CC652x/651x Application Note
AN-基於線性霍爾套電流傳感模塊的設計考量
---自帶溫漂補償的高性能霍爾傳感器CC652x/651x系列的應用
關鍵詞：非接觸式，傳感器，電流傳感模塊，線性霍爾，磁環
在遍及工業與生活的各大領域中，電流檢測是不容忽視的一個重要市場門類。傳統上，常見到的檢測技術包括電阻採樣式（Shunt），電流互感器式（Current Transformer），羅戈夫斯基線圈式（Rogowski Coil），磁阻式（xMR），以及本文會著重分析到的霍爾式（Hall）。
霍爾式能檢測的範圍涵蓋DC和AC，電流從A級到kA級，靈敏度適中。它具有當今業界技術最成熟和性價比最高等特點，因而廣受行業內人士的喜愛。
霍爾式又可以分為閉環式和開環式。從構造複雜度和性價比而言，開環式結構有著更高的綜合效益。開環霍爾檢測，主要有單晶片檢測技術，和霍爾檢測模塊技術兩種。單晶片技術對於小電流範圍和低功耗應用最佳。
而霍爾檢測模塊技術，具有對更大電流、大功耗的應用具有更廣闊的適應空間。直接購買檢測模塊，對快速切入很有利，然而，模塊核心技術依然主要受制於LEM（萊姆），Yazaki等國際上的電流模塊生產大廠。而研製檢測模塊，雖然更耗費開發時間和精力，對於擁有自研技術而言，大有裨益。
本文將針對霍爾電流模塊，著重探討其中的磁場學考量和電子設計因素，以幫助您進行模塊設計。
我們知道，霍爾效應利用垂直磁場中的霍爾板，感應出與磁場成正比的電壓（即霍爾電壓）的原理，進行磁場測量。現實世界中的磁場源無非三種，磁鐵是其中一種，而導體流過的電流，也是重要的一種。根據安培右手螺旋定則，直導線電流，產生環繞導線方向的磁場。
但是，當單純依靠電流產生磁場時，由於相對自由的散布在空間，非常容易受到外在雜散磁場影響。比如，其他通電導線，或者附近電機的磁場都有可能完全混淆到磁場中，使原本的待測電流信號不可辨分。
圖1 以檢測磁鐵為例的霍爾效應示意圖
(圖片來自知乎)
圖2 一種磁環材料（帶氣隙）
（圖片來自google）
作為基本的磁學原理，所有各條磁感線具有永不相交和各自閉合的特性。當使用帶氣隙（airgap）的磁環時，由於磁環本身為軟磁（Soft Iron）材料的導磁（magnetic conduction）特性，使電流產生的磁場匯聚到磁環中，並在氣隙中產生均勻磁場（homogeneous field）。由此，很容易直觀理解其結構的兩大優點，即，外在雜散磁場對氣隙中的磁場影響小到可以忽略，並且在氣隙中磁場因獲得額外增益而得以加強。
圖3 線性霍爾模塊方案檢測電流示意圖（左 原理示意；右 外形示例）
在氣隙狹小的空間中，磁環方案的電流檢測獲得出色的抗幹擾、抗共模特性。
圖4 氣隙內均勻磁場區域放大圖
假設氣隙的大小是g（mm)，如圖所示。而導線通過的電流為I（A），則磁感強度B（mT）可以由以下經驗公式計算出
以電流為400A、氣隙大小是2.5mm為例，在氣隙內的區域，可以產生200mT(即2000Gauss)的磁場。
這時候，為了檢測該磁場，氣隙中需要一顆能夠處理200mT磁感應強度的線性霍爾傳感器晶片放置在氣隙中，它可以用來反映被檢測的電流。
CC652x/651x系列晶片就是這樣的高性能線性霍爾傳感器晶片，是由成都芯進電子有限公司自主研發的高性能線性霍爾傳感器。該系列晶片是原廠可編程的單片傳感器IC，採用標準SIP封裝。該系列傳感器支持的輸出採樣頻率高達200kHz，高速輸出正比於磁感強度的模擬信號。CC652x系列更是令用戶獲得3.7μs快速響應時間的精密傳感器。CC652x通過MTP（多次編程）技術，提供靈敏度、失調量等基本參數的多次可編程特性。出廠晶片皆通過片內溫度補償獲得高品質的溫度特性和參數一致性。
仍以剛才的條件為例，如果採用CC652x晶片默認的靈敏度值SENS=0.9mV/Gs=9mV /mT，則0~400A的電流範圍將產生2.5V+-1.8V的輸出電壓範圍，支持峰-峰值3.6V的高速輸出。
在實際設計中，上面的經驗公式結果一般具有非常準確。當然同時，設計中需要留意的電磁因素，主要是磁環和晶片應用兩方面。
圖5 磁飽和示意圖 (電流磁場達到足夠大，磁材料飽和，不再明顯增加)
磁環方面涉及：磁飽和(saturation)，磁環的磁溫度漂移(magnetic temperature drift)，層壓（lamination），邊緣效應（fringing effect)，機械固定與應力(housing and strain)，散熱(thermal heating)等。
磁飽和，普遍存在於所有磁材料，無論軟磁(soft iron)、硬磁（hard magnet），而磁環材料屬於軟磁。其機理是超過磁材的磁飽和閾值後，內部可極化的微粒已經幾乎極化迨盡。因此，使用前請認真查閱磁環材料規格書，了解其飽和極限。正如示例圖中所示，超過磁飽和的閾值使用，會大幅度降低系統的電流檢測精度。
磁環的磁溫度漂移，即環境溫度的不同，會導致其磁性強度隨著溫度改變。在磁環的規格書中也有對溫度漂移係數的明確說明，需要查明。
層壓，即廠家所生產的磁環材料直接成形為平行獨立片層。這樣有什麼好處呢？可以衰減趨膚效應（skin effect）的影響。
磁環材料具有趨膚效應，並且越強磁場的趨膚效應越明顯。尤其是，當其所匯聚的磁場由幾百A以上這樣的大電流產生，那麼嚴重的趨膚效應會導致，大部分磁場主要聚集在臨近磁環表面的物質區域，導致磁通密度的嚴重不均，嚴重影響傳感精度。通過磁感線方向的層壓生產技術，可以削弱該影響到可以忽略不計的程度。
邊緣效應是指：越靠近磁環氣隙邊緣處，磁感線變得越發彎曲。而且更容易受外界幹擾影響，所以使用中需要避免將傳感器晶片放置於太靠邊的位置。
圖6 磁環邊緣效應
（氣隙中央區均勻，而越靠近紅色位置的磁感線越彎曲）
磁環直徑的考慮，要為磁環與被測的通電導體之間留出充足的間隙，以利於電氣安全和散熱效率。
另外，磁環在受到機械應力作用下時，其磁場性質也會有所改變，因此，在保證磁環方便固定的前提下，儘可能避免受強壓力/強應力碰撞、擠壓。
晶片應用方面， CC652x/651x系列IC， VCC對GND端需要外掛去耦電容。芯進經過嚴格的測試驗證，選取100nF電容值，可以確保電源電氣品質。
安全可靠使用方面，使用晶片元件，需遵守防靜電（ESD）可靠性要求。晶片為精密微電子元件，切不可超越極限參數使用，否則可能會造成不可逆的損壞。
避免晶片受到極端的管腳應力和塑料封裝應力，否則甚至可能完全破壞晶片功能。
總體上，線性霍爾搭配磁環的方案，由於性價比、以及非接觸式的優點，加上電氣安全能力、散熱好等優勢，在非常多的應用領域中非常受歡迎，諸如：電力配電櫃，大型通信機櫃，電池管理，大功率智能儲電設備，分布式電源系統組元（PDU），大電流焊機、電機等系統中皆可用於感測電流。
圖7 來自客戶的應用示例
圖8 芯進電子基於線性霍爾的經濟型電流測量演示板
結論：
基於CC6521配合磁環方案，非常適合搭建電流傳感器應用。傳感器IC置於環形軟鐵磁芯精巧的氣隙中，電流導體穿過鐵磁環的內部，磁環匯集並放大磁通密度，均勻磁場線由此垂直穿過傳感器IC的傳感元，從而產生與電流成比例的輸出電壓。依據此原理，組建電流測量系統，典型的精確測量範圍從100A~1000A，廣泛適用於工業與生活的方方面面。
附表：成都芯進電子-可編程線性霍爾IC系列
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作者：
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