霍尔传感器的灵敏度 霍尔电流传感器在电信整流器和服务器电源中的应用

霍尔电流传感器在电信整流器和服务器电源中的应用

电信整流器和服务器电源单元（PSU）中的功率因数校正（PFC）电路和逆变电路都需要将高压侧的电流信号检测到位于低压侧的控制器，因此要用到隔离式电流传感器。隔离式电流检测有多种实现方式，例如电流互感器（CT）、隔离放大器和霍尔效应电流传感器。其中，霍尔效应电流传感器因其简便易用、准确、体积小且具有直流检测能力，成为比较理想的选择。

电流互感器是基于变压器的原理对电流进行采样，使用CT可以检测MOSFET或者IGBT的开通电流。CT的快速响应速度使其非常适合于用做峰值电流控制和过流保护控制。但是基于变压器耦合原理的CT无法感测直流或非常低频的电流，从而导致其不能直接检测工频AC电流，或因为只检测开通电流的间接方法而损失测量精度（没有关断电流）。另外，由于CT需要使用铁氧体磁芯，体积很难做小，而体积较大的CT又会增大电源开关环路，产生更高的电压尖峰和噪声干扰。

而霍尔效应电流传感器则是一种精度更高、体积更小的选择，它可以在直流条件下工作，而且能够以良好的线性度和精度测量包含了开通和关断的AC总电流。同时，霍尔效应电流传感器的体积可以做到SOIC-8的封装，同一颗集成IC一样大小，使PCB的布局更加容易，有助于实现更高的功率密度。

表1对霍尔效应电流传感器与电流互感器进行了比较。

在将霍尔效应电流传感器应用于电信电源或服务器PSU时，需要评估电流的检测范围、连续电流耐受能力、响应速度（/带宽）和电压隔离等级。在某些情况下，电信电源或服务器电源可能还需要向上位机汇报当前的运行功率，此时高精度的霍尔电流传感器（如TI的TMCS1100）可帮助系统实现≥1％的电流检测精度。

图1展示了，在分别使用3.3 V和5 V供电情况下，霍尔效应电流传感器的典型应用电路。与使用3.3 V电源供电相比，使用5 V供电可用拓宽霍尔传感器的电流检测范围。以TMCS1100A1为例，霍尔传感器的灵敏度为50 mV/A：如果使用3.3V电源，则电流检测范围为-33 A〜+ 33 A（双向）；而使用5.0V电源时，电流检测范围可以扩展到-50 A〜+ 50A。另外，在设计中应当注意，除了电流检测范围之外，还需要考虑传感器的连续电流耐受能力，当电流耐受力不足时，可以通过改善传感器的散热来优化。

(a)

(b)

图1：霍尔效应电流传感器的常见应用：采用3.3 V电源的霍尔效应电流传感器（a）；采用5 V电源的霍尔效应电流传感器（b）

在使用霍尔效应电流传感器的电路板布局中，要注意以下因素：

总结，在电信整流器和服务器PSU中，CT更适合于峰值电流控制和过流保护，但它体积较大且精度不高。霍尔效应电流传感器体积小，精度高，使用简单方便，并且更适合检测交流线路电流。希望本文介绍的关于霍尔电流传感器的一些用法对大家有所帮助。

浅析大电流检测的霍尔传感器选型与应用

安科瑞 于洋

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

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