双向霍尔传感器 “低漂移+隔离双向采样”加持霍尔电流传感

发布时间：2024-10-06 03:10:41

“低漂移+隔离双向采样”加持霍尔电流传感

电子发烧友网报道（文/李宁远）根据不同的变换原理，在电流传感上目前有基于霍尔效应的，有基于电磁感应的，有基于磁通门的等等。不同的原理目标都是一样的，就是将大电流转换成同频同相的小电流方便测量或者隔离。

其中最经典的莫过于霍尔电流传感器了，即利用霍尔磁平衡原理来对各种类型的电流实现测量。在霍尔元件的控制电流端输入被测电流，同时在霍尔元件平面的法线方向施加磁场，这样霍尔元件的输出端便会产生一个霍尔电势，该电势的波形与输入电流一致，因此可以精确地反映出被测电流的变化情况。

不论是开环电流传感器还是闭环电流传感器，其基本的性能并没有太大差异，主要看能不能做到高精度低漂移。除了这些性能特点，隔离式的采样也逐渐受到重视。

MPS电流传感器

MPS的MCS18xx电流传感器系列在系统通信的高电流侧和低电压侧之间提供高电流监测和高隔离电压。负载电流通过霍尔传感器感应，并显示为与负载电流成比例的线性模拟电压。CS18xx电流传感器系列能够对杂散磁场免疫，显著提高传感器的精度；而且使用了隔离式双向霍尔效应来采样AC或DC电流，其低于1mohm的电阻导电路径可最大限度地减少功率损耗，提高效率。

（图源：MPS）

MCS1800是这个系列里3.3V单电源供电的电流传感器，具有低电阻的原边导体允许电流在包含高精度霍尔效应传感器的IC附近流动，该电流产生的磁场由集成的霍尔效应传感器在两个不同的点感应。然后，这两个点之间的磁场差被转换成与施加的电流成比例的电压。因为采用了差分式传感，MCS1800能够抵消任何外部磁场的干扰，精度也大大提升。

MCS1800能测量±12.5A和±25A的电流范围，全温范围内的精度为±3%，内部导通电阻仅为1.2mΩ，可调带宽高达100kHz。在测量上，MCS1800可以做到4μs的输出上升时间，且整个传感器不会发生磁滞后现象，这对于电流传感器来说是很难得的。

200VRMS工作电压可以实现基本隔离，在电流导体到晶圆之间也集成了屏蔽抑制电容耦合（高达 10V/ns），所以在隔离上大幅减少了现有标准外部元器件的使用。这么做还能节省封装尺寸，符合当下小型封装的要求。

该系列其他型号主要是电流测量范围的不同，在对于外部磁场的屏蔽，输出上升时间的控制以及隔离的配置上大同小异。整体的精度均控制在±2.5%到±3%之间，原边导通电阻则控制在0.9-1.2mΩ。

TI电流传感器

TI的电流传感器同样基于霍尔效应，高精度和低漂移可以说是TI电流传感器的招牌。无论时间、温度如何变化，旗下的电流传感都能实现精确的电流测量。同时隔离式的霍尔电流传感器还能显著延长传感器寿命。

TMCS110X这个系列可以说囊括了TI优秀的电流传感产品。先从TMCS1100来看，这个型号是业内领先的零漂移高精度电流传感器，展现出了出色的线性度和温度稳定性，可以在器件的整个温度范围内实现 < 1% 的满量程误差。

（图源：TI）

将高精度再细致一些，是80kHz的信号带宽、全温度范围内±0.3%的灵敏度误差、±10.5mA的失调电压误差、0.01mA/℃的失调电流漂移再加上0.1%的线性度。单论高精度，应该没有比这更极致的性能了。

导通电阻略高一些可能是该系列稍稍落后的一项指标，1.8mΩ在其他指标如此优秀的情况下的确有一点点扎眼，但也绝对属于“低”这一范畴。低导通电阻可最大限度减少功率损耗和热耗散。所以在分析电流传感器功率损耗和热耗散时，导通电阻值可以给出很大参考。

整个系列的电流传感器都具有多个灵敏度选项，输出电压与输入电流成正比。固定的灵敏度允许TMCS110X使用单个电源运行，因此消除了比例式误差并提高了电源噪声抑制能力。

该系列同样能提供单向和双向采样，双向采样依旧有隔离防护，固有的电镀绝缘在电流路径与电路之间提供了600V基本工作隔离电压和3kV电介质可承受隔离电压，这种集成式的电气屏蔽可提供出色的共模抑制和瞬态抗扰度保护。

小结

高精度低功耗无疑是所有传感器厂商都不会停止的追求。而在这些最基本的要求之外，芯片级的集成越来越普遍，为了提高温度稳定性，为了提高抗干扰性，多功能集成的隔离式电流传感器受到越来越多的青睐。

ROHM传感器套件测评（一）：测试平台，霍尔传感器

开箱照片和介绍在这个帖子里：晒个开箱照: ROHM传感器套件

这个评估套件一共包含8个传感器小板和1块搭配Arduino测试用的 SensorShield 母板。SensorShield上面并没有MCU等主控器件，也就是完全交由Arduino来处理传感器的输出信号，那么它的必要性在哪里？如果每个传感器小板都做成Arduino兼容的接口，直接插在Arduino上用不可以么？但是这样忽略了一个工作电压的问题：

如上表，这8个传感器的工作电压范围不尽相同，大部分都在3.6V以下，甚至2.0V以下。但是Arduino的I/O电压是5V的，不能直接连。所以SensorShield很重要的一个角色就是电平转换，把1.8V, 3.3V的VDDIO转换成5V的，再和Arduino连接。

板子上除了3.3V和1.8V的稳压芯片外，配置了两片Level shifter：一个是I2C专用的PCA9306, 一个是多路数字双向转换器 FXMA108. 传感器的工作电压可以用跳线选择 1.8V/3.3V/5V，连Arduino这一侧的数字I/O则统一为5V电平。传感器小板的连接使用普通的2.54圆孔排座，共设置2个模拟输出传感器座，5个I2C输出传感器座，和1个数字GPIO输出传感器座。也就是可以把8个小板一齐插上去，虽然并没有什么好处。

我并没有用过Arduino，也没有它的开发板。不过ST的Nucleo我有几块，插针是兼容Arduino的，所以我就用Nucleo来做测评了。Nucleo的I/O电平是3.3V而不是5V，这并不算电气兼容，不过STM32的大部分I/O都是能承受5V输入的，也不是问题。对照ROHM资料电路图，和ST Nucleo的手册，可以分析出连接关系：

D1 --- J1.0 (Arduino D0) --- PA3

D2 --- J1.1 (Arduino D1) --- PA2

J3选择 --- J1.2 (Arduino D2) --- PA10

J4选择 --- J1.3 (Arduino D3) --- PB3

SDA2 --- J2.9 (Arduino D15) --- PB9

SCL2 --- J2.10 (Arduino D14) --- PB8

ANA1 --- J13.6 (Arduino A0) --- PA0

ANA2 --- J13.5 (Arduino A1) --- PA1

ANA3 --- J13.4 (Arduino A2) --- PA4

ANA4 --- J13.3 (Arduino A3) --- PB0

如上，D1, D2, ANA1~ANA4这几个口都是独立使用的，从传感器插座口映射到Arduino上，而且4个模拟口是直接连接（用STM32要注意一下是否超过ADC量程）。I2C只有一组，是5个传感器座共用的。但是这些I2C传感器还附带了一个数字I/O用来产生中断，所以需要多留一些数字GPIO. SensorShield上面一共留了2个出来，通过跳线J3、J4来选择。但是J3、J4的选择项又把D1, D2给加进去了（重复？），还把可以不经 Level shifter 直接把传感器中断输出连到Arduino，意义也让人费解。

传感器全家福：

其实SensorShield上面的接口并没有用完，比如霍尔传感器只有一个GPIO输出，模拟输出的传感器每个也只有一路输出。

============== 霍尔传感器 BD7411G =================

霍尔传感器是利用霍尔效应(Hall Effect)来检测磁场的，本质上还是洛伦兹力起作用。霍尔传感器出现的历史已比较久了，我所知道的是用来检测电动机转速的应用很多，比如在无刷电机里面就能找到这种元件，成本也很便宜。因为没有机械的动作，所以作为磁敏元件霍尔传感器比干簧管的响应速度要快得多。用在简单的位置传感上比如门窗开关检测也是很容易想到用它来替代干簧管的。

ROHM套件里面的BD7411G可能是很老的型号了（我没有应用经验，仅仅从手册里面推测），在手册的表里面，列出了下面一些霍尔传感器的型号

BD7411G的工作电流比其它型号大了几百倍，唯一特点是可以在5V下工作（也只能在5V）。规格参数上看，不符合低功耗使用的需求了，不知道ROHM为什么在套件中选择了这一款。

因为输出是H/L两种电平，写个程序来测意义不大了。直接连LED，甚至不用SensorShield都可以测试。我不了解目前霍尔传感器的水平进步到什么程度，就不评价性能了。简单体会下，用了几个小磁铁试了试，靠近了检测还是很灵的。我手边有一把常用的世达的防磁镊子，镊子头部贴到BD7411G上面，也能让它输出翻转。

玩个带劲点的：估测电钻电机转速。这是我以前手工DIY PCB时候用来钻孔的小电钻，卸下钻夹，临时弄个办法把磁铁固定上去吧。

这个带两个磁铁的小零件是taobao买来的，平时我用来吸住钻头，防丢。

转起来了，看霍尔的输出是什么样子

手拿着高度不稳定，输出占空比和频率也都不稳定，大概有每分钟450转的样子（因为转一周两个磁铁各来一次）。

以上图文内容均是EEWORLD论坛网友： cruelfox 原创，在此感谢。

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双向霍尔传感器 “低漂移+隔离双向采样”加持霍尔电流传感

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MPS电流传感器

TI电流传感器

小结

ROHM传感器套件测评（一）：测试平台，霍尔传感器

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