霍尔效应电流传感器专家指南：开环与闭环配置

学习霍尔效应电流传感器基础的技术文章。

电流传感器广泛应用于各类场景。常见技术是电阻式电流检测，通过测量分流电阻压降确定未知电流。分流电阻方案不提供电隔离，且大电流测量时功耗大、效率低。

另一广泛技术基于霍尔效应。霍尔效应电流传感器因传感器与被测电流间电隔离提供更高安全性，也避免了电阻式检测中分流电阻的大功耗。

本文将探讨霍尔效应电流传感器基础。

 

开环电流检测

基于霍尔效应的开环电流传感器结构见图1。

 

图1. 图片由Dewesoft提供

 

待测电流流经磁芯内导体，在磁芯内产生磁场。磁芯气隙处的霍尔效应传感器测量该磁场。

霍尔器件输出电压与磁芯磁场成正比，也与输入电流成正比。霍尔器件产生的信号通常经信号调理电路处理。信号调理可为简单放大级，或消除霍尔器件漂移误差的复杂电路。

 

为何需要磁芯？

假设无磁芯。距无限长直导线距离r处磁场，导线载电流I：

 

\[B = \frac{\mu_0 I}{2\pi r} ~ , ~ \mu_0 = 4\pi \times 10^{-7}\frac{H}{m}\]

 

其中μ₀为真空磁导率。I=1 A，r=1 cm时：

 

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

 

感受磁场微小：地磁场约0.5 Gauss。故在自由空间感测1 A电流产生的磁场极具挑战。为解决此问题，可用磁芯约束引导电流产生的磁场。磁芯为磁场提供高磁导路径，充当磁场聚焦器。磁芯内磁场可比自由空间大数百至数千倍。

 

气隙

如图1所示，磁芯设计有气隙置放霍尔传感器。气隙导致磁通边缘效应，部分磁通线偏离直线路径，不按预期穿过传感器。边缘效应见图2。

 

图2. 图片由R. Jez提供

 

因边缘效应，霍尔器件感测磁通密度可能小于磁芯内磁通密度。即气隙降低磁芯将原边电流转化为强磁场的效能。但若气隙长度远小于横截面积，边缘效应相对较小。

我们需要气隙以测量磁芯内磁场。此外，气隙允许调整磁芯总磁阻。大电流可在磁芯内产生大磁场导致饱和，限制最大可测电流。调整气隙长度可改变磁芯饱和水平。图3展示给定磁芯下感测磁通密度随气隙长度变化。

 

图3. 图片由Allegro提供

 

较小气隙可获得更大磁增益（高斯/安培增益）。但较小气隙导致磁芯在较小电流下饱和。故气隙长度直接影响最大可测电流。除气隙长度，磁芯材料、尺寸、几何形状也决定磁芯效率。适用大电流（>200 A）磁芯详情请参考Allegro应用笔记。

 

开环电流检测局限

开环配置下，线性度、增益误差等非理想效应影响测量精度。例如传感器灵敏度随温度变化，输出将出现温度相关误差。此外开环下磁芯易饱和。霍尔传感器零点偏移及磁芯矫顽力也会引入误差。

 

闭环电流检测

闭环霍尔效应电流检测技术见图4。

 

图4. 图片由Cheemi-Tech提供

 

顾名思义，该技术基于负反馈概念。此处有副绕组由反馈路径输出驱动。反馈路径感测磁芯内磁场，调节副绕组电流使磁芯总磁场为零。看电路如何工作。

待测电流流经初级导体在磁芯内产生磁场。气隙处霍尔效应传感器测量该磁场。霍尔传感器输出（与磁芯磁场成正比电压）经放大转换为电流信号流经副绕组。系统设计使副绕组电流产生的磁场与原边电流磁场对抗。总磁场为零时应满足：

 

\[N_p I_p = N_s I_s\]

 

N_p、N_s分别为初级、副绕组匝数；I_p、I_s为原边、副边电流。图4中N_p=1且\[V_{out} = R_m \times I_s\]。得：

 

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

 

这给出与原边电流成正比电压。比例因子\[R_m \times \frac{1}{N_s}\]为匝数与分流电阻值函数。匝数恒定、电阻高度线性。

 

开环与闭环电流检测对比

闭环架构采用负反馈可减少线性度、增益误差等非理想效应。因此闭环配置不受传感器灵敏度漂移影响，提供更高精度。闭环电流传感器对磁芯饱和更稳健，因磁芯内磁通密度极小。

闭环检测主动驱动副线圈需高功率放大器。闭环额外组件导致PCB面积更大、功耗更高、价格更贵。

稳定性问题是闭环电流传感器另一缺点。需推导系统传递函数确保稳定。不稳定系统对输入电流快速变化表现过冲或振铃。为稳定常需限制带宽，但降低带宽会增加响应时间、无法应对快速输入变化。开环配置通常响应更快。

注意霍尔传感器零点偏移在开闭环均会引入误差。优质锑化铟（InSb）霍尔元件零点偏移典型值±7 mV。

 

现代集成解决方案

现代霍尔效应电流传感器采用创新技术解决上述局限。例如TI DRV411是面向闭环检测的信号调理IC，采用电流旋转技术消除霍尔元件零点偏移与漂移误差。技术见图5。

 

图5. DRV411采用的电流旋转技术。图片由Texas Instruments提供

 

另一例是Allegro ACS720 [PDF下载链接] 面向开环检测，片上温度补偿算法优化全温度精度。

 

图6. ACS720框图。图片由Allegro Microsystems提供 [PDF下载链接]

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