利用霍尔效应磁传感器测量智能家居中的功率

电子设计 发表于 2019-03-14 08:21:00 收藏 已收藏
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利用霍尔效应磁传感器测量智能家居中的功率

电子设计 发表于 2019-03-14 08:21:00
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测量功率正在成为智能家居中越来越重要的元素。推出智能电网和智能电表的成本应该通过节省电力成本来弥补,但目前还没有简单的方法来进行测量。智能网络还希望识别作为主要功率的设备,以便最小化电流消耗,减少账单并在公用电网上分散负载。

测量功率的一个关键因素是传感器,霍尔效应磁传感器的位置理想,可提供用户和公用设施所需的信息。这些传感器在过去几年中一直在悄然发展,转向标准CMOS工艺技术并集成铁磁元件和数据转换器。现在,智能网络的前进步骤将这些传感器连接到无线收发器和可选的微控制器,以将数据发送回中央集线器。然后,可以在家中本地检查数据以识别电力使用,或匿名汇总以提供关于区域中的电力使用的准确统计。

霍尔效应传感器

Melexis MLX91205电流传感器是基于霍尔效应的单轴磁场传感器。它是CMOS霍尔电路和薄铁磁集中器的集成组合。 CMOS电路包含两对霍尔元件,其灵敏度方向与芯片表面平行。铁磁集中器放大外部磁场并将其集中在霍尔元件上,以便为功率测量提供更大的规模。这使得它适用于交流和直流电流,产生与施加的磁场平行于芯片表面成比例的模拟,线性,比率输出电压。

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图1 :Melexis MLX91205电流传感器显示霍尔电路和铁磁集中器。

该电路采用标准CMOS工艺制造,铁磁层采用简单的后处理步骤。该单片器件集成了霍尔元件,偏移消除电路,电流源,斩波稳定放大电路和参数编程功能。

通过使用动态偏移消除,可以降低由温度变化,封装应力等引起的任何偏移电压。因此,该器件具有极其稳定的信号输出,不受机械应力的影响,几乎不受温度循环的影响。这提供了广泛的应用范围和非常高的精度。与其他线性霍尔传感器不同,MLX91205可测量与芯片表面平行的磁场,非常适用于PCB上的开环电流检测以及电表或设备。它具有小尺寸应用设计和适用于各种电流范围的简单结构。

快速响应时间和高带宽意味着该传感器适用于非接触式,高电流,高电压设置中的高速电流测量。有两种不同的产品版本可供选择。 91205HB的线性磁场范围为±25 mT,91205LB的线性范围为±10 mT。 HB指的是高磁场,而LB指的是低磁场范围。

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图2:使用MLX91205电流传感器测量低(顶部),中(中)和高(底部)电流。

低电流测量,最高±2 A

MLX91205可以通过传感器周围的线圈增加磁场来测量低电流。测量的灵敏度(输出电压与线圈中的电流)将取决于线圈的大小和匝数,但是通过在线圈周围添加屏蔽可以获得额外的灵敏度和对外部场的增强的抗扰度。线轴提供非常高的介电隔离,使其成为具有相对低电流的高压电源的合适解决方案。应对输出进行缩放,以获得要测量的最高电流的最大电压,以获得最佳精度和分辨率。

中等电流高达±30 A

如果PCB上有单根导线,则可以测量高达30安培的电流。 PCB走线的尺寸需要考虑电流处理能力和总功耗。 PCB走线需要足够厚且足够宽,以便连续处理RMS电流。

此配置的差分输出电压可近似为VOUT = typ。 35 - 40 mV/A * I.这表明,对于30 A的电流水平,输出约为1050 mV。

高达±600 A的高电流测量

另一种测量PCB上高电流的方法是使用大而厚的铜线,能够在PCB的另一侧传输电流。 MLX91205应位于迹线中心附近;但是,由于迹线很宽,输出对PCB上的位置不太敏感。由于导体的距离和宽度,该配置也具有较低的灵敏度。

在许多应用中,91205的输出电压是通过微控制器测量的。在应用中组装91205之后,通过校准系统可以显着提高电流传感器系统的精度。通过施加已知电流,例如在100A时,微控制器的输出电压可以校准到精确值,即100A时的2.000V。这样可以在一定温度下简单地校准偏移和灵敏度。

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图3:MLX91205电流传感器的单端输出。

传感器可以在单端模式下使用,如图3所示,A_out两端的电压决定了电流。然后,它连接到集成到低成本微控制器和RF收发器中的模数转换器,例如Silicon Labs的Si1013。 12位ADC捕获电压并将电压值传送到MCU寄存器,收发器可以访问它。该收发器工作在240-960 MHz ISM频段,使其具有较长的家庭范围和较低的功耗。然后可以远程轮询该值,或者通过无线收发器作为智能家庭网络的一部分发送该值。

使用图4中的差分输出,电流值是A_out和CO_out上的电压之差。同样,这两条线可以链接到微控制器中的ADC,以便为网络提供价值。使用差分输出消除了可能使单端输出波动的噪声影响。如果电源电压受到EMI噪声干扰,则将第二个电容(100 pF陶瓷)与100 nF电容并联可能很有用。

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图4:MLX91205电流传感器的差分输出。

其他集成收发器工作在2.4 GHz频段,使用ZigBee等协议在家中提供智能网络。德州仪器(TI)的CC2531等器件集成了一个8通道,12位Σ-Δ型ADC,以及一个8位微控制器和2.4 GHz前端。这针对ZigBee协议以及低功耗的智能照明和其他智能家庭网络进行了优化。

使用IPv4的当前ZigBee实现允许网状网络连接家庭中的设备,将它们链接回中央集线器。然后可以通过因特网访问该集线器以显示这些设备的能量使用,突出显示由集成电流传感器实现的成本节省的使用模式和机会。下一代ZigBee无线设备将支持IPv6协议。这将允许直接从因特网访问设备,但仍然需要集线器,因为ZigBee节点的范围是有限的。这可以简化中央集线器的设计,并降低智能家居系统的推出成本。

家用消费类设备

对于消费类设备,Allegro ACS711为《100 V音频,通信系统和白色家电中的交流或直流电流感应提供经济,精确的解决方案。器件封装允许轻松实现电路保护和电流监控。

该器件由线性霍尔传感器电路组成,铜导电路径位于芯片表面附近。流过该铜导电路径的施加电流产生磁场,该磁场由集成霍尔IC感测并转换成比例电压。通过磁信号与霍尔传感器的紧密接近,优化了器件精度。

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图5:ACS711霍尔效应电流传感器,显示温度补偿和信号恢复。

器件的输出具有与从IP +到IP-(引脚1和2,图6中的引脚3和4)的电流成正比的正斜率。该封装的内部电阻对于EX封装为0.6mΩ,对于LC封装为1.2mΩ,提供非侵入式测量接口,可在需要高能效的智能家居应用中节省功耗。这在LC封装上提供±12.5 A和±25 A满量程感应范围,在EX封装上提供±15.5 A和±31 A满量程感应范围。

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图6:ACS711输出模拟信号VIOUT,该信号在指定范围内与双向AC或DC初级电流IP线性变化。当IP达到其满量程电流的±100%时,FAULT引脚跳闸。

ACS711针对低端电流检测应用进行了优化,但导电路径的端子与传感器IC引线电气隔离,为低交流或直流工作电压应用提供足够的内部爬电距离和间隙尺寸。铜导体的厚度允许器件在高达5倍的过流条件下存活,从而在浪涌情况下得到保护。 ACS711采用小型表贴封装SOIC8和QFN12封装,可轻松安装在消费类设备中,无需外部检测电阻,简化了系统设计。

比例电流测量

某些器件采用不同的架构,更适合将模数转换添加到器件中,允许数字输出直接由片上系统收发器使用有一个集成的微控制器,如Silicon Labs的Si1013。这使得ADC可以自由地从设备中的其他传感器获取数据,并增强智能网络在家庭中的作用。

英飞凌的TLE4997霍尔效应IC专为电流测量应用而设计。传感器提供比例模拟输出电压,非常适合以电源电压为参考的模数转换。采用16位DSP架构和数字温度补偿的数字信号处理可确保长时间的稳定性,最小总体分辨率为12位,尽管某些内部级的分辨率最高可达20位。

该IC采用BiCMOS技术制造,具有高电压能力,并提供反极性保护。在该器件中,磁通量由霍尔效应单元测量,输出由DSP从模拟转换为数字。短路霍尔效应单元和连续时间A至D转换提供非常低且稳定的磁偏移,而可编程低通滤波器可降低噪声。使用ADC方法,可以测量温度并将其转换为数字格式,以便使用二阶函数以数字方式处理温度补偿。

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图7:内置DSP和数字转换的TLE4997霍尔效应传感器

这种方法的优点意味着输出电压范围可以是由数字限幅器钳位并与电源电压成比例(比率DAC)。板载诊断(OBD)电路在出现错误时将输出连接到VDD或GND。然后,收发器可以通过数字通用I/O引脚直接使用输出,作为家庭智能网络的一部分。

结论

将电流传感器放置在智能家居中潜在的功耗源附近,可以在功率测量中提供更高的粒度。通过带有IPv4的集线器或直接使用IPv6将这些传感器连接到网络,可以访问更多有关实际情况的数据。分析该数据为公用事业公司及其客户提供了关于使用多少电力,何时以及在何处使用的关键信息。这提高了使用意识,并使消费者能够降低功耗和费用。它还允许公用事业公司更有效地安排发电和交付,以降低成本。

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