霍尔效应电流传感器技术解析：开环与闭环架构的设计

电流传感器在各类应用场景中广泛使用。传统电阻式电流检测技术通过测量分流电阻两端的压降来推算电流值，但这类方案无法实现电气隔离，且在测量大电流时能效较低。

 

另一种主流技术基于霍尔效应原理。霍尔电流传感器通过感应被测电流产生的磁场进行非接触测量，其电气隔离特性可提供更高的安全性，同时避免了分流电阻方案中的功率损耗问题。本文将深入解析霍尔电流传感器的基本原理。

 

开环电流检测技术

 

图1展示了开环式霍尔电流传感器的典型结构。被测电流流经磁芯内部的导体，在磁环内产生感应磁场。置于磁芯气隙中的霍尔元件将检测该磁场强度，并输出与输入电流成正比的电压信号。该信号通常需要经过调理电路处理，可能包含简单放大或复杂的漂移补偿等功能。

图1

 

磁芯的必要性分析

 

假设取消磁芯结构，根据毕奥-萨伐尔定律，1A电流在1cm距离处产生的磁场仅为0.2高斯(地磁场约0.5高斯)。显然，自由空间中的弱磁场难以精确测量。磁芯的高磁导率特性可将磁场强度提升数百至数千倍，其本质是充当磁场汇聚器。

 

气隙设计的影响

 

如图1所示，磁芯设计包含安置霍尔元件的气隙。该结构会导致磁力线边缘扩散效应(图2)，使部分磁通偏离预期路径，降低霍尔元件的实际感应强度。但当气隙截面积远大于长度时，这种影响可控制在较小范围内。

图2

 

气隙长度直接影响两大关键参数：磁增益(高斯/安培比)和最大可测电流。较小气隙能提高灵敏度，但会降低磁芯饱和阈值(图3)。除气隙外，磁芯材料、尺寸及几何形状同样影响性能。针对200A以上大电流应用的磁芯选型，可参考Allegro的应用指南。

图3

 

开环方案的局限性

 

开环结构易受线性度误差、增益漂移等非理想因素影响。例如传感器温漂会直接反映在输出端，且磁芯饱和效应会限制测量范围。此外，霍尔元件失调电压和磁芯矫顽力也会引入误差。

 

闭环电流检测技术

 

如图4所示，闭环方案基于负反馈原理工作。次级绕组中的补偿电流由反馈环路调节，始终维持磁芯净磁通为零。根据安匝平衡原理可得：

 

Np×Ip = Ns×Is

 

当Np=1时，输出电压Vout=Rm×Is，最终推导出：

 

Vout = Rm×(Ip/Ns)

 

该结构中，比例系数仅与匝数比和采样电阻相关，二者均具有极佳线性度。

图4

 

开环与闭环方案对比

 

闭环架构通过负反馈有效抑制线性度和增益误差，不受传感器灵敏度漂移影响，精度显著提升。其磁芯始终工作在近零磁通状态，抗饱和能力更强。但闭环方案需要驱动功率放大器，导致PCB面积、功耗及成本增加。

 

稳定性是闭环传感器的另一挑战，需通过系统传递函数分析确保稳定性。带宽限制虽可避免振荡，但会延长响应时间。而开环结构通常具有更快动态响应。

需注意的是，两种方案均受霍尔元件失调电压影响(典型InSb元件失调约±7mV)。