一种霍尔电流传感器的电路设计

设计了一种零磁通型霍尔电流传感器，可广泛应用于交流变频驱动、焊接电源、开关电源、不间断电源等领域。该零磁通型霍尔电流传感器通过砷化镓霍尔元件检测由通电电流产生的磁场，继而有效地检测被测电流。
    由于霍尔元件产生的霍尔电势很微弱，而且还存在较大的失调电压，因此对霍尔电压的放大和对不等位电势的补偿是该设计的两个主要需要解决的问题，而且霍尔元件中载流子浓度等随温度变化而变化，因此还需用温度补偿电路对其温度补偿。

1 系统设计框架
    系统分为4个部分：1)霍尔元件的供电电路，由电压基准(电流基准)芯片为霍尔片提供工作电流；2)霍尔元件及磁芯，将感应片感应的磁场(该磁场由通电电流产生)转化为霍尔电压；3)放大电路，将微弱的霍尔电压进行放大；4)反馈部分，利用了磁平衡原理：一次侧电流所产生的磁场，通过二次线圈电流进行补偿，使磁芯始终处于零磁通工作状态。其系统总流程图如图1所示。

2 系统硬件电路设计
    系统由±5 V的稳压源供电。用一片电压基准芯片REF3012为砷化镓系列的霍尔元件HW300B提供基准电压。HW300B是一款可采用电压模式供电和电流模式供电的霍尔元件，HW300B放在开有气隙的集磁环的气隙里，并用胶水加以固定(霍尔元件和集磁环相对位置如果发生变化，会影响产生的霍尔电势的大小)。霍尔元件的输出接至仪器放大器AD620，作为放大器的差模出入端和共模输入端。放大器的增益可通过调节1、8引脚之间的10 kΩ的电位器改变。放大器的输出接反馈线圈，该反馈线圈绕在集磁环上，其绕线方向能使通过它的电流产生的磁场与集磁环收集到的磁场方向相反。反馈线圈末端放1个75 kΩ的精阻接地，可以通过测量精阻两端的电压，计算反馈线圈中的电流，进而推算穿过集磁环中心的被测电流的大小。其具体电路图如图2所示。

2．1 REF3012
    以SOT23-3封装的REF3012是一个高精度、低功耗、低电压差电压参考系列芯片。REF3012小尺寸和低功耗(最大50μA)非常适用于便携式和电池供电。它不需要负载电容，但对任何容性负载很稳定。因磁敏型霍尔元件很容易受温度的影响，可以采用恒流源供电以减小其温度系数。在该系统设计中，REF3012的输入引脚1接+5 V电源，并接10μF的旁路电容至地，该旁路电容对电源进行滤波，提高电源稳定性。而其输出引脚2接到HW300B的引脚1，并且也接1O μF的旁路电容至地，GND(地)引脚3接地。由于系统设计要求REF3012为HW300B提供2．5 V的基准电压，根据REF3012的数据资料可知，当输入电压为5 V时，输出电压为2．5 V，所以REF3012引脚1接+5 V电压。
2．2 霍尔元件
    本设计采用砷化镓系列的HW300B型霍尔元件，输出霍尔电压范围122～204mV，输入、输出阻抗为240～550 Ω，补偿电压为-7～7 mV，温度系数为-1．8％／℃。其输入可采用电压模式供电，也可采用电流模式供电。这里采用电压模式供电，即就是HW300B的引脚1、3为控制输入端，而引脚2、4为霍尔电压输出端。
    霍尔元件是将磁场转换为电信号的线性磁敏元件，霍尔输出电压
   
    式中，S为乘积灵敏度，mV／(mT·mA)；Ic为工作电流，mA；B为磁感应强度，mT。
    本设计中，将霍尔元件放进开有气隙的集磁环的气隙里，并将霍尔元件和集磁环固定，这样可以感应出更大、更稳定的霍尔电势。式(1)中，当S与Ic一定，则Vh与B有直接线性关系。通电导体周围必然产生磁场，根据安培定律，电流与磁场的关系式∮BdI=μ0I0得：
   
    式中，μ0为真空磁导率，。
    根据安培回路定律，可得到这种磁路形式的电流与磁场的关系

    由式(6)可知，根据霍尔元件的乘积灵敏度S，工作电流Ic，真空磁导率μ0，被测电流I0，缠绕匝数N1，气隙长度l2，便可计算出霍尔电压Vh。而且可知，气隙长度l2越小，霍尔电压Vh越大，所以气隙应以刚好卡住霍尔元件为宜。
2．3 放大电路
    由磁敏霍尔元件将集磁环收集到的磁场转换为弱电信号，输出一般为几毫伏的电压，需对其进行放大。这里采用AD620型仪器放大器，它通过改变电阻而改变放大倍数(1～1000)。AD620的1、8引脚之间通过跨接1只10 kΩ的电位器和1只75 Ω的电阻来调整放大倍数。若要改变放大倍数，可调节电位器AD620的引脚7、4分别接+5 V、-5 V的工作电压，并且分别接0．01 μF的旁路电容至地，用来滤除交流成分，使输出的直流更平滑；而其引脚3、2分别接霍尔元件的引脚2、4，其引脚6输出放大后的电压值，接反馈线圈；引脚5是参考基准，接REF3012的引脚3，作为整个系统的地接。
    仪器放大器电路由3个放大器共同组成，其中电阻R和RG需要在放大器的电阻使用范围内(1～10kΩ)，根据固定的电阻R调整其放大倍数，关系式如下：(需要注意每个放大器的饱和现象，放大器的最大输出电压为其工作电压±Vc)。AD620的输出电压Vo与输入电压V1、V2关系式如式(7)所示：

            
2．4 反馈电路
    零磁通霍尔传感器利用磁平衡原理：一次侧电流(被测电流)所产生的磁场，通过二次线圈电流进行补偿，使磁芯始终处于零磁通工作状态。当Io刚通过磁环，Is尚未形成时，霍尔元件检测出N1I0所产生的磁场信号，经放大级放大，推动驱动级。由于N2为补偿线圈，通过线圈电流不会突变，因此，Is逐渐上升，N2Is所产生的磁场补偿了N1I0所产生的磁场。因此，霍尔元件输出降低，Is上升减慢。当N2Is=N1I0时，磁场为零，霍尔元件输出为零。但由于线圈的缘故，Is还会上升，这样，N2Is>N1I0，补偿过冲，霍尔元件输出变号，输出驱动级使Is减小。如此反复在平衡点附近振荡。可以在反馈线圈上接一个精阻，通过测量电阻端的电压，计算Is的大小，通过N2Is=N1I0计算通电电流I0的大小，一般情况下N1=1。
2．5 不等位电势补偿
    不等位电势是霍尔元件在加控制电流而不加外磁场时出现的霍尔电势，称其为零位误差。在分析不等位电势时，可将霍尔元件等效为一个电桥，控制电极1、3和霍尔电极2、4可看作电桥的电阻连接点。它们之间分布电阻R1、R2、R3、R4构成4个桥臂，控制电压可视为电桥的工作电压。
    理想情况下，不等位电势UM=O，对应于电桥的平衡状态，此时R1=R2=R3=R4。如果霍尔元件的UM≠O，则电桥就处于不平衡状态，此时R1、R2、R3、R4的阻值有差异，UM就是电桥的不平衡输出电压。只要能使电桥达到平衡的方法都可作为不等位电势的补偿方法。
    本系统中不等位电势补偿方法为：在I0=0的情况下，系统上电，用万用表测试传感器的输出引脚电压值是否为零；为零则表示不等位电势UM=0。如果不等于零，用螺丝刀调节电位器W104390E使UM=0。
2．6 温度补偿问题
    由于载流子浓度等随温度变化而变化，会导致霍尔元件的内阻、霍尔电势等也随温度变化而变化。这种变化程度随不同半导体材料有所不同，而且温度高到一定程度，产生的变化相当大。温度误差是霍尔元件测量中不可忽视的误差。
    针对温度变化导致内阻(输入、输出电阻)的变化，可以采用对输入或输出电路的电阻进行补偿。对霍尔元件进行温度补偿的方法有很多种：采用恒流源提供控制电流、合理选择负载电阻、采用热敏电阻，也可以将整个霍尔电流传感器进行监测补偿。其中最简单实用的方法就是用热敏电阻对霍尔元件进行温度补偿。
    对于由温度系数较大的半导体材料(如锑化铟)制成的霍尔元件，常采用图3所示的温度补偿电路，其中Rt是热敏元件(热电阻或热敏电阻)。

    图3(a)是在输入回路进行温度补偿电路，当温度变化时，用Rt的变化来抵消霍尔元件的乘积灵敏度S和输入电阻Ri变化对霍尔输出电势Vk的影响。图3(b)则是在输出回路进行温度补偿的电路，当温度变化时，用Rt的变化来抵消霍尔电势Vk和输出电阻R0变化对负载电阻RL上的电压UL的影响。安装测量电路时，应使热敏元件和霍尔元件的温度一致。

3 测试结果
3．1 连接电路
    1)由DF1731SB3A型双路电源提供±18 V电压，经过电压转化芯片输出稳定的±5 V电压，给霍尔电流传感器提供工作电压，分别接传感器P1口的引脚1(GND)、2(+5 V)、3(-5 V)。P2口的引脚1为输出端，引脚3为GND。
    2)仔细检查电路，确认无误后上电。霍尔传感器的输出接UNI-TUTS8A型万用表。先调节HW30082、引脚3之间的100 kΩ电位器，使零点电压尽可能地接近0 mV。
    3)将待检测通电导线穿过集磁环。采用的方法是在8 Ω的功率电阻上施加电压，如果是交流电压电源TektronixAFG310，则产生交流电；如果是直流电源DF1731SB3A，则产生直流，通过改变电压的大小改变电流的大小。
3．2 线性度的测量
    线性度是指输出对于输入的跟踪度的好坏，输出与输入有良好的线性关系。表1为测试数据，在不等位电势为0 mV时，用UNI-T UTS8A型万用表测量的数据。

    当电阻两端接交流电压时，由Tektronix AFG310型交流信号源提供电压，输出接TektronixTDS型示波器，改变交流电压幅值的大小，观察示波器上波形幅度的大小。经观察线性度很好。调节AD620的放大倍数，可以使被测电流达到±99．6 A，一般的传感器电流范围为±50 A，因此该传感器的动态测试范围提高了将近50％。

3．3 频带宽度的测量
    霍尔元件的输出接示波器，使交流信号源提供1个频率为50 kHz，幅度为10 V的电压，观察输出信号的波形，如图4(a)所示，输出频率为50．2 kHz，峰峰值为184 mV的电压信号，改变电压的频率，系统输出的电压幅值基本保持不变，说明输出信号的幅频特性很好。经过测试，该传感器的频带宽度可以达到300 kHz，如图4(b)所示，输出信号的频率为301．4 kHz，峰峰值为170 mV，较同类型传感器(频带宽度为
50 kHz)有很大的提高。

3．4 响应时间
    响应时间指输入电流为交流时，从开始产生输出到输出稳定的时间，Tra(reactiontime@90％of Ipn)指达到输出稳定值的90％的时间，经过测试，零磁通型霍尔传感器的Tra=140．0 ns。Tr(response time of Ipn)指达到输出峰值的时间，经过测试，零磁通型霍尔传感器的Tr=280．0 ns，如图5所示。

4 结论
    该设计是在深入研究传统传感器的基础上，针对传统霍尔传感器设计的弊端，设计宽电流测试量程、高精度、宽频带的传感器。该传感器可以精确地感应被测电流，能够进行电路保护和监视电路性能，继而改善电路性能，起到保护设备的作用。经过测试，此传感器的电流动态测试范围比同类型的传感器提高了50％，线性度可以达到输入电流的0．2％，频带宽度可以达到300 kHz，并且具有体积小、功耗低、成本低、响应速度快、接口简单的优点，可以广泛应用于交流变频驱动、开关电源等方面。