垂直霍尔技术在智能电表抗磁干扰方面的应用分析

许多机械和电子系统都面临磁干扰的威胁。不法分子还可能攻击已启用的电子设备，如智能电表、ATM 机、赌博机/游戏机、自动售票机或电子锁等等，意图篡改或干扰它们，或窃取产品或服务。

本文着重介绍了智能电表，但其中的原理也适用于其他系统。智能电表在全球范围内得到广泛应用，它能更高效和更准确地显示和监测用电数据。许多水表、煤气表和电表内都含有智能电子装置，它们能自动收集和传输使用数据。根据《Navigant Research》的研究 ，到 2018 年，全球每年智能电表的配送量将达 1.31 亿台。窃电行为是电力运营商和政府监管部门需要解决的首要问题。窃电者会使用磁铁干扰智能电表，试图使读数归零，或使用电量大幅减少。 据估计，每年因干扰智能电表造成的窃电损失约有 900 亿美元。ii.

图1：典型的智能电表

干扰电表常用的一种方法是使用强磁铁破坏电表检测耗电量的功能。 这种磁铁通常磁性很强，而且又大又沉。此类磁铁既能从网上购买，也可从废弃的电子产品和电脑（电子垃圾）中获取。当这类磁铁靠近电表时，它们会使变流器（检测通过电表的电流）达到磁饱和状态。磁芯饱和将导致电表无法准确判断通过的电流量。

对电表制造商而言，虽然很难预防在使用电表时出现的窃电行为，但它们完全能检测干扰企图，这样就能及时采取应对措施，如派出工作人员或远程禁用电表。全球各地有许多机构正在制定智能电表的规范，包括电表检测干扰企图的相关要求。请参阅智能电表标准侧边栏，了解更多详情。

为确保有效运行，用于检测干扰的磁传感器必须具有下列特征：

·高灵敏度：虽然在系统外部放置的磁铁可能有很强的磁性，远离磁铁时，它的磁场强度会急剧减弱；传感器内部的磁场强度可能比磁铁表面的磁场强度小得多；电表内使用的特定组件可能使施加磁场扭曲，如果传感器的灵敏度不够高，这会在传感器的检测区产生“阴影”或“孔洞”。

·较大的动态范围：有些磁感应技术对磁场强度有上限要求。霍尔效应技术对施加磁场没有上限要求。

·全极灵敏度：企图干扰电表的坏人不会在意磁铁的具体极性，他们会尝试所有磁极，最后找到有效的磁极；所以传感器在检测磁场时，应不受磁铁朝向的限制。

·全向灵敏度：许多老旧的磁传感器只能沿一个方向或平面感应磁场；由于外部磁铁可能沿任何方向对电表外部（正面、顶部、底部或两侧）的暴露 点施加磁场，因此传感器应在三个方向（X 轴、Y 轴和 Z 轴）具有相同的灵敏度。

通常，当我们远离磁铁时，它的磁场强度会急剧减弱。例如，一块表面磁场强度为 6000G （600 mT） 的大稀土磁铁 （50 mm x 50 mm x 50 mm） 在距其 50mm（厚度的一倍）的位置测量时，磁场强度只有约 600G （60 mT）。图 2显示了这种现象。与较大的磁铁相比，较小的磁铁具有更小的影响范围。根据经验，在与磁铁厚度相等的距离测得的磁场强度只有原磁场强度的 1/10。

图2:50 mm x 50 mm x 50 mm N45 磁铁磁极 （mm） 的磁场强度与距离的对比

如果传感器安装在电表内部，在确定传感器对外部磁铁（放在电表外面的任何位置）的感应灵敏度时，必须考虑与电表两侧和表面的距离。

以前最常用的磁感应解决方案是霍尔效应传感器 IC。这些 IC 能利用霍尔效应检测磁场，霍尔效应是根据埃德温·霍尔命名的，他在 1879 年发现，当磁场沿垂直于导电板平面的方向通过导电板时，载流导电板上会产生电势差 。如图 3所示，在导电板上施加电流。与导电板（电流）垂直的磁场会产生沿导电板分布的差分电压。传感器测量到此电压时，说明存在外加磁场。注意，传统的平面霍尔效应传感器只能测量与感应导电板或表面垂直的磁场。如果是表面贴装的 IC，导电板通常要与安装传感器的 PCB 的平面平行。不管传感器的朝向/转向如何，它只能有效感应 Z 轴方向的磁场。

有效感应 X 轴和 Y 轴磁场需要在单独的 PCB 上另外安装传感器，这些传感器不仅要互相垂直，而且要与母板或安装的含铅传感器垂直，还可能进行引线成型处理，这样就能确保霍尔板的朝向正确。这两种方法都会增加组件数量和成本、系统复杂性和组装成本。还可安装大量传统的平面霍尔传感器，并依靠“边缘”磁场激活它们，但这样仍会增加系统的成本和复杂性。

人们已采用各种磁阻技术来创建磁传感器 IC。这些传感器通常具有平面响应能力，也就是说，它们能检测 X-Y 轴平面内的磁场，但对 Z 轴磁场的响应能力有限。此外，超强磁场还会导致传感器出现磁饱和，进而发生故障（动态范围有限）。由于干扰时通常会采用强磁场，所以这是一种明显的局限。

图3：平面霍尔效应传感器

霍尔效应传感技术最近取得的突破使我们能创建符合所有干扰检测要求的全向磁感应传感器 IC。随着 IC 设计和制造工艺的进步，我们现在能生产垂直霍尔传感器（参阅图 4）。垂直和平面传感器以相同的物理现象为依据，但采用了不同的构建方法：

平面：沿芯片的宽度和长度方向排列；不管朝向如何，只感应 Z 轴磁场

垂直：沿芯片的深度方向从顶部向底部排列；可感应 X 轴、Y 轴或其他方向的磁场

图4：垂直霍尔传感器

平面霍尔元件能感应与 IC 封装的平面垂直的磁场，而垂直霍尔元件能沿与模具平行的轴（如 X 轴或 Y 轴）感应磁场。图 4显示了垂直霍尔板的构建详情。两个垂直霍尔传感器在单独 IC 内与平面霍尔传感器组合构成的磁传感器能感应任意方向（X 轴、Y 轴和 Z 轴）的磁场，而且能经受超强磁场强度的影响。过去，这种解决方案需要使用三个独立 IC，所需 PCB 面积最高为 56 mm2。Allegro MicroSystems 最近推出的 A1266 就是此类器件的一个实例（参阅图 5），这种小型表面安装 SOT-23W 封装只需 9mm2的 PCB。A1266 还具有极高的灵敏度（工作点，BOP），所以它能在更大的面积或体积范围内检测干扰企图。 表 1显示了目前可用技术的对比。

图5：A1266 具有适合检测干扰的 3D 全向响应功能

表1：磁传感器 IC 可用技术的对比

不同传感器的响应图清楚显示了高灵敏度、全向、全极传感器的优势。下列图表假设有一个正面尺寸最大 290mm x 165mm 的矩形电表和一块 50mm x 50mm x 50mm 的 N45 磁铁（参阅图 6 和图 7）。

图6：假设电表尺寸和传感器气隙

图7：磁铁朝向（磁南极对电表正面）

待测试的传感器位于电表中间的正面下方 35mm 的位置。使用自动绘图仪使磁铁在电表外表面的上方 10mm 沿电表正面的长度和宽度方向移动。图 8显示了设置绘图仪对传感器的响应进行绘图。

图8：自动绘图仪

图 9显示了使用在 Z 轴方向具有最高灵敏度的传统平面霍尔传感器检测磁场时，这种假设电表的绘图结果。蓝色区域是磁铁位置，待测试的传感器在此能检测磁铁的存在。当磁铁位于传感器正上方时，传感器很容易就能检测到它。当磁铁沿 X-Y 轴平面移动时，气隙增大，磁场方向不再沿灵敏度最高的轴 （Z） 分布。但传感器能在 148mm x 148mm 的区域内检测磁铁。

图9：采用 1D 平面霍尔传感器的干扰覆盖范围 （43%）（蓝色表示检测区域）

图 10显示了使用由 2 个垂直霍尔元件和 1 个平面霍尔感应元件组成的单个 IC 封装全向 （3D） 霍尔传感器检测磁场时，相同的假设电表的绘图结果。蓝色区域是磁铁位置，待测试的传感器在此能检测磁铁的存在。当磁铁位于传感器正上方时，传感器很容易就能检测到它。当磁铁在 X-Y 轴平面内移动时，气隙增大，但由于磁铁偏离轴，所以影响减弱。在此情况下，传感器能在接近假设电表整个表面的更大范围（约覆盖区域的 280mm x 165 mm）内检测磁铁。

图10：采用 3D 霍尔传感器的干扰覆盖范围 （92%）（蓝色表示检测区域）

无论在哪种情况下，都可使用多个传感器覆盖更大的面积或体积范围。但需要很少的 3D 传感器覆盖较大的面积/体积范围。在显示的实例中，磁铁的朝向有利于被传统的平面霍尔 （1D） 传感器检测到。当磁铁的朝向改变或正对电表侧面时，图 9显示的性能会下降。

这体现了 3D 传感器的另一个优势，即它能检测在电表外部随机施加的磁场。如果是更小的电表，如常见的单相家用电表，使用单个 3D 传感器 IC 就足以覆盖整个电表。像 Allegro MicroSystems， LLC 推出的 A1266 这种将平面和垂直霍尔元件融为一体的器件能在较大的面积/体积范围内检测磁场干扰，而且完全不受磁铁朝向的影响。这不仅极大简化了系统设计，而且还允许使用数量最少的传感器，进行最灵敏的干扰检测。

智能电表标准

全球各地有许多机构正在制定智能电表的标准和规范。这些标准中对电表检测干扰的要求越来越多。这些机构有些是政府组织，有些是专门成立的行业团体。独立电力运营商也能为其购买和部署的电表制定相应的标准。当涉及磁干扰时，不同标准关于具体规范和检测方法的细节可能千差万别。表 2 列出了为智能电表制定标准的一些机构。

表2：行业标准

责任编辑：gt