霍尔效应电流感应：开环和闭环配置

在这篇技术文章中了解霍尔效应电流传感器的基础知识。

电流传感器广泛用于各种应用。一种常见的技术是电阻电流检测，其中测量分流电阻器上的电压降以确定未知电流。基于分流电阻的解决方案不提供电流隔离且不节能，尤其是在测量大电流时。

另一种广泛使用的技术是基于霍尔效应。由于霍尔效应电流传感器在传感器和待测电流之间采用电流隔离，因此可提供更高级别的安全性。它还避免了电阻电流检测方法中采用的分流电阻器的大量功耗。

在本文中，我们将了解霍尔效应电流传感器的基础知识。

开环电流检测

基于霍尔效应的开环电流传感器结构如图1所示。

图 1。图片由 Dewesoft 提供

被测电流流过位于磁芯内部的导体。通过这种方式，电流会在磁芯内部产生磁场。该场由放置在磁芯气隙中的霍尔效应传感器测量。

霍尔传感器的输出是一个与核心磁场成正比的电压，该电压也与输入电流成正比。霍尔器件产生的信号通常由信号调理电路处理。信号调理电路可以是简单的放大级，也可以是更复杂的电路，旨在消除霍尔器件漂移误差等。

我们为什么需要磁芯？

假设没有磁芯。距离为 r 的无限长直线导体处的磁场为：

\[B =\frac{µ_0I}{2\pi r} ~ , ~ µ_0 =4\pi \times 10^{-7}\frac{H}{m }\]

其中 µ0 是自由空间的磁导率。对于 I=1 A, r=1 cm，我们得到：

\[B =2 \times 10^{-5}~Tesla =0.2~Gauss\]

要感受一下这个磁场有多小，请注意地球的磁场约为 0.5 高斯。因此，通过感测 1A 电流在自由空间中产生的磁场来测量它是非常具有挑战性的。为了解决这个问题，我们可以使用磁芯来限制和引导电流产生的磁场。磁芯为磁场提供了一条高磁导率的路径，并充当场集中器。磁芯内部的磁场可能比给定电流在自由空间中产生的磁场大数百或数千倍。

气隙

如图 1 所示，磁芯设计有一个气隙，霍尔传感器放置在该气隙中。气隙会导致边缘磁通现象，其中一些磁通线偏离其直线路径，因此无法按预期穿过传感器。这种边缘效果如图2所示。

图 2。图片由 R. Jez 提供

由于边缘效应，霍尔器件感测到的磁通密度可能小于磁芯内部的磁通密度。换句话说，气隙会降低磁芯将初级电流转换为强磁场的效率。然而，如果间隙长度与间隙横截面积相比较小，则边缘效应的影响可能相对较小。

我们需要气隙才能测量磁芯内部的磁场。此外，气隙允许我们修改磁芯的整体磁阻。请注意，高电流会在磁芯内部产生大磁场并使其饱和。这可以限制可以测量的最大电流。调整气隙长度，我们可以改变磁芯饱和度。图 3 显示了给定磁芯的感测磁通密度如何随气隙长度变化。

图 3。图片由 Allegro 提供

通过更小的气隙，我们可以获得更大的磁增益（高斯每安培增益）。然而，较小的气隙可以使磁芯在相对较小的电流下饱和。因此，间隙长度直接影响可测量的最大电流。除了间隙长度之外，还有其他因素决定磁芯的效率，例如磁芯材料、磁芯尺寸和磁芯几何形状。有关适用于大电流应用 (>200 A) 的内核的更多信息，请参阅 Allegro 的此应用说明。

开环电流检测的局限性

对于开环配置，线性度和增益误差等非理想效应会影响测量精度。例如，如果传感器的灵敏度随温度变化，则输出端将出现与温度相关的误差。此外，在开环电流检测中，磁芯会饱和。此外，霍尔传感器的偏移以及磁芯矫顽力也会导致误差。

闭环电流检测

闭环霍尔效应电流传感技术如图4所示。

图 4。图片由 Cheemi-Tech 提供

顾名思义，这种技术基于负反馈概念。在这种情况下，有一个由反馈路径的输出驱动的次级绕组。反馈路径感测磁芯内部的磁场并调整通过次级绕组的电流，使磁芯的总磁场变为零。让我们看看这个电路是如何工作的。

待测电流流经初级导体并在磁芯内部产生磁场。该场由放置在磁芯气隙中的霍尔效应传感器测量。霍尔传感器的输出是一个与核心磁场成正比的电压，它被放大并转换为通过次级绕组的电流信号。该系统的设计方式是，通过次级绕组的电流会产生与初级电流磁场相反的磁场。当总磁场为零时，我们应该有：

\[N_pI_p =N_sI_s\]

其中 Np 和 Ns 分别是初级和次级绕组的匝数； Ip 和 Is 是初级和次级电流。在图 4 中，我们有 Np =1 和 \[V_{out} =R_m \times I_s\]。因此，我们得到：

\[V_{out} =R_m \times \frac{1}{N_s} \times I_p\]

这给了我们一个与初级电流成正比的电压。请注意，比例因子 \[R_m \times \frac{1}{N_s}\] 是匝数和分流电阻值的函数。匝数是一个常数值，电阻也很线性。

开环与闭环电流感应

闭环架构中采用的负反馈使我们能够减少非理想效应，例如线性度和增益误差。这就是为什么与开环配置不同，闭环架构不受传感器灵敏度漂移影响的原因。因此，闭环配置提供了更高的精度。闭环电流传感器对磁芯饱和更稳健，因为磁芯内部的磁通密度非常小。

通过闭环感应，次级线圈由高功率放大器主动驱动。闭环架构中使用的额外组件导致更大的 PCB 面积、更高的功耗以及更高的价格。

稳定性问题是闭环电流传感器的另一个缺点。对于闭环配置，我们需要导出系统传递函数并确保系统稳定。不稳定的系统可能会响应输入电流的快速变化而表现出过冲或振铃。为了使闭环系统稳定，我们通常需要限制其带宽。但是，降低系统带宽会增加其响应时间，并使系统无法响应输入的快速变化。通常期望开环配置具有更快的响应时间。

请注意，霍尔传感器的偏移会导致闭环和开环配置中的误差。优质锑化铟 (InSb) 霍尔元件的偏移通常为 ±7 mV。