一種霍爾電流傳感器的電路設計

盧 敏，鄭建生，張?zhí)嵘?，黃小秋

（武漢大學 電子信息學院，湖北 武漢 430079）

設計了一種零磁通型霍爾電流傳感器，可廣泛應用于交流變頻驅(qū)動、焊接電源、開關電源、不間斷電源等領域。該零磁通型霍爾電流傳感器通過砷化鎵霍爾元件檢測由通電電流產(chǎn)生的磁場，繼而有效地檢測被測電流［1］。

由于霍爾元件產(chǎn)生的霍爾電勢很微弱，而且還存在較大的失調(diào)電壓，因此對霍爾電壓的放大和對不等位電勢的補償是該設計的兩個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，因此還需用溫度補償電路對其溫度補償。

1 系統(tǒng)設計框架

系統(tǒng)分為4個部分：1）霍爾元件的供電電路，由電壓基準（電流基準）芯片為霍爾片提供工作電流；2）霍爾元件及磁芯，將感應片感應的磁場（該磁場由通電電流產(chǎn)生）轉(zhuǎn)化為霍爾電壓；3）放大電路，將微弱的霍爾電壓進行放大；4）反饋部分，利用了磁平衡原理：一次側(cè)電流所產(chǎn)生的磁場，通過二次線圈電流進行補償，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。

圖1 系統(tǒng)總流程Fig.1 Total flow chart of system

2 系統(tǒng)硬件電路設計

系統(tǒng)由±5 V的穩(wěn)壓源供電。用一片電壓基準芯片REF3012為砷化鎵系列的霍爾元件HW300B提供基準電壓。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 （霍爾元件和集磁環(huán)相對位置如果發(fā)生變化，會影響產(chǎn)生的霍爾電勢的大小）?；魻栐妮敵鼋又羶x器放大器AD620，作為放大器的差模出入端和共模輸入端。放大器的增益可通過調(diào)節(jié)1、8引腳之間的10 kΩ的電位器改變。放大器的輸出接反饋線圈，該反饋線圈繞在集磁環(huán)上，其繞線方向能使通過它的電流產(chǎn)生的磁場與集磁環(huán)收集到的磁場方向相反。反饋線圈末端放1個75 kΩ的精阻接地，可以通過測量精阻兩端的電壓，計算反饋線圈中的電流，進而推算穿過集磁環(huán)中心的被測電流的大小。其具體電路圖如圖2所示。

圖2 傳感器原理圖Fig.2 Schematic of sensor

2.1 REF3012

以SOT23-3封裝的REF3012是一個高精度、低功耗、低電壓差電壓參考系列芯片。REF3012小尺寸和低功耗（最大50 μA）非常適用于便攜式和電池供電［2］。它不需要負載電容，但對任何容性負載很穩(wěn)定。因磁敏型霍爾元件很容易受溫度的影響，可以采用恒流源供電以減小其溫度系數(shù)。在該系統(tǒng)設計中，REF3012的輸入引腳1接+5 V電源，并接10 μF的旁路電容至地，該旁路電容對電源進行濾波，提高電源穩(wěn)定性。而其輸出引腳2接到HW300B的引腳1，并且也接10 μF的旁路電容至地，GND（地）引腳3接地。由于系統(tǒng)設計要求REF3012為HW300B提供2.5 V的基準電壓，根據(jù)REF3012的數(shù)據(jù)資料可知，當輸入電壓為5 V時，輸出電壓為2.5 V，所以REF3012引腳1接+5 V電壓。

2.2 霍爾元件

本設計采用砷化鎵系列的HW300B型霍爾元件，輸出霍爾電壓范圍 122～204 mV，輸入、輸出阻抗為 240～550 Ω，補償電壓為-7～7 mV，溫度系數(shù)為-1.8%/℃［3］。 其輸入可采用電壓模式供電，也可采用電流模式供電。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。

霍爾元件是將磁場轉(zhuǎn)換為電信號的線性磁敏元件，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為磁感應強度，mT。

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

式中，μ0為真空磁導率，μ0=4π×10-7N1/A2。

根據(jù)安培回路定律，可得到這種磁路形式的電流與磁場的關系

式中，l1為磁環(huán)長度；l2為氣隙長度；N1為導線匝數(shù)；I0為被測電流。 由式（3）可得

式（4）中，μ1μ0為軟磁材料的絕對磁導率，4000～5000，l1/l2≈102，因此式（4）可簡化為

設 N1=1 則將式（5）代入式（1）有

由式（6）可知［4］，根據(jù)霍爾元件的乘積靈敏度 S，工作電流 Ic，真空磁導率 μ0，被測電流 I0，纏繞匝數(shù) N1，氣隙長度 l2，便可計算出霍爾電壓Vh。而且可知，氣隙長度l2越小，霍爾電壓Vh越大，所以氣隙應以剛好卡住霍爾元件為宜。

2.3 放大電路

由磁敏霍爾元件將集磁環(huán)收集到的磁場轉(zhuǎn)換為弱電信號，輸出一般為幾毫伏的電壓，需對其進行放大。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10 kΩ的電位器和1只75 Ω的電阻來調(diào)整放大倍數(shù)。若要改變放大倍數(shù)，可調(diào)節(jié)電位器AD620的引腳7、4分別接+5 V、-5 V的工作電壓，并且分別接0.01 μF的旁路電容至地，用來濾除交流成分，使輸出的直流更平滑；而其引腳3、2分別接霍爾元件的引腳2、4，其引腳6輸出放大后的電壓值，接反饋線圈；引腳5是參考基準，接REF3012的引腳3，作為整個系統(tǒng)的地接。

儀器放大器電路由3個放大器共同組成，其中電阻R和RG需要在放大器的電阻使用范圍內(nèi)（1～10 kΩ），根據(jù)固定的電阻R調(diào)整其放大倍數(shù)，關系式如下：（需要注意每個放大器的飽和現(xiàn)象，放大器的最大輸出電壓為其工作電壓±VC）。AD620的輸出電壓 V0與輸入電壓 V1、V2關系式如式（7）所示：

放大倍數(shù)的關系式

2.4 反饋電路

零磁通霍爾傳感器利用磁平衡原理：一次側(cè)電流（被測電流）所產(chǎn)生的磁場，通過二次線圈電流進行補償，使磁芯始終處于零磁通工作狀態(tài)。當I0剛通過磁環(huán)，IS尚未形成時，霍爾元件檢測出N1I0所產(chǎn)生的磁場信號，經(jīng)放大級放大，推動驅(qū)動級。由于N2為補償線圈，通過線圈電流不會突變，因此IS逐漸上升，N2IS所產(chǎn)生的磁場補償了N1I0所產(chǎn)生的磁場。因此，霍爾元件輸出降低，IS上升減慢。當N2IS=N1I0時，磁場為零，霍爾元件輸出為零。但由于線圈的緣故，IS還會上升，這樣，N2IS＞N1I0，補償過沖，霍爾元件輸出變號，輸出驅(qū)動級使 IS減小。如此反復在平衡點附近振蕩?？梢栽诜答伨€圈上接一個精阻，通過測量電阻端的電壓，計算IS的大小，通過N2IS=N1I0計算通電電流 I0的大?。?］，一般情況下 N1=1。

2.5 不等位電勢補償

不等位電勢是霍爾元件在加控制電流而不加外磁場時出現(xiàn)的霍爾電勢，稱其為零位誤差。在分析不等位電勢時，可將霍爾元件等效為一個電橋，控制電極1、3和霍爾電極2、4可看作電橋的電阻連接點。它們之間分布電阻R1、R2、R3、R4構(gòu)成4個橋臂，控制電壓可視為電橋的工作電壓［7］。

理想情況下，不等位電勢UM=0，對應于電橋的平衡狀態(tài)，此時R1=R2=R3=R4。如果霍爾元件的UM≠0，則電橋就處于不平衡狀態(tài)， 此時 R1、R2、R3、R4的阻值有差異，UM就是電橋的不平衡輸出電壓。只要能使電橋達到平衡的方法都可作為不等位電勢的補償方法。

本系統(tǒng)中不等位電勢補償方法為：在I0=0的情況下，系統(tǒng)上電，用萬用表測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 溫度補償問題

由于載流子濃度等隨溫度變化而變化，會導致霍爾元件的內(nèi)阻、霍爾電勢等也隨溫度變化而變化。這種變化程度隨不同半導體材料有所不同，而且溫度高到一定程度，產(chǎn)生的變化相當大。溫度誤差是霍爾元件測量中不可忽視的誤差［8］。

針對溫度變化導致內(nèi)阻（輸入、輸出電阻）的變化，可以采用對輸入或輸出電路的電阻進行補償。對霍爾元件進行溫度補償?shù)姆椒ㄓ泻芏喾N：采用恒流源提供控制電流、合理選擇負載電阻、采用熱敏電阻，也可以將整個霍爾電流傳感器進行監(jiān)測補償。其中最簡單實用的方法就是用熱敏電阻對霍爾元件進行溫度補償。

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

圖3 溫度補償電路Fig.3 Temperature compensation circuit

圖3（a）是在輸入回路進行溫度補償電路，當溫度變化時，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變化對霍爾輸出電勢Vh的影響。圖3（b）則是在輸出回路進行溫度補償?shù)碾娐?，當溫度變化時，用Rt的變化來抵消霍爾電勢Vh和輸出電阻R0變化對負載電阻RL上的電壓UL的影響。安裝測量電路時，應使熱敏元件和霍爾元件的溫度一致。

3 測試結(jié)果

3.1 連接電路

1）由DF1731SB3A型雙路電源提供±18 V電壓，經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)化芯片輸出穩(wěn)定的±5 V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（+5 V）、3（-5 V）。P2口的引腳1為輸出端，引腳3為GND。

2）仔細檢查電路，確認無誤后上電?；魻杺鞲衅鞯妮敵鼋覷NI-TUTS8A型萬用表。先調(diào)節(jié)HW300B2、引腳3之間的100 kΩ電位器，使零點電壓盡可能地接近0 mV。

3）將待檢測通電導線穿過集磁環(huán)。采用的方法是在8 Ω的功率電阻上施加電壓，如果是交流電壓電源Tektronix AFG310，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 線性度的測量

線性度是指輸出對于輸入的跟蹤度的好壞，輸出與輸入有良好的線性關系。表1為測試數(shù)據(jù)，在不等位電勢為0 mV時，用UNI-T UTS8A型萬用表測量的數(shù)據(jù)。

表1 線性度測量數(shù)據(jù)Tab.1 Linearity measurements data

當電阻兩端接交流電壓時，由Tektronix AFG310型交流信號源提供電壓，輸出接TektronixTDS型示波器，改變交流電壓幅值的大小，觀察示波器上波形幅度的大小。經(jīng)觀察線性度很好。調(diào)節(jié)AD620的放大倍數(shù)，可以使被測電流達到±99.6 A，一般的傳感器電流范圍為±50 A，因此該傳感器的動態(tài)測試范圍提高了將近50%。

3.3 頻帶寬度的測量

霍爾元件的輸出接示波器，使交流信號源提供1個頻率為50 kHz，幅度為10 V的電壓，觀察輸出信號的波形，如圖4（a）所示，輸出頻率為50.2 kHz，峰峰值為184 mV的電壓信號，改變電壓的頻率，系統(tǒng)輸出的電壓幅值基本保持不變，說明輸出信號的幅頻特性很好。經(jīng)過測試，該傳感器的頻帶寬度可以達到 300 kHz，如圖 4（b）所示，輸出信號的頻率為301.4 kHz，峰峰值為170 mV，較同類型傳感器（頻帶寬度為50 kHz）有很大的提高。

圖4 零磁通型霍爾傳感器的頻帶寬度測試圖Fig.4 Bandwidth test map of zero-flux type Hall sensor

3.4 響應時間

響應時間指輸入電流為交流時，從開始產(chǎn)生輸出到輸出穩(wěn)定的時間，Tra（reaction time@90%of Ipn）指達到輸出穩(wěn)定值的90%的時間，經(jīng)過測試，零磁通型霍爾傳感器的Tra=140.0 ns。Tr（response time of Ipn ）指達到輸出峰值的時間，經(jīng)過測試，零磁通型霍爾傳感器的Tr=280.0 ns，如圖5所示。

圖5 響應時間Fig.5 Response time

4 結(jié) 論

該設計是在深入研究傳統(tǒng)傳感器的基礎上，針對傳統(tǒng)霍爾傳感器設計的弊端，設計寬電流測試量程、高精度、寬頻帶的傳感器。該傳感器可以精確地感應被測電流，能夠進行電路保護和監(jiān)視電路性能，繼而改善電路性能，起到保護設備的作用。經(jīng)過測試，此傳感器的電流動態(tài)測試范圍比同類型的傳感器提高了50%，線性度可以達到輸入電流的0.2%，頻帶寬度可以達到300 kHz，并且具有體積小、功耗低、成本低、響應速度快、接口簡單的優(yōu)點，可以廣泛應用于交流變頻驅(qū)動、開關電源等方面。

[1] 薛同蓮.CMOS霍爾傳感器的設計與參數(shù)優(yōu)化[D].上海：上海大學，2007.

[2] Texas Instruments Products.REF3012/REF3020/REF3025/REF3030/REF3033 Datasheet[EB/OL]. （2004-03）[2010-04].http://www.dzsc.com/icstock/213/REF3012.html.

[3] InSb Hall Element.HW-300B Datasheet[EB/OL].（2009-06-03）[2010-04-20].http://www.dzsc.com/icstock/319/HW-300B.html.

[4] 趙負圖.傳感器集成電路手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2001：175-300.

[5] 董尚斌，代永紅.電子線路[M].北京：清華大學出版社，2006.

[6] Analog Devices.AD620 Datasheet[EB/OL]. （2004-03）[2010-04-20].http://www.analog.com/en/other-products/militaryaerospace/ad620/products/product.html.

[7] 馮明.霍爾元件不等位電勢的調(diào)制消除[J].功能材料與器件學報，2004，10（4）：455-458.FENG Ming.Allelic Hall element to eliminate the modulation potential[J].Journal of Functional Materials and Deviles，2004，10（4）：455-458.

[8] 施隆照.NTC—熱敏電阻串、并聯(lián)溫度補償電路設計[J].福州大學學報：自然科學版，2003：2-3.SHILong-zhao.NTC-thermistorin series and parallel temperature compensation circuit design [J].Journal of Fuzhou University：Natural Science Edition，2003：2-3.