霍尔传感器灵敏度浅析大电流检测的霍尔传感器选型与应用

发布时间：2024-10-06 20:10:00

浅析大电流检测的霍尔传感器选型与应用

安科瑞于洋

摘要 :介绍了传统开环和闭环霍尔传感器的基本原理,并就传统霍尔传感器配合磁环的方法和新型磁集极霍尔传感器在大电流检测中的应用方案进行了对比,分析了它们的优缺点。重点研究了磁集极霍尔传感器在电动汽车中的电机控制器的大电流情况下的测量应用,实验结果表明:其具有测量范围宽、高线性度、低磁滞、高灵敏度、体积小、价格低等优点。

关键词 :霍尔传感器;大电流检测;磁集极

0引言

电流检测在电动汽车的控制、保护、监测、动力管理等方面有着重要的应用。例如:电机驱动控制、变频控制、过载保护、电池荷电状态监测等。但在电流测量中存在2个困难:1)测量仪表不方便直接串入电路中;2)电流检测电路与被测电路不能直接耦合,否则,会影响被测电路的直流工作点。霍尔传感器由于具有体积小、功耗低、噪声小、隔离效果好等优点,在电流监测方面受到广泛的青睐。特别是霍尔传感器配合磁环的设计一直被广泛地使用。但由于传统的霍尔传感器的灵敏度比较低,输出信号有偏置电压和噪声,对于处理电路要求高,系统成本高。传统的霍尔传感器如果使用不当,它的霍尔电压UH与磁感应强度B为非线性关系,且存在不平衡电压UHe,严重影响检测系统的精度。通常采用集磁环来提高霍尔传感器的灵敏度,但是集磁环和霍尔传感器是分离的,体积庞大,不便于在实际检测系统中应用。基于霍尔效应的磁集极霍尔传感器,很大程度上提高了电流检测的灵敏度,而且处理电路简单,安装方便,线性度好,具有较高的准确度。

1传统霍尔传感器基本原理及其应用

1.1霍尔效应

霍尔元件应用的基本原理是霍尔效应,如图1所示。

图1霍尔效应原理图

在Y轴方向上(垂直于导体或者半导体薄片)通磁感应强度为B的磁场,同时在X轴方向通电流IH,则半导体薄片在Z轴上将产生一个微小电压UH。这种现象即称为霍尔效应。UH称为霍尔电势,其大小可表示为：

UH=(RH/d)·IH·B （1）

式中RH为霍尔系数,由半导体材料的性质决定;d为半导体材料的厚度。

设RH/d=K,则式(1)可写为UH=K·IH·B （2）

可见霍尔电压与控制电流及磁感应强度的乘积呈正比,K称为乘积灵敏度。K值越大,灵敏度就越高;元件厚度越小,输出电压也越大。式(2)中,若控制电流IH为常数,磁感应强度B与被测电流呈正比,就可以做成霍尔电流传感器;另外,若仍固定IH为常数,B与被测电压呈正比,又可制成霍尔电压传感器

1.2传统霍尔传感器的应用

由于传统霍尔传感器的灵敏度比较低,所以,在使用时一般都要增加集磁环来增加穿过霍尔传感器的磁通并使磁通垂直穿过霍尔传感器,如图2所示。

图2磁环原理图

该磁环有个很小的开口,将霍尔传感器插入其中,使磁通垂直于传感器。这便形成了霍尔传感器测量电流的基本结构。但由于霍尔传感器一般由半导体材料制成,对温度比较敏感,而且输出电压也很低(为毫伏级),所以,还需要温度补偿部分和电压放大部分才能比较准确地对电流进行测量。除此之外,霍尔传感器的较高频率和线性范围也困扰着电流检测的精度。为了解决这些问题,研究人员做了很多工作去弥补这些缺点,较为有效的技术包括开环、闭环和开闭环混合霍尔效应技术。

1.2.1开环霍尔传感器

开环霍尔传感器可以测量直流、交流和混合电流,结构如图3所示。

图3开环霍尔传感器

开环霍尔传感器的优点是结构简单,成本低,功耗低,低插入损耗。但其缺点也很明显,例如:高频电流下,磁芯发热将磁芯损耗;带宽较窄;高零点和增益漂移;低线性度和精度。

1.2.2闭环霍尔传感器

闭环霍尔传感器是在开环的基础上增加补偿电路来实现性能的提高,如图4所示。

图4闭环霍尔传感器

集磁环上绕有次级绕阻,该绕组中通有低电流,以此来增加磁通从而抵消导线电流IP产生的磁通。将霍尔传感器放置于磁环缺口中,这时传感器将产生与磁环铁芯中磁通密度呈正比关系的电压UH。通过放大器将UH放大,并反馈给推挽放大器。补偿电流Is也通过推挽放大器反馈到次级绕阻中,从而使集磁环中的磁通为零。因此,一个闭环霍尔效应传感器也可以作为一个补偿或者零磁通霍尔效应电流传感器。电流Is产生的磁通与IP产生的磁通大小相等方向相反。此时有式(3)

NPIP=NSIS (3)

IP=NSIS/NP (4)

由图可知有式(5)

Vsense=RtIs (5)

IP=NSVsense/NPRt (6)

从而由式(5)～式(6)可以通过检测电阻Rt两端的电压来间接检测电流IP。这样就可以减小磁滞现象,并且降低对铁芯和霍尔传感器线性工作的依赖性。

闭环霍尔效应电流传感器也能准确地测量直流、交流和混合电流,其优势在于高带宽(直流能达到200kHz),高精度和线性度,快速的反应速度,低插入损耗和低增益漂移。

虽然闭环霍尔效应电流传感器都能在一定程度上满足所测量电流的线性度和精度,但由于传感器要求磁场与霍尔元件垂直。所以,必须增加磁环,这样就直接增加了测量装置的体积,而且,磁环也存在安装补丁等问题。另外,传统霍尔传感器对温度的变化敏感,且输出电压很小,所以,必须额外增加温度补偿环节和电压放大环节,这势必增加整个检测装置的成本。

2新型霍尔传感器的基本原理及其应用

与传统的霍尔传感器和磁阻传感器比较,磁集极霍尔传感器具有3个优点:1)磁集极霍尔传感器的灵敏度比传统霍尔传感器高,和磁阻传感器相当;2)磁集极霍尔传感器改善了磁阻传感器的非线性和磁滞现象;3)磁集极霍尔传感器的3dB带宽为100kHz,典型的响应时间只有3μs,可以广泛地应用于PWM控制和过载保护中检测电流信号,实现快速保护。

2.1磁极霍尔传感器的基本原理

2.1.1磁集极霍尔传感器

磁集极霍尔传感器是在传统霍尔传感器和集磁环的基础上,改进得到的一种新型霍尔传感器。它们较大的区别在于磁集极采用一个高磁导率和低磁场的铁磁体制作成铁磁层。该铁磁层采用标准的CMOS工艺技术,把它附着在芯片表面,如图5所示。

图5磁极霍尔传感器内部结构图

磁集极的2个部分吸收并放大平行于芯片的磁通,同时旋转磁通垂直于芯片表面。这正是磁集极霍尔传感器与传统霍尔传感器较大的区别。

磁集极霍尔传感器在片内集成了偏移电路和温度漂移电路。并且由于内部集成了可编程放大器,可以通过软件配置放大倍数,调节传感器的灵敏度。其内部电路结构如图6所示。

图6磁极霍尔传感器内部电路示意图

2.1.2导体电流的计算

由奥斯特试验可知,通电导线周围存在磁场。磁场强度与电流大小和导线距离有关,其关系式

H(I)=I/L (7)

在真空中,磁场强度与磁通的关系有限

B(H)=μ0μ1H (8)

μ0=4π×10-7Vs/Am (9)

L(r)=2πr (10)

H(I,r)=I/2πr (11)

B(I,r)=μ0μ1I/2πr (12)

例如:r=1mm,电流I=50A,则

B(I，r)=μ0μ1I/2πr=10mT (13)

使用灵敏度为280V/T的磁集极霍尔传感器检测,输出为Uout=0.01T×280V/T=2.8V。

图7电流计算示意图

3安科瑞霍尔传感器产品选型

3.1产品介绍

霍尔电流传感器主要适用于交流、直流、脉冲等复杂信号的隔离转换，通过霍尔效应原理使变换后的信号能够直接被AD、DSP、PLC、二次仪表等各种采集装置直接采集和接受，响应时间快，电流测量范围宽精度高，过载能力强，线性好，抗干扰能力强。适用于电流监控及电池应用、逆变电源及太阳能电源管理系统、直流屏及直流马达驱动、电镀、焊接应用、变频器，UPS伺服控制等系统电流信号采集和反馈控制。

3.2产品选型

3.2.1开口式开环霍尔电流传感器

表1

3.2.2闭口式开环霍尔电流传感器

表2

3.2.3闭环霍尔电流传感器

表3

3.2.4直流漏电流传感器

表4

4结束语

通过实验可知,与传统霍尔传感器相比较,集磁极电流传感器具有测量范围宽、线性度良好、精度高、安装方便、成本低、低噪声等优点。采用集磁极电流传感器对大电流检测具有优越的性能。通过增加导线与传感器的距离就可以增加传感器的测量范围。在无外界噪声干扰的情况下,其线性度和测量精度并不因为距离的增加而降低。由于集磁极电流传感器内部集成电路使得输出灵敏度增加,减小整个装置的体积,特别适用于电动汽车这类空间有限的场合。

【参考文献】

[1]郭军、刘和平、刘平.基于大电流检测的霍尔传感器应用

[2]安科瑞企业微电网设计与应用手册2019.11版

一文解析霍尔效应传感器

磁传感器将磁或磁编码信息转换为电信号，以便通过电子电路进行处理。

磁传感器是固态设备，它们变得越来越流行，因为它们可以用于许多不同类型的应用，例如感测位置，速度或定向运动。它们也是电子设计人员的一种流行的传感器选择，因为它们具有非接触式无磨损操作，低维护，坚固的设计以及密封的霍尔效应设备，不受振动，灰尘和水的影响。

磁传感器的主要用途之一是用于感测位置，距离和速度的汽车系统。例如，曲柄轴的角度位置用于火花塞的点火角度，汽车座椅和用于安全气囊控制的座椅安全带的位置或用于防抱死制动系统的车轮速度检测（ABS）。

磁传感器设计用于响应各种不同应用中的各种正负磁场，一种类型的磁传感器，其输出信号是其周围磁场密度的函数，称为霍尔效应传感器。

霍尔效应传感器是由外部磁场激活的设备。我们知道磁场有两个重要特性：磁通密度，（B）和极性（北极和南极）。霍尔效应传感器的输出信号是器件周围磁场密度的函数。当传感器周围的磁通密度超过某个预设阈值时，传感器检测到它并产生称为霍尔电压V H的输出电压。请看下图。

霍尔效应传感器原理

霍尔效应传感器基本上由一块薄的矩形p型半导体材料组成，例如砷化镓（GaAs），锑化铟（InSb）或砷化铟（InAs），它们通过自身连续的电流。当器件放置在磁场中时，磁通线在半导体材料上施加力，该力使电荷载流子，电子和空穴偏转到半导体板的任一侧。电荷载流子的这种运动是它们经过半导体材料所经受的磁力的结果。

当这些电子和空穴移动侧边时，通过这些电荷载流子的积累在半导体材料的两侧之间产生电位差。然后，电子通过半导体材料的运动受到与其成直角的外部磁场的影响，并且这种效果在扁平矩形材料中更大。

通过使用磁场产生可测量电压的效果被称为18世纪70年代后发现它的霍华德霍尔的霍尔效应，霍尔效应的基本物理原理是洛伦兹力。以产生跨越所述装置的电势差的磁通线必须垂直，（90 ø到的电流的流动），并按照正确的极性，通常一个南极的。

霍尔效应提供有关磁极类型和磁场大小的信息。例如，南极会导致器件产生电压输出，而北极则无效。通常，当没有磁场存在时，霍尔效应传感器和开关被设计为处于“关闭”状态（开路状态）。它们仅在经受足够强度和极性的磁场时才变为“接通”，（闭路状态）。

霍尔效应磁传感器

基本霍尔元件的输出电压（称为霍尔电压，（V H））与通过半导体材料的磁场强度（输出αH ）成正比。这个输出电压可以非常小，即使受到强磁场也只有几微伏，因此大多数商用霍尔效应器件都是通过内置直流放大器，逻辑开关电路和稳压器制造的，以提高传感器的灵敏度，滞后和输出电压。这也使霍尔效应传感器能够在更广泛的电源和磁场条件下工作。

霍尔效应传感器

霍尔效应传感器提供线性或数字输出。线性（模拟）传感器的输出信号直接取自运算放大器的输出，输出电压与通过霍尔传感器的磁场成正比。该输出霍尔电压如下：

线性或模拟传感器提供连续的电压输出，其随着强磁场而增加，并且随着弱磁场而减小。在线性输出霍尔效应传感器中，随着磁场强度的增加，放大器的输出信号也会增加，直到它开始饱和电源施加的限制。任何额外的磁场增加都不会对输出产生影响，但会使其更加饱和。

另一方面，数字输出传感器具有施密特触发器，内置滞后连接到运算放大器。当通过霍尔传感器的磁通量超过预设值时，器件的输出在其“关闭”状态之间快速切换到“接通”状态而没有任何类型的接触反弹。当传感器移入和移出磁场时，这种内置滞后消除了输出信号的任何振荡。然后数字输出传感器只有两种状态，“ON”和“OFF”。

有两种基本类型的数字霍尔效应传感器，双极和单极。双极传感器需要一个正磁场（南极）来操作它们，一个负磁场（北极）释放它们，而单极传感器只需要一个磁性南极来操作和释放它们进出磁场领域。

大多数霍尔效应器件不能直接切换大电气负载，因为它们的输出驱动能力非常小，大约10到20mA。对于大电流负载，将一个集电极开路（电流吸收）NPN晶体管添加到输出端。

该晶体管在其饱和区域内作为NPN吸收开关工作，只要施加的磁通密度高于“ON”预设点，就会使输出端短接到地。

输出开关晶体管可以是开放式发射极晶体管，开路集电极晶体管配置或两者都提供推挽输出型配置，其可以吸收足够的电流以直接驱动许多负载，包括继电器，电动机，LED和灯。

霍尔效应应用

霍尔效应传感器由磁场激活，并且在许多应用中，该装置可以由连接到移动轴或装置的单个永磁体操作。有许多不同类型的磁铁运动，例如“正面”，“侧面”，“推拉”或“推 - 推”等感应运动。对于每种类型的配置，为确保最大灵敏度，磁通线必须始终垂直于设备的感应区域，并且必须具有正确的极性。

同样为了确保线性，需要高磁场强度的磁体，其对于所需的运动产生大的场强变化。有运动的用于检测磁场几个可能的路径，和下面是两个使用单个磁体更常见的感测配置的：头接通检测和侧身检测。

正面检测

顾名思义，“正面检测”要求磁场垂直于霍尔效应传感装置，并且为了检测，它直接朝向活动面接近传感器。一种“正面”的方法。

这种正面接近方法产生输出信号V H，其在线性装置中表示磁场强度，磁通密度，作为远离霍尔效应传感器的距离的函数。磁场越近，因此磁场越强，输出电压越大，反之亦然。

线性器件还可以区分正磁场和负磁场。可以使非线性装置在远离磁体的预设气隙距离处触发输出“ON”以指示位置检测。

侧向检测

第二传感配置是“侧向检测”。这需要以横向运动的方式将磁铁移过霍尔元件的表面。

侧向或滑动通过检测是用于检测磁场的存在，因为它移过霍尔元件的面例如固定的气隙距离内，计数旋转磁体或电动机的旋转速度是有用的。

取决于磁场经过传感器的零场中心线时的位置，可以产生表示正输出和负输出的线性输出电压。这允许定向移动检测，其可以是垂直的也可以是水平的。

霍尔效应传感器有许多不同的应用，尤其是接近传感器。它们可以代替光学和光传感器使用，环境条件包括水，振动，污垢或油，例如汽车应用。霍尔效应器件也可用于电流检测。

当电流通过导体时，会在其周围产生圆形电磁场。通过将霍尔传感器放置在导体旁边，可以从产生的磁场测量从几毫安到数千安培的电流，而无需大型或昂贵的变压器和线圈。

除了检测磁铁和磁场的存在与否，霍尔效应传感器还可以通过在设备的有效区域后面放置一个小的永久“偏置”磁铁来检测铁磁材料，如铁和钢。传感器现在处于永久和静态磁场中，通过引入含铁材料对该磁场的任何变化或干扰都将被检测到，其灵敏度可能低至mV / G.

根据设备的类型，无论是数字还是线性，有许多不同的方法可将霍尔效应传感器连接到电气和电子电路。一个非常简单且易于构造的示例是使用如下所示的发光二极管。

位置检测器

当没有磁场存在时，该正面位置检测器将“关闭”（0高斯）。当永磁体南极（正高斯）垂直向霍尔效应传感器的有效区域移动时，器件变为“ON”并点亮LED。一旦切换为“ON”，霍尔效应传感器就会保持“ON”状态。

为了使设备和LED“关闭”，必须将磁场降低到单极传感器的释放点以下或暴露于双极传感器的磁北极（负高斯）。如果需要霍尔效应传感器的输出来切换较大的电流负载，则可以用更大的功率晶体管代替LED 。

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