霍尔效应电流传感技术：开环与闭环系统的比较与应用

电流传感器广泛应用于各种场合。常见的技术是电阻式电流传感，即测量分流电阻上的电压降来确定未知电流。基于分流电阻的解决方案不提供电气隔离，并且在测量大电流时功率效率较低。

另一种广泛使用的技术基于霍尔效应。霍尔效应电流传感器由于其传感器与待测电流之间的电气隔离，提供了更高的安全性。它还避免了电阻式电流传感方法中使用的分流电阻产生的高功耗。

在本文中，我们将了解霍尔效应电流传感器的基础知识。

开环电流传感

基于霍尔效应的开环电流传感器的结构如图1所示。

图1

 

待测电流通过置于磁芯内的导体流动。这样，电流就在芯内产生了磁场。这个磁场由放置在核心气隙中的霍尔效应传感器测量。

霍尔传感器的输出是与芯磁场成比例的电压，而磁场又与输入电流成比例。霍尔元件产生的信号通常由信号调理电路处理。信号调理电路可以是简单的放大级，或者是更复杂的电路，旨在消除霍尔元件的漂移误差等。

为什么我们需要磁芯?

假设没有磁芯。在距离无限长直导体 r 的地方，携带电流 I 的磁场由以下公式给出：

这里的 µ0 是自由空间的磁导率。对于 I=1 A，r=1 cm，我们得到：

为了感受这个磁场有多小，注意到地球的磁场约为 0.5 Gauss。因此，通过感测其在自由空间中产生的磁场来测量 1 A 电流是非常具有挑战性的。为了解决这个问题，我们可以使用磁芯来限制和引导电流产生的磁场。磁芯为磁场提供了高磁导率的路径，并充当了场集中器。磁芯内部的磁场可以比电流在自由空间中产生的磁场大数百或数千倍。

空气间隙

如图1所示，磁芯设计有一个气隙，霍尔传感器就放置在这个气隙中。气隙可能导致涡流效应现象，其中一些磁通线偏离其直线路径，从而没有按照预期通过传感器。图2显示了这种涡流效应。

图2

 

由于涡流效应，霍尔元件感测到的磁通密度可能小于磁芯内部的磁通密度。换句话说，气隙可能降低磁芯将初级电流转化为强磁场的有效性。然而，如果气隙长度相对于横截面积较小，则涡流效应的影响可以相对较小。

我们需要气隙以测量磁芯内部的磁场。此外，气隙使我们可以修改磁芯的整体磁阻。请注意，高电流可以在磁芯内部产生较大的磁场并使其饱和。这可能限制可测量的最大电流。通过调整气隙长度，我们可以改变磁芯的饱和水平。图3显示了对于给定磁芯，感测到的磁通密度如何随气隙长度变化。

图3

 

在较小的气隙下，我们可以实现更大的磁增益(高斯每安培增益)。然而，较小的气隙可能使磁芯在相对较小的电流下饱和。因此，气隙的长度直接影响可测量的最大电流。除了气隙长度，还有其他因素，例如磁芯材料、磁芯尺寸和磁芯几何形状，决定了磁芯的效率。有关适合高电流应用(>200 A)的磁芯的更多信息，请参考Allegro的应用说明。

 

开环电流传感的局限性

在开环配置中，非理想效应，例如线性和增益误差，可能影响测量准确性。例如，如果传感器的灵敏度随着温度变化，则输出将出现温度相关的误差。此外，在开环电流传感中，磁芯易于饱和。此外，霍尔传感器的偏移以及磁芯的矫顽力可能会导致误差。

 

闭环电流传感

闭环霍尔效应电流传感技术如图4所示。

图4

 

顾名思义，这种技术基于负反馈概念。在这种情况下，存在一个由反馈路径输出驱动的次级绕组。反馈路径感测磁芯内部的磁场，并调整次级绕组中的电流，使得磁芯的总磁场变为零。让我们看看这个电路是如何工作的。

 

待测电流通过主导体流动并在磁芯内部产生一个磁场。这个磁场由放置在核心气隙中的霍尔效应传感器测量。霍尔传感器的输出是与核心磁场成比例的电压，该电压被放大并转换为通过次级绕组的电流信号。系统设计成次级绕组中的电流产生一个与主电流磁场相反的磁场。总磁场为零时，我们应有：

其中 Np 和 Ns 分别是主绕组和次级绕组的匝数;Ip 和 Is 是主电流和次级电流。在图4中，我们有 Np = 1 和

。因此，我们得到：

这给了我们一个与主电流成比例的电压。注意，比例因子

是匝数和分流电阻值的函数。匝数是一个常数，电阻也非常线性。

 

开环与闭环电流传感的比较

 

闭环架构中采用的负反馈使我们能够减少非理想效应，例如线性和增益误差。这就是为什么与开环配置不同，闭环架构不会受到传感器灵敏度漂移的影响。因此，闭环配置提供了更高的准确性。闭环电流传感器对磁芯饱和的鲁棒性更强，因为磁芯内部的磁通密度非常小。

 

在闭环传感中，次级绕组由高功率放大器主动驱动。在闭环架构中使用的额外组件导致更大的电路板面积、更高的功耗以及更高的价格。

 

稳定性问题是闭环电流传感器的另一个缺点。在闭环配置中，我们需要推导系统传递函数，并确保系统稳定。一个不稳定的系统可能会在输入电流快速变化时表现出超调或振铃。为了使闭环系统稳定，我们通常需要限制其带宽。然而，降低系统带宽可能会增加响应时间，使系统无法对输入的快速变化做出反应。开环配置通常期望表现出更快的响应时间。

 

请注意，无论是在闭环还是开环配置中，霍尔传感器的偏移都可能导致误差。优质的锑化铟(InSb)霍尔元件的偏移通常为 ±7 mV。

 

现代集成解决方案

 

值得一提的是，现代基于霍尔效应的电流传感器采用创新技术来解决上述一些限制。例如，TI 的 DRV411 是一个信号调理集成电路，专为闭环电流传感应用设计，使用电流旋转技术消除霍尔元件的偏移和漂移误差。该技术如图5所示。

图5

 

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