電流傳感器廣泛用于各種應(yīng)用。一種常見的技術(shù)是電阻電流感測，其中測量分流電阻器兩端的電壓降以確定未知電流?；诜至麟娮杵鞯慕鉀Q方案不提供電流隔離并且不節(jié)能，尤其是在測量大電流時。

另一種廣泛使用的技術(shù)是基于霍爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)電流傳感器由于其傳感器與待測電流之間的電流隔離而提供更別的安全性。它還避免了電阻電流感測方法中采用的分流電阻器的相當(dāng)大的功率耗散。

在本文中，我們將了解霍爾效應(yīng)電流傳感器的基礎(chǔ)知識。

開環(huán)電流檢測

基于霍爾效應(yīng)的開環(huán)電流傳感器的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖 1.圖片由Dewesoft提供

待測電流流過磁芯內(nèi)的導(dǎo)體。通過這種方式，電流在鐵芯內(nèi)部產(chǎn)生磁場。該場由放置在磁芯氣隙中的霍爾效應(yīng)傳感器測量。

霍爾傳感器的輸出是與磁芯磁場成正比的電壓，也與輸入電流成正比?；魻栐O(shè)備產(chǎn)生的信號通常由信號調(diào)理電路處理。信號調(diào)理電路可以是一個簡單的放大級，也可以是一個更復(fù)雜的電路，旨在消除霍爾器件漂移誤差等。 

為什么我們需要磁芯？

假設(shè)沒有磁芯。距離載有電流 I 的無限長直導(dǎo)體 r 處的磁場由下式給出：

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

其中 μ 0是自由空間的磁導(dǎo)率。對于 I=1 A，r=1 cm，我們得到：

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

要感受這個磁場有多小，請注意地球磁場約為 0.5 高斯。因此，通過感測 1A 電流在自由空間中產(chǎn)生的磁場來測量 1A 電流非常具有挑戰(zhàn)性。為了解決這個問題，我們可以使用磁芯來限制和引導(dǎo)電流產(chǎn)生的磁場。為磁場提供高滲透性路徑，并充當(dāng)場集中器。內(nèi)部的磁場可能比給定電流在自由空間中產(chǎn)生的磁場大數(shù)百或數(shù)千倍。 

氣隙

如圖 1 所示，磁芯設(shè)計有氣隙，霍爾傳感器放置在氣隙中。氣隙會導(dǎo)致邊緣磁通現(xiàn)象，其中一些磁通線偏離其直線路徑，因此不會按預(yù)期通過傳感器。這種邊緣效應(yīng)如圖 2 所示。

圖 2.圖片由R. Jez提供

由于邊緣效應(yīng)，霍爾器件感應(yīng)到的磁通密度可能小于鐵芯內(nèi)部的磁通密度。換句話說，氣隙會降低磁芯將初級電流轉(zhuǎn)換為強磁場的效率。然而，如果間隙長度與間隙橫截面積相比較小，則邊緣效應(yīng)的影響可能相對較小。 

我們需要氣隙才能測量內(nèi)部的磁場。此外，氣隙允許我們修改磁芯的整體磁阻。請注意，高電流會在磁芯內(nèi)部產(chǎn)生大磁場并使其飽和。這可以限制可測量的電流。調(diào)整氣隙長度，我們可以改變飽和度。圖 3 顯示了感測到的磁通密度如何隨給定磁芯的氣隙長度而變化。

圖 3.圖片由Allegro提供

使用更小的氣隙，我們可以獲得更大的磁增益（高斯每安培增益）。然而，較小的氣隙可以使磁芯在相對較小的電流下飽和。因此，間隙長度直接影響可測量的電流。除了間隙長度之外，還有其他因素（例如磁芯材料、磁芯尺寸和磁芯幾何形狀）決定了磁芯的效率。有關(guān)適用于高電流應(yīng)用 (>200 A) 的磁芯的更多信息，請參閱Allegro 的應(yīng)用說明。

開環(huán)電流檢測的局限性

對于開環(huán)配置，線性度和增益誤差等非理想效應(yīng)會影響測量精度。例如，如果傳感器的靈敏度隨溫度變化，則輸出端將出現(xiàn)與溫度相關(guān)的誤差。此外，對于開環(huán)電流檢測，磁芯容易飽和。此外，霍爾傳感器的偏移以及磁芯的矯頑力也會導(dǎo)致誤差。 

閉環(huán)電流檢測

閉環(huán)霍爾效應(yīng)電流檢測技術(shù)如圖 4 所示。

圖 4.圖片由Cheemi-Tech提供

顧名思義，此技術(shù)基于負(fù)反饋概念。在這種情況下，存在一個由反饋路徑的輸出驅(qū)動的次級繞組。反饋路徑感測鐵芯內(nèi)部的磁場并調(diào)整通過次級繞組的電流，使鐵芯的總磁場變?yōu)榱恪Ｗ屛覀兛纯催@個電路是如何工作的。 

待測電流流過初級導(dǎo)體并在鐵芯內(nèi)產(chǎn)生磁場。該場由放置在磁芯氣隙中的霍爾效應(yīng)傳感器測量。霍爾傳感器的輸出是一個與磁芯磁場成正比的電壓，它被放大并轉(zhuǎn)換為通過次級繞組的電流信號。該系統(tǒng)的設(shè)計方式是，流經(jīng)次級繞組的電流會產(chǎn)生與初級電流磁場相反的磁場。在總磁場等于零的情況下，我們應(yīng)該有：

\[N_pI_p = N_sI_s\]

其中 Np和Ns分別為初級和次級繞組的匝數(shù)；I p和 I s是初級和次級電流。在圖 4 中，我們有 N p  = 1 和 \[V_{out} = R_m \times I_s\]。因此，我們得到：

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

這給了我們一個與初級電流成正比的電壓。請注意，比例因子 \[R_m \times \frac{1}{N_s}\] 是匝數(shù)和分流電阻值的函數(shù)。匝數(shù)是恒定值，電阻器也非常線性。

開環(huán)與閉環(huán)電流檢測

閉環(huán)架構(gòu)中采用的負(fù)反饋使我們能夠減少線性度和增益誤差等非理想效應(yīng)。這就是為什么與開環(huán)配置不同，閉環(huán)架構(gòu)不受傳感器靈敏度漂移影響的原因。因此，閉環(huán)配置提供了更高的精度。閉環(huán)電流傳感器對磁芯飽和更穩(wěn)健，因為磁芯內(nèi)部的磁通密度非常小。  

通過閉環(huán)傳感，次級線圈由高功率放大器主動驅(qū)動。閉環(huán)架構(gòu)中使用的額外組件導(dǎo)致更大的 PCB 面積、更高的功耗以及更高的價格。 

穩(wěn)定性問題是閉環(huán)電流傳感器的另一個缺點。對于閉環(huán)配置，我們需要導(dǎo)出系統(tǒng)傳遞函數(shù)并確保系統(tǒng)穩(wěn)定。不穩(wěn)定的系統(tǒng)可能會響應(yīng)輸入電流的快速變化而出現(xiàn)過沖或振鈴。為了使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，我們通常需要限制其帶寬。但是，降低系統(tǒng)帶寬會增加其響應(yīng)時間并使系統(tǒng)無法響應(yīng)輸入的快速變化。通常期望開環(huán)配置具有更快的響應(yīng)時間。

請注意，霍爾傳感器的偏移會導(dǎo)致閉環(huán)和開環(huán)配置中的誤差。優(yōu)質(zhì)銻化銦 (InSb) 霍爾元件的偏移通常為 ±7 mV。

現(xiàn)代綜合解決方案

值得一提的是，現(xiàn)代基于霍爾效應(yīng)的電流傳感器采用創(chuàng)新技術(shù)來解決上述一些限制。例如， TI 的DRV411是一種信號調(diào)節(jié) IC，專為閉環(huán)電流感測應(yīng)用而設(shè)計，它使用電流自旋技術(shù)來消除霍爾元件偏移和漂移誤差。這種技術(shù)如圖 5 所示。

圖 5. DRV411 中使用的當(dāng)前旋轉(zhuǎn)技術(shù)。圖片由德州儀器提供

另一個例子是Allegro 的ACS720  [PDF 鏈接]，它專為開環(huán)電流檢測應(yīng)用而設(shè)計。ACS720 使用片上溫度補償算法來優(yōu)化溫度精度。

圖 6.  ACS720 的框圖。圖片由Allegro Microsystems