有精準(zhǔn)偏置電壓輸出的霍爾電流傳感器

康弘俊，王 威，王 勇

（成都新欣神風(fēng)電子科技有限公司，四川 成都 611731）

0 引 言

近年來(lái)，霍爾電流傳感器產(chǎn)品因具有良好的精度及線性度、檢測(cè)電壓與輸出信號(hào)高度隔離、高可靠性、低功耗以及維修更換方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、航天、通信、儀表、冶金以及鐵路等軍品和民品領(lǐng)域[1]。在很多應(yīng)用中要求霍爾電流傳感器的零點(diǎn)輸出為基準(zhǔn)的2.5 V，即檢測(cè)電流為零時(shí)，傳感器輸出電壓為2.5 V，當(dāng)檢測(cè)電流為負(fù)方向時(shí)，傳感器輸出電壓為一個(gè)小于2.5 V的電壓值，當(dāng)檢測(cè)電流正方向時(shí)，傳感器輸出電壓為一個(gè)大于2.5 V的電壓值，檢測(cè)電流與輸出電壓變化成線性關(guān)系。目前，常規(guī)的霍爾元件零點(diǎn)輸出電壓為供電電壓的一半，而很多霍爾電流傳感器的供電電壓不是精確的固定值，而是一個(gè)范圍，如4.5～5.5 V等，這樣會(huì)導(dǎo)致霍爾電流傳感器的零點(diǎn)電壓輸出不穩(wěn)定，甚至超過(guò)規(guī)定值。

本文簡(jiǎn)單介紹了開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理，并根據(jù)其應(yīng)用設(shè)計(jì)了一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低以及體積小的電路，用于檢測(cè)高達(dá)數(shù)百安培的直流電流信號(hào)并隔離輸出一個(gè)有精準(zhǔn)2.5 V直流偏置電壓且與檢測(cè)電流成線性關(guān)系的電壓信號(hào)[2]。

1 開(kāi)環(huán)式霍爾電流傳感器

開(kāi)環(huán)式霍爾電流傳感器的工作原理如圖1所示。

根據(jù)安培定律，原邊被測(cè)電流I1×N1將產(chǎn)生與電流成正比的磁場(chǎng)B1，開(kāi)口磁環(huán)氣隙內(nèi)的磁敏芯片直接測(cè)量B1的強(qiáng)弱，輸出霍爾電壓VH，VH經(jīng)線性放大后輸出電壓信Uo。當(dāng)被檢測(cè)電流為零時(shí)，開(kāi)口磁環(huán)內(nèi)零磁通，磁敏芯片的零點(diǎn)輸出電壓為供電電壓的一半，即V+/2，當(dāng)有被檢測(cè)電流穿過(guò)開(kāi)口磁環(huán)時(shí)，開(kāi)口磁環(huán)氣隙內(nèi)的霍爾芯片會(huì)檢測(cè)到磁環(huán)的磁通變化，將在零點(diǎn)電壓的基礎(chǔ)上輸出一個(gè)與磁通變化量成正比的電壓值，即：

式中，OUT為磁敏芯片的輸出電壓，V+/2為零點(diǎn)輸出電壓，ΔV為磁敏芯片的靈敏度，即單位磁通變化引起的電壓變化量，K為通過(guò)外圍電阻調(diào)節(jié)的放大倍數(shù)。如圖1所示，當(dāng)磁力線從磁敏芯片的正面垂直穿過(guò)時(shí)，芯片將輸出一個(gè)正向的變化量電壓，即ΔV＞0，反之則輸出負(fù)電壓變化量，即ΔV＜0。

當(dāng)傳感器供電電壓為5 V時(shí)，按照式（1），傳感器會(huì)輸出一個(gè)有2.5 V偏置電壓且與電流成線性比例的電壓信號(hào)，但如果供電電壓不精確或者誤差范圍較大時(shí)，傳感器輸出電壓的直流偏置將不精確或相應(yīng)地的誤差較大，如供電電壓為4.6 V時(shí)，傳感器的零點(diǎn)偏置電壓將是2.3 V，誤差太大。

目前，業(yè)界有精準(zhǔn)直流偏置電壓輸出的霍爾電流傳感器應(yīng)用較少。常規(guī)做法是先隔離傳感器的直流偏置電壓，只輸出一個(gè)與原邊電流成線性關(guān)系的零偏置電壓信號(hào)，然后再使用運(yùn)放加法器加上一個(gè)由基準(zhǔn)穩(wěn)壓源得到的2.5 V基準(zhǔn)電壓信號(hào)，該實(shí)現(xiàn)方式電路相對(duì)復(fù)雜。

2 有偏置電壓電路設(shè)計(jì)

本文在上述開(kāi)環(huán)式霍爾電流傳感器電路的基礎(chǔ)上增加簡(jiǎn)單的電子元器件，通過(guò)升壓在一定范圍內(nèi)變化的低壓供電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路變換成一個(gè)+5.0 V的基準(zhǔn)電壓，以給磁敏檢測(cè)電路供電，從而產(chǎn)生一個(gè)2.5 V的基準(zhǔn)零點(diǎn)偏置電壓。磁敏檢測(cè)電路檢測(cè)開(kāi)口磁環(huán)內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度并轉(zhuǎn)換成與之成線性關(guān)系的電壓信號(hào)，與基準(zhǔn)的2.5 V疊加，經(jīng)過(guò)電壓跟隨電路后輸出，即實(shí)現(xiàn)上述有2.5 V直流偏置電壓輸出的直流線性霍爾電流傳感器輸出。該電路由升壓電路、基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路、磁敏檢測(cè)電路以及電壓跟隨電路組成，原理框圖如圖2所示。

正常工作時(shí)，4.5～5.5 V范圍內(nèi)的直流供電電壓經(jīng)升壓電路升至一定值Vbst，如12 V或其他可設(shè)定值，Vbst經(jīng)基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路變換成精確的+5.0 V，以給磁敏檢測(cè)電路供電。磁敏檢測(cè)電路檢測(cè)開(kāi)口磁環(huán)內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度并輸出一有偏置電壓的直流電壓Vo1，且有：

式中，2.5 V為磁敏檢測(cè)電路的零點(diǎn)輸出電壓，該電壓為磁敏檢測(cè)電路供電電壓的一半，K為磁敏檢測(cè)電路放大倍數(shù)，可由外部電阻等調(diào)節(jié)，ΔV為磁敏檢測(cè)電路的靈敏度，即單位檢測(cè)電流變化引起的磁敏芯片輸出電壓變化量，該變化量由磁敏芯片內(nèi)部的霍爾器件決定。Vo1經(jīng)過(guò)電壓跟隨電路后直接輸出Vout，電壓跟隨器的作用是提高傳感器電路的帶載能力，避免外接負(fù)載對(duì)傳感器的輸出電壓造成影響。

2.1 升壓電路

一般傳感器供電電源并不是精確的5.0 V，而是一個(gè)電壓范圍，如4.5～5.5 V，而磁敏芯片零磁通時(shí)的輸出電壓為供電電壓的一半，為保證供電電壓在允許范圍內(nèi)變化時(shí)磁敏芯片的零點(diǎn)輸出穩(wěn)定，需要為磁敏芯片提供一個(gè)精準(zhǔn)的5 V供電電壓，即需要將4.5～5.5 V供電電壓抬高后再變換成精確穩(wěn)定的5 V電壓。其原理圖如圖3。U1為升壓芯片，可以將4.5～5.5 V供電電壓抬升至11.4～12.6 V，最大輸出電流50 mA，無(wú)需電感，外圍器件少，具有短路保護(hù)及過(guò)溫保護(hù)等功能。

2.2 基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路

由于磁敏芯片的輸出電壓為供電電壓的一半，因此為了使磁敏芯片獲得精準(zhǔn)的2.5 V輸出電壓，需要為磁敏芯片提供精準(zhǔn)的5 V電壓，故使用精密穩(wěn)壓電路將已經(jīng)抬高的12 V電壓轉(zhuǎn)換為精準(zhǔn)的5 V電壓，為磁敏芯片供電，精密穩(wěn)壓電路原理圖如圖4。其中，D1為精密穩(wěn)壓電源芯片TL431，R9為限流電阻，用于限制后級(jí)電路電流，R2、R5以及R11為調(diào)壓電阻，用于調(diào)節(jié)輸出電壓為精準(zhǔn)的5 V，精準(zhǔn)的5 V可以由分壓電阻得到精準(zhǔn)的2.5 V。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

基于本文創(chuàng)新性電路設(shè)計(jì)的0～150 A直流霍爾電流傳感器，經(jīng)檢測(cè)后線性輸出2.5～3.5 V的直流電壓。其測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由結(jié)果可以看出，該霍爾電流傳感器零點(diǎn)偏差為9 mV，額定電流范圍內(nèi)最大偏差為10 mV。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)使用簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)將傳感器供電電壓先升壓后，穩(wěn)壓產(chǎn)生一個(gè)基準(zhǔn)的穩(wěn)壓電壓給磁敏芯片供電，使得磁敏檢測(cè)電路產(chǎn)生一個(gè)精準(zhǔn)的零點(diǎn)電壓。該霍爾電流傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低以及體積小的特點(diǎn)，可用于檢測(cè)高達(dá)數(shù)百安培的直流電流信號(hào)并隔離輸出一個(gè)有精準(zhǔn)2.5 V直流偏置電壓且與檢測(cè)電流成線性關(guān)系的電壓信號(hào)。