介紹一種零磁通型霍爾電流傳感器設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯介紹一種零磁通型霍爾電流傳感器設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用設(shè)計(jì)了一種零磁通型霍爾電流傳感器，可廣泛應(yīng)用于交流變頻驅(qū)動(dòng)、焊接電源、開關(guān)電源、不間斷電源等領(lǐng)域。該零磁通型霍爾電流傳感器通過砷化鎵霍爾元件檢測(cè)由通電電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，繼而有效地檢測(cè)被測(cè)電流。

圣斯?fàn)枴癝SET”專注研發(fā)生產(chǎn)霍爾電流傳感器,將交直流電流電壓功率頻率等電信號(hào),隔離轉(zhuǎn)換成4-20mA/0-10V等各種標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流I，并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上，將產(chǎn)生電勢(shì)差為UH的霍爾電壓。

由于霍爾元件產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)很微弱，而且還存在較大的失調(diào)電壓，因此對(duì)霍爾電壓的放大和對(duì)不等位電勢(shì)的補(bǔ)償是該設(shè)計(jì)的兩個(gè)主要需要解決的問題，而且霍爾元件中載流子濃度等隨溫度變化而變化，因此還需用溫度補(bǔ)償電路對(duì)其溫度補(bǔ)償。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

系統(tǒng)分為4個(gè)部分：1）霍爾元件的供電電路，由電壓基準(zhǔn)（電流基準(zhǔn)）芯片為霍爾片提供工作電流；2）霍爾元件及磁芯，將感應(yīng)片感應(yīng)的磁場(chǎng)（該磁場(chǎng)由通電電流產(chǎn)生）轉(zhuǎn)化為霍爾電壓；3）放大電路，將微弱的霍爾電壓進(jìn)行放大；4）反饋部分，利用了磁平衡原理：側(cè)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，通過二次線圈電流進(jìn)行補(bǔ)償，使磁芯始終處于零磁通工作狀態(tài)。其系統(tǒng)總流程圖如圖1所示。

2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由±5V的穩(wěn)壓源供電。用一片電壓基準(zhǔn)芯片REF3012為砷化鎵系列的霍爾元件HW300B提供基準(zhǔn)電壓。HW300B是一款可采用電壓模式供電和電流模式供電的霍爾元件，HW300B放在開有氣隙的集磁環(huán)的氣隙里，并用膠水加以固定。其具體電路圖如圖2所示。

2.1REF3012

以SOT23-3封裝的REF3012是一個(gè)高精度、低功耗、低電壓差電壓參考系列芯片。REF3012小尺寸和低功耗（50μA）非常壓。

2.2霍爾元件

本設(shè)計(jì)采用砷化鎵系列的HW300B型霍爾元件，輸出霍爾電壓范圍122～204mV，輸入、輸出阻抗為240～550Ω，補(bǔ)償電壓為-7～7mV，溫度系數(shù)為-1.8％／℃。這里采用電壓模式供電，即就是HW300B的引腳1、3為控制輸入端，而引腳2、4為霍爾電壓輸出端。

霍爾元件是將磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的線性磁敏元件，霍爾輸出電壓

式中，S為乘積靈敏度，mV／（mT·mA）；Ic為工作電流，mA；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，mT。

本設(shè)計(jì)中，將霍爾元件放進(jìn)開有氣隙的集磁環(huán)的氣隙里，并將霍爾元件和集磁環(huán)固定，這樣可以感應(yīng)出更大、更穩(wěn)定的霍爾電勢(shì)。式（1）中，當(dāng)S與Ic一定，則Vh與B有直接線性關(guān)系。通電導(dǎo)體周圍必然產(chǎn)生磁場(chǎng)，根據(jù)安培定律，電流與磁場(chǎng)的關(guān)系式∮BdI=μ0I0得：

式中，μ0為真空磁導(dǎo)率，。

根據(jù)安培回路定律，可得到這種磁路形式的電流與磁場(chǎng)的關(guān)系

由式（6）可知，根據(jù)霍爾元件的乘積靈敏度S，工作電流Ic，真空磁導(dǎo)率μ0，被測(cè)電流I0，纏繞匝數(shù)N1，氣隙長度l2，便可計(jì)算出霍爾電壓Vh。

2.3放大電路

由磁敏霍爾元件將集磁環(huán)收集到的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為弱電信號(hào)，輸出一般為幾毫伏的電壓，需對(duì)其進(jìn)行放大。這里采用AD620型儀器放大器，它通過改變電阻而改變放大倍數(shù)（1～1000）。AD620的1、8引腳之間通過跨接1只10kΩ的電位器和1只75Ω的電阻來調(diào)整放大倍數(shù)。

儀器放大器電路由3個(gè)放大器共同組成，其中電阻R和RG需要在放大器的電阻使用范圍內(nèi)（1～10kΩ），根據(jù)固定的電阻R調(diào)整其放大倍數(shù)。AD620的輸出電壓Vo與輸入電壓V1、V2關(guān)系式如式（7）所示：

2.4反饋電路

零磁通霍爾傳感器利用磁平衡原理：側(cè)電流（被測(cè)電流）所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，通過二次線圈電流進(jìn)行補(bǔ)償，使磁芯始終處于零磁通工作狀態(tài)。當(dāng)Io剛通過磁環(huán)，Is尚未形成時(shí)，霍爾元件檢測(cè)出N1I0所產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)，經(jīng)放大級(jí)放大，推動(dòng)驅(qū)動(dòng)級(jí)。

2.5不等位電勢(shì)補(bǔ)償

不等位電勢(shì)是霍爾元件在加控制電流而不加外磁場(chǎng)時(shí)出現(xiàn)的霍爾電勢(shì)，稱其為零位誤差。在分析不等位電勢(shì)時(shí)，可將霍爾元件等效為一個(gè)電橋，控制電極1、3和霍爾電極2、4可看作電橋的電阻連接點(diǎn)。它們之間分布電阻R1、R2、R3、R4構(gòu)成4個(gè)橋臂，控制電壓可視為電橋的工作電壓。

理想情況下，不等位電勢(shì)UM=O，對(duì)應(yīng)于電橋的平衡狀態(tài)，此時(shí)R1=R2=R3=R4。如果霍爾元件的UM≠O，則電橋就處于不平衡狀態(tài)，此時(shí)R1、R2、R3、R4的阻值有差異，UM就是電橋的不平衡輸出電壓。

本系統(tǒng)中不等位電勢(shì)補(bǔ)償方法為：在I0=0的情況下，系統(tǒng)上電，用萬用表測(cè)試傳感器的輸出引腳電壓值是否為零；為零則表示不等位電勢(shì)UM=0。如果不等于零，用螺絲刀調(diào)節(jié)電位器W104390E使UM=0。

2.6溫度補(bǔ)償問題

由于載流子濃度等隨溫度變化而變化，會(huì)導(dǎo)致霍爾元件的內(nèi)阻、霍爾電勢(shì)等也隨溫度變化而變化。這種變化程度隨不同半導(dǎo)體材料有所不同，而且溫度高到一定程度，產(chǎn)生的變化相當(dāng)大。溫度誤差是霍爾元件測(cè)量中不可忽視的誤差。

針對(duì)溫度變化導(dǎo)致內(nèi)阻（輸入、輸出電阻）的變化，可以采用對(duì)輸入或輸出電路的電阻進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)霍爾元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ泻芏喾N：采用恒流源提供控制電流、合理選擇負(fù)載電阻、采用熱敏電阻，也可以將整個(gè)霍爾電流傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)補(bǔ)償。其中簡單實(shí)用的方法就是用熱敏電阻對(duì)霍爾元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

對(duì)于由溫度系數(shù)較大的半導(dǎo)體材料（如銻化銦）制成的霍爾元件，常采用圖3所示的溫度補(bǔ)償電路，其中Rt是熱敏元件（熱電阻或熱敏電阻）。

圖3（a）是在輸入回路進(jìn)行溫度補(bǔ)償電路，當(dāng)溫度變化時(shí)，用Rt的變化來抵消霍爾元件的乘積靈敏度S和輸入電阻Ri變化對(duì)霍爾輸出電勢(shì)Vk的影響。圖3（b）則是在輸出回路進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)碾娐?，?dāng)溫度變化時(shí)，用Rt的變化來抵消霍爾電勢(shì)Vk和輸出電阻R0變化對(duì)負(fù)載電阻RL上的電壓UL的影響。

3測(cè)試結(jié)果

3.1連接電路

1）由DF1731SB3A型雙路電源提供±18V電壓，經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)化芯片輸出穩(wěn)定的±5V電壓，給霍爾電流傳感器提供工作電壓，分別接傳感器P1口的引腳1（GND）、2（+5V）、3（-5V）。P2口的引腳1為輸出端，引腳3為GND。

2）仔細(xì)檢查電路，確認(rèn)無誤后上電?；魻杺鞲衅鞯妮敵鼋覷NI-TUTS8A型萬用表。先調(diào)節(jié)HW30082、引腳3之間的100kΩ電位器，使零點(diǎn)電壓盡可能地接近0mV。

3）將待檢測(cè)通電導(dǎo)線穿過集磁環(huán)。采用的方法是在8Ω的功率電阻上施加電壓，如果是交流電壓電源TektronixAFG310，則產(chǎn)生交流電；如果是直流電源DF1731SB3A，則產(chǎn)生直流，通過改變電壓的大小改變電流的大小。

3.2線性度的測(cè)量

線性度是指輸出對(duì)于輸入的跟蹤度的好壞，輸出與輸入有良好的線性關(guān)系。表1為測(cè)試數(shù)據(jù)，在不等位電勢(shì)為0mV時(shí)，用UNI-TUTS8A型萬用表測(cè)量的數(shù)據(jù)。

經(jīng)觀察線性度很好。調(diào)節(jié)AD620的放大倍數(shù)，可以使被測(cè)電流達(dá)到±99.6A，一般的傳感器電流范圍為±50A，因此該傳感器的動(dòng)態(tài)測(cè)試范圍提高了將近50％。

3.3頻帶寬度的測(cè)量

霍爾元件的輸出接示波器，使交流信號(hào)源提供1個(gè)頻率為50kHz，幅度為10V的電壓，觀察輸出信號(hào)的波形，如圖4（a）所示，輸出頻率為50.2kHz，峰峰值為184mV的電壓信號(hào)，改變電壓的頻率，系統(tǒng)輸出的電壓幅值基本保持不變，說明輸出信號(hào)的幅頻特性很好。

3.4響應(yīng)時(shí)間

響應(yīng)時(shí)間指輸入電流為交流時(shí)，從開始產(chǎn)生輸出到輸出穩(wěn)定的時(shí)間，Tra（reactiontime@90％ofIpn）指達(dá)到輸出穩(wěn)定值的90％的時(shí)間，經(jīng)過測(cè)試，零磁通型霍爾傳感器的Tra=140.0ns。Tr（responsetime