大。這里采用AD620型儀器放大器，它通過改變電阻而改變放大倍數（1～1000）。AD620的1、8引腳之間通過跨接1只10kΩ的電位器和1只75Ω的電阻來調整放大倍數。

儀器放大器電路由3個放大器共同組成，其中電阻R和RG需要在放大器的電阻使用范圍內（1～10kΩ），根據固定的電阻R調整其放大倍數。AD620的輸出電壓Vo與輸入電壓V1、V2關系式如式（7）所示：

2.4反饋電路

零磁通霍爾傳感器利用磁平衡原理：側電流（被測電流）所產生的磁場，通過二次線圈電流進行補償，使磁芯始終處于零磁通工作狀態(tài)。當Io剛通過磁環(huán)，Is尚未形成時，霍爾元件檢測出N1I0所產生的磁場信號，經放大級放大，推動驅動級。

2.5不等位電勢補償

不等位電勢是霍爾元件在加控制電流而不加外磁場時出現的霍爾電勢，稱其為零位誤差。在分析不等位電勢時，可將霍爾元件等效為一個電橋，控制電極1、3和霍爾電極2、4可看作電橋的電阻連接點。它們之間分布電阻R1、R2、R3、R4構成4個橋臂，控制電壓可視為電橋的工作電壓。

理想情況下，不等位電勢UM=O，對應于電橋的平衡狀態(tài)，此時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R1、R2、R3、R4的阻值有差異，UM就是電橋的不平衡輸出電壓。

本系統中不等位電勢補償方法為：在I0=0的情況下，系統上電，用萬用表測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UM=0。如果不等于零，用螺絲刀調節(jié)電位器W104390E使UM=0。

2.6溫度補償問題

由于載流子濃度等隨溫度變化而變化，會導致霍爾元件的內阻、霍爾電勢等也隨溫度變化而變化。這種變化程度隨不同半導體材料有所不同，而且溫度高到一定程度，產生的變化相當大。溫度誤差是霍爾元件測量中不可忽視的誤差。

針對溫度變化導致內阻（輸入、輸出電阻）的變化，可以采用對輸入或輸出電路的電阻進行補償。對霍爾元件進行溫度補償的方法有很多種：采用恒流源提供控制電流、合理選擇負載電阻、采用熱敏電阻，也可以將整個霍爾電流傳感器進行監(jiān)測補償。其中簡單實用的方法就是用熱敏電阻對霍爾元件進行溫度補償。

對于由溫度系數較大的半導體材料（如銻化銦）制成的霍爾元件，常采用圖3所示的溫度補償電路，其中Rt是熱敏元件（熱電阻或熱敏電阻）。

圖3（a）是在輸入回路進行溫度補償電路，當溫度變化時，用Rt的變化來抵消霍爾元件的乘積靈敏度S和輸入電阻Ri變化對霍爾輸出電勢Vk的影響。圖3（b）則是在輸出回路進行溫度補償的電路，當溫度變化時，用Rt的變化來抵消霍爾電勢Vk和輸出電阻R0變化對負載電阻RL上的電壓UL的影響。

3測試結果

3.1連接電路

1）由DF1731SB3A型雙路電源提供±18V電壓，經過電壓轉化芯片輸出穩(wěn)定的±5V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（+5V）、3（-5V）。P2口的引腳1為輸出端，引腳3為GND。

2）仔細檢查電路，確認無誤后上電?；魻杺鞲衅鞯妮敵鼋覷NI-TUTS8A型萬用表。先調節(jié)HW30082、引腳3之間的100kΩ電位器，使零點電壓盡可能地接近0mV。

3）將待檢測通電導線穿過集磁環(huán)。采用的方法是在8Ω的功率電阻上施加電壓，如果是交流電壓電源TektronixAFG310，則產生交流電；如果是直流電源DF1731SB3A，則產生直流，通過改變電壓的大小改變電流的大小。

3.2線性度的測量

線性度是指輸出對于輸入的跟蹤度的好壞，輸出與輸入有良好的線性關系。表1為測試數據，在不等位電勢為0mV時，用UNI-TUTS8A型萬用表測量的數據。

經觀察線性度很好。調節(jié)AD620的放大倍數，可以使被測電流達到±99.6A，一般的傳感器電流范圍為±50A，因此該傳感器的動態(tài)測試范圍提高了將近50％。

3.3頻帶寬度的測量

霍爾元件的輸出接示波器，使交流信號源提供1個頻率為50kHz，幅度為10V的電壓，觀察輸出信號的波形，如圖4（a）所示，輸出頻率為50.2kHz，峰峰值為184mV的電壓信號，改變電壓的頻率，系統輸出的電壓幅值基本保持不變，說明輸出信號的幅頻特性很好。

3.4響應時間

響應時間指輸入電流為交流時，從開始產生輸出到輸出穩(wěn)定的時間，Tra（reactiontime@90％ofIpn）指達到輸出穩(wěn)定值的90％的時間，經過測試，零磁通型霍爾傳感器的Tra=140.0ns。Tr（responsetime