一種霍爾電流變送器電路的設(shè)計(jì)

關(guān) 克，米哲濤，胡冬青

（寧波南車時(shí)代傳感技術(shù)有限公司 浙江寧波 315021）

一種霍爾電流變送器電路的設(shè)計(jì)

關(guān) 克，米哲濤，胡冬青

（寧波南車時(shí)代傳感技術(shù)有限公司 浙江寧波 315021）

目前市場(chǎng)上電流檢測(cè)設(shè)備是采用電流傳感器或者互感器居多，但是都有其局限性，比如傳感器檢測(cè)直流或交流電流則輸出為相應(yīng)的直流與交流信號(hào)，而互感器只能檢測(cè)交流信號(hào)。同時(shí)由于產(chǎn)品的輸出信號(hào)中往往夾雜著交流量和直流量，往往造成系統(tǒng)數(shù)字采樣后整體誤差增大。基于以上背景，本文設(shè)計(jì)一種電流變送器，能夠同時(shí)檢測(cè)直流、任意波形的交流信號(hào)并輸出純凈的直流信號(hào)來(lái)反映輸入信號(hào)變化。通過(guò)設(shè)計(jì)電路的參數(shù)計(jì)算，調(diào)節(jié)磁芯氣隙尺寸或電路放大倍數(shù)可以實(shí)現(xiàn)任意電流大小的測(cè)量。

霍爾效應(yīng)；電流檢測(cè)；模擬信號(hào)處理；真有效值轉(zhuǎn)換

傳統(tǒng)的電流傳感器通常采用正負(fù)電源對(duì)稱供電，采用直流/交流大信號(hào)到直流/交流小信號(hào)的轉(zhuǎn)化方式。這種實(shí)現(xiàn)方法往往對(duì)電源的對(duì)稱性和穩(wěn)定要求較高，一旦電源對(duì)稱性出現(xiàn)問(wèn)題會(huì)造成整個(gè)產(chǎn)品發(fā)生故障；同時(shí)由于產(chǎn)品的輸出信號(hào)中往往夾雜著交流量和直流量，往往造成系統(tǒng)數(shù)字采樣后整體誤差增大[1]。故本文基于以上考慮，設(shè)計(jì)一種單電源供電、可對(duì)任意電流波形進(jìn)行檢測(cè)，且輸出為純凈直流電流信號(hào)的電路，由于輸出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，故稱其電流變送器電路。

1 電路工作原理與結(jié)構(gòu)

作為霍爾電流傳感器的核心器件之一，霍爾元件起著非常重要的作用，如圖1所示，其霍爾效應(yīng)的主要原理是在半導(dǎo)體薄片兩端通霍爾電流Ic，并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(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VH的霍爾電壓，霍爾電壓VH與霍爾電流Ic及磁感應(yīng)強(qiáng)度B的乘積成正比[2]。

圖1 霍爾效應(yīng)示意圖

式中，K=Rh/d，K稱為靈敏度，Rh稱為霍爾系數(shù)，由半導(dǎo)體材料的性質(zhì)決定；d為半導(dǎo)體材料的厚度。

電流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)根據(jù)霍爾效應(yīng)原理和電磁感應(yīng)定律，放置于鐵芯開(kāi)口中的霍爾元件所產(chǎn)生的霍爾電動(dòng)勢(shì)VH與穿過(guò)該鐵芯的電流I成正比，即VH∝I，因此有VH=KH*I，其中KH為轉(zhuǎn)換系數(shù)[3]；VH信號(hào)經(jīng)調(diào)理后，通過(guò)電路對(duì)不同性質(zhì)信號(hào)的有效值轉(zhuǎn)換，得到純凈的直流電壓信號(hào)VDC，該信號(hào)經(jīng)偏置處理后，經(jīng)過(guò)V/I轉(zhuǎn)換，得到標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA直流信號(hào)，其工作框圖如圖2所示。

圖2 電流檢測(cè)電路

電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，主要分為電源轉(zhuǎn)換部分、信號(hào)采集部分和信號(hào)處理部分，其中電源部分需要給不同芯片供電，需要轉(zhuǎn)換為+15 Vdc、+5 Vdc和-5 Vdc直流電壓。信號(hào)采集是電流通過(guò)鐵芯產(chǎn)生磁場(chǎng)，霍爾元件產(chǎn)生感應(yīng)電壓，差分放大后歷經(jīng)放大、縮小、有效值轉(zhuǎn)換、V/I轉(zhuǎn)換后輸出。整個(gè)電路中設(shè)計(jì)有3個(gè)可調(diào)電阻，分為調(diào)零點(diǎn)（霍爾元件無(wú)磁場(chǎng)測(cè)量，上電時(shí)，會(huì)有空載霍爾電勢(shì)，稱為霍爾零點(diǎn)）、調(diào)增益、調(diào)偏置，用來(lái)提高電路的精度。

圖3 電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

2 電源供電設(shè)計(jì)

電源設(shè)計(jì)是整個(gè)電路設(shè)計(jì)的核心，與傳感器不同之處是采用單電源供電，并且供電電壓最高達(dá)到50 Vdc，產(chǎn)品功耗最大只有2.4 W，而同樣是電流輸出的磁平衡電流傳感器供電為±24 Vdc，功耗最大可以達(dá)到8 W[4]。

該電源供電電路不僅要滿足電路的各部分供電，而且要滿足相對(duì)應(yīng)產(chǎn)品的EMC試驗(yàn)和器件散熱的要求。電源電路的供電范圍應(yīng)滿足20～50 Vdc供電，其寬范圍的供電一般可以采用DC-DC來(lái)降壓，但是2.5～3 W的DC-DC的體積和價(jià)格并無(wú)優(yōu)勢(shì)，故采用低成本的LDO搭建電源模塊是設(shè)計(jì)的首選。如圖4所示，寬壓范圍供電和較大電流輸出使得LDO功耗較大，因此采用兩個(gè)晶體管并聯(lián)的方式分壓分流，形成多個(gè)供電電平，通過(guò)晶體管和線性穩(wěn)壓器來(lái)分擔(dān)功耗。如此方法設(shè)計(jì)，可以采用板級(jí)散熱代替散熱器散熱。對(duì)于傳感器緊湊的空間來(lái)講，這種設(shè)計(jì)更有優(yōu)勢(shì)。

圖4 電源部分電路設(shè)計(jì)

3 信號(hào)處理部分設(shè)計(jì)

3.1 霍爾驅(qū)動(dòng)部分

霍爾元件有恒流與恒壓兩種驅(qū)動(dòng)方式。恒流驅(qū)動(dòng)是流過(guò)元件輸入端電流保持恒定的電路，恒壓驅(qū)動(dòng)是元件輸入端的電壓保持恒定的電路，如圖5所示。

圖5 霍爾驅(qū)動(dòng)電路

恒壓驅(qū)動(dòng)的主要特點(diǎn)：施加在霍爾元件輸入端的電壓Eb恒定不變，但霍爾電流Ic發(fā)生變化，霍爾電壓VH的溫度變化大。

恒流驅(qū)動(dòng)的主要特點(diǎn)：霍爾串聯(lián)電阻 R＞＞Rin時(shí)，霍爾電流Ic恒定，當(dāng)元件間電壓發(fā)生變化時(shí)，霍爾電壓VH變化大[5]。

本產(chǎn)品設(shè)計(jì)原理為開(kāi)環(huán)原理，霍爾工作電流的變化會(huì)直接影響輸出電壓，從而導(dǎo)致產(chǎn)品輸出的變化，所以我們選擇恒流驅(qū)動(dòng)模式來(lái)設(shè)計(jì)。

霍爾是采集電流信號(hào)的源頭，通過(guò)感應(yīng)磁場(chǎng)的變化產(chǎn)生電橋的失衡，從而與內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電流結(jié)合產(chǎn)生差分電壓，正是電路需要采集的動(dòng)態(tài)信號(hào)?；魻栐胁煌倪B線方式，我們采用GaAs（砷化鎵）材料的霍爾元件以THS119為例來(lái)說(shuō)明[6]，如表1和表2所示。

從以上技術(shù)參數(shù)可以看出，霍爾電流建議10 mA以下，我們?cè)O(shè)計(jì)霍爾驅(qū)動(dòng)電路保證霍爾能夠正常工作即可。

表1 極限參數(shù)（TA＝+25℃）

表2 主要技術(shù)參數(shù)（TA＝+25℃）

3.2 放大及信號(hào)處理模塊之放大部分

信號(hào)處理部分是本設(shè)計(jì)的特殊部分，與常用電流傳感器有很大區(qū)別，傳感器的零點(diǎn)偏移是影響傳感器精度的重要因素。零點(diǎn)偏正或偏負(fù)都會(huì)影響產(chǎn)品的精度，需要精確的調(diào)零是基本工作。本設(shè)計(jì)更改了傳感器零點(diǎn)的傳統(tǒng)調(diào)零方式，同時(shí)優(yōu)化了微弱信號(hào)放大之后的精度。

霍爾元件的輸出電壓通常只有數(shù)毫伏至數(shù)百毫伏，因而需要有放大電路。為了消除非磁場(chǎng)因素引入同向電壓的影響，必須差分放大電路[7]。在用單運(yùn)算放大器進(jìn)行差分放大時(shí)，如果不將放大器的輸入電阻增加到大于霍爾元件輸出電阻的程度，誤差就會(huì)變大。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，似乎放大器的輸入電阻越大越好，但是輸入電阻太大，后續(xù)運(yùn)放的輸入偏置電流引起的偏置誤差就會(huì)變大[8]，所以考慮到以上因素，此模塊設(shè)計(jì)為N1A單運(yùn)放組成的減法電路，如圖6所示，設(shè)R9前端為Vi1，R10前端為Vi2，運(yùn)放N1A輸出電壓為Vo，則

R13、R15、R14、R16、RP1組成調(diào)零調(diào)整電路，將信號(hào)電平抬高5 V來(lái)設(shè)計(jì)單電源基準(zhǔn)VCC2，把電路中器件引起的誤差先放大進(jìn)行調(diào)零，這樣器件本身的偏置電壓引起的誤差減小，后面電路中加入比例縮小電路配合，可以極大優(yōu)化由于器件偏置引起的誤差，調(diào)零便可以一次完成，后續(xù)不需要再進(jìn)行調(diào)零[9]。而常用電流傳感器是雙電平調(diào)零，電源波動(dòng)影響大，無(wú)法抵消器件本身輸出偏置電壓，調(diào)零需要多次，而且精度不高[10]。

圖6 信號(hào)放大調(diào)零

如N1A的放大電路，由于運(yùn)放零點(diǎn)時(shí)有偏移電壓存在，經(jīng)過(guò)放大

按電壓偏移典型值 0.25 mV計(jì)算，Vos=0.25× 390/8.2=11.89 mV，N1B也有同樣的問(wèn)題，通過(guò)調(diào)零模塊補(bǔ)償?shù)簟?/p>

零點(diǎn)時(shí)，通過(guò)RP1調(diào)節(jié)零點(diǎn)，運(yùn)放 V6PIN=V5PIN，放大后輸出為VO1，理想的零點(diǎn)時(shí)VO1為零。

NIB同時(shí)組成放大電路，VO1與Vo的關(guān)系為：

3.3 放大及信號(hào)處理模塊之真有效值轉(zhuǎn)換部分

信號(hào)的轉(zhuǎn)化也是本設(shè)計(jì)獨(dú)特之處，其功能是將直流電壓信號(hào)和交流電壓信號(hào)都轉(zhuǎn)化成為統(tǒng)一的直流電流輸出。

NA3搭建一個(gè)帶增益的反向?yàn)V波器，其增益絕對(duì)值是小于1的，根據(jù)N4芯片輸入范圍要求，差模信號(hào)峰值不得超過(guò)1Vp-p，頻率范圍為DC或小于6 kHz，故前端設(shè)計(jì)帶增益的低通濾波電路如圖7所示。

圖7 信號(hào)有效值轉(zhuǎn)換

其截止頻率的計(jì)算方法如下:

設(shè)（R18+RP2+R19）為RCOM，令

在足夠低的頻率上|ZC14|遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Rcom，可以略去|ZC14|，因此可以看做增益為H=H0=-Rcom/R17的反向放大器，在足夠高的頻率上，可以略去Rcom，可以看做一個(gè)積分器，對(duì)于ω/ω0=1可以得到，或者等效為|H|dB=|H0|dB-3 dB。因此為頻率為截止頻率[11]。

N4為真有效值轉(zhuǎn)換芯片，在50 Hz到1 kHz具有0.25%的整體誤差，真實(shí)的RMS AC+DC的測(cè)量。其主要管腳作用和接線方法如下[12]：

①IN1和IN2:輸入腳，差動(dòng)輸入DC耦合且與極性無(wú)關(guān)；

②Vout：輸出電壓，該引腳為高阻抗，RMS的均值是通過(guò)該節(jié)點(diǎn)與 RTN之間的一個(gè)分流電容來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其轉(zhuǎn)移函數(shù)為[13]

芯片輸出為高阻抗，考慮加入高阻抗同相放大器N3B來(lái)匹配；

③RTN：該引腳為輸出回流，輸出電壓時(shí)相對(duì)該引腳建立起來(lái)的，該引腳接地即可；

⑤電源VDD接+5 V，VSS接-5 V。

圖8 V/I轉(zhuǎn)換電路

采用的是N3B運(yùn)放電源軌的限壓方式，運(yùn)放采用±5 V供電，信號(hào)被5 V電源軌限制，則輸出被限制在安全范圍之內(nèi)，最高最終輸出不會(huì)超過(guò)22 mA。

文中的設(shè)計(jì)需要磁路設(shè)計(jì)搭配來(lái)使用，磁路的設(shè)計(jì)會(huì)直接影響電路的輸入輸出。所以，本文電路設(shè)計(jì)僅可以作為設(shè)計(jì)電流變送器電路部分的參考。

4 結(jié) 論

基于目前電流傳感器和互感器的應(yīng)用背景，設(shè)計(jì)一種輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)直流信號(hào)的電流變送器電路，文中對(duì)電流變送器電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的描述，與電流傳感器相比，更廣范圍的單電源供電、任意波形信號(hào)測(cè)量和4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出的電流變送器方便后續(xù)采樣與控制，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。

[1]揭秉信.大電流測(cè)量[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

[2]吳騰奇.霍爾傳感器及其應(yīng)用[J].傳感器世界，1997（1）：37-38.

[3]米哲濤，曹雷.霍爾元件在電流傳感器中的應(yīng)用[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2011（1）：32-35.

[4]魯光輝.霍爾電流傳感器的性能及應(yīng)用[J].四川文理學(xué)院學(xué)報(bào)，2007（2）：40-42.

[5]王美麗.霍爾傳感器的應(yīng)用探討[J].山西電子技術(shù)，2010（4）：84-86.

[6]王旭，付亞平.霍爾傳感器測(cè)量精度影響因素的研究 [J].煤礦機(jī)械，2008（2）：202-204.

[7]李澤勇，王文生.閉環(huán)霍爾電流傳感器在車用電源系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子元器件應(yīng)用，2004（5）：25-35.

[8]盧文科，朱長(zhǎng)純，方建安.霍爾元件與電子檢測(cè)應(yīng)用電路[M].中國(guó)電力出版社，2005.

[9]黃繼昌.傳感器工作原理及應(yīng)用實(shí)例[M].北京：人民郵電出版社，1998.

[10]張振洪，趙有俊.高精度零磁通電流傳感器的研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2009（10）：52-57.

[11]吳正偉，王建賾，紀(jì)延超.任意信號(hào)波形真有效值檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)[J].繼電器，2001（12）：25-26.

[12]孫俊香.提高交流信號(hào)真有效值測(cè)量精度的改進(jìn)方法[J].電測(cè)與儀表，2011（11）：20-23.

[13]王彥朋，任文霞，劉勇.真有效值轉(zhuǎn)換器LTC1966的原理與應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2003（5）：91-93.

[14]張衛(wèi)剛，趙春暉，張濱華.一種基于LTC1966的新型微流量計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路[J].電子技術(shù)，2003（5）：44-45.

[15]李正兵，蔣興加，王小麗.高精度新型調(diào)制變送器設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].火箭推進(jìn)，2011（5）：69-73.

The electric circuit design of Hall current sensor

GUAN Ke，MI Zhe-tao，HU Dong-qing
（Ningbo CSR Times Transducer Technique Co.，Ltd.，Ningbo 315021，China）

Presently，current sensor or transformer always be used in measurement field，but all they do have operation limitations.Generally，current sensors always detect DC、AC current signal，then output same waveform of DC and AC signal.The transformers detect AC current signal only.So，the output waveform of current sensors or transformers is relatively complex that result in a high error of signal sampling on the terminal.In this paper，based on the above background，the design of current transformation circuit is used to detect any current signal and output pure DC current signal to reflect the condition of primary current.Via to do the math of parameters，adjusting the size of magnet core cap or amplification factor to implement any current value measurement.

Hall effect；current detection；analog signals processing；TRMS

TN98

：A

：1674－6236（2017）06-0132-04

2016-02-27稿件編號(hào)：201602168

關(guān) 克（1986—），男，滿族，陜西銅川人，碩士，中級(jí)工程師。研究方向：電流電壓傳感器。