一種霍爾電流傳感器的電路設計

2020-11-21 電子產品世界

設計了一種零磁通型霍爾電流傳感器，可廣泛應用於交流變頻驅動、焊接電源、開關電源、不間斷電源等領域。該零磁通型霍爾電流傳感器通過砷化鎵霍爾元件檢測由通電電流產生的磁場，繼而有效地檢測被測電流。
由於霍爾元件產生的霍爾電勢很微弱，而且還存在較大的失調電壓，因此對霍爾電壓的放大和對不等位電勢的補償是該設計的兩個主要需要解決的問題，而且霍爾元件中載流子濃度等隨溫度變化而變化，因此還需用溫度補償電路對其溫度補償。

1 系統設計框架
系統分為4個部分：1)霍爾元件的供電電路，由電壓基準(電流基準)晶片為霍爾片提供工作電流；2)霍爾元件及磁芯，將感應片感應的磁場(該磁場由通電電流產生)轉化為霍爾電壓；3)放大電路，將微弱的霍爾電壓進行放大；4)反饋部分，利用了磁平衡原理：一次側電流所產生的磁場，通過二次線圈電流進行補償，使磁芯始終處於零磁通工作狀態。其系統總流程圖如圖1所示。

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2 系統硬體電路設計
系統由±5 V的穩壓源供電。用一片電壓基準晶片REF3012為砷化鎵系列的霍爾元件HW300B提供基準電壓。HW300B是一款可採用電壓模式供電和電流模式供電的霍爾元件，HW300B放在開有氣隙的集磁環的氣隙裡，並用膠水加以固定(霍爾元件和集磁環相對位置如果發生變化，會影響產生的霍爾電勢的大小)。霍爾元件的輸出接至儀器放大器AD620，作為放大器的差模出入端和共模輸入端。放大器的增益可通過調節1、8引腳之間的10 kΩ的電位器改變。放大器的輸出接反饋線圈，該反饋線圈繞在集磁環上，其繞線方向能使通過它的電流產生的磁場與集磁環收集到的磁場方向相反。反饋線圈末端放1個75 kΩ的精阻接地，可以通過測量精阻兩端的電壓，計算反饋線圈中的電流，進而推算穿過集磁環中心的被測電流的大小。其具體電路圖如圖2所示。


2．1 REF3012
以SOT23-3封裝的REF3012是一個高精度、低功耗、低電壓差電壓參考系列晶片。REF3012小尺寸和低功耗(最大50μA)非常適用於可攜式和電池供電。它不需要負載電容，但對任何容性負載很穩定。因磁敏型霍爾元件很容易受溫度的影響，可以採用恆流源供電以減小其溫度係數。在該系統設計中，REF3012的輸入引腳1接+5 V電源，並接10μF的旁路電容至地，該旁路電容對電源進行濾波，提高電源穩定性。而其輸出引腳2接到HW300B的引腳1，並且也接1O μF的旁路電容至地，GND(地)引腳3接地。由於系統設計要求REF3012為HW300B提供2．5 V的基準電壓，根據REF3012的數據資料可知，當輸入電壓為5 V時，輸出電壓為2．5 V，所以REF3012引腳1接+5 V電壓。
2．2 霍爾元件
本設計採用砷化鎵系列的HW300B型霍爾元件，輸出霍爾電壓範圍122～204mV，輸入、輸出阻抗為240～550 Ω，補償電壓為-7～7 mV，溫度係數為-1．8％／℃。其輸入可採用電壓模式供電，也可採用電流模式供電。這裡採用電壓模式供電，即就是HW300B的引腳1、3為控制輸入端，而引腳2、4為霍爾電壓輸出端。
霍爾元件是將磁場轉換為電信號的線性磁敏元件，霍爾輸出電壓

式中，S為乘積靈敏度，mV／(mT·mA)；Ic為工作電流，mA；B為磁感應強度，mT。
本設計中，將霍爾元件放進開有氣隙的集磁環的氣隙裡，並將霍爾元件和集磁環固定，這樣可以感應出更大、更穩定的霍爾電勢。式(1)中，當S與Ic一定，則Vh與B有直接線性關係。通電導體周圍必然產生磁場，根據安培定律，電流與磁場的關係式∮BdI=μ0I0得：

式中，μ0為真空磁導率，。
根據安培迴路定律，可得到這種磁路形式的電流與磁場的關係

由式(6)可知，根據霍爾元件的乘積靈敏度S，工作電流Ic，真空磁導率μ0，被測電流I0，纏繞匝數N1，氣隙長度l2，便可計算出霍爾電壓Vh。而且可知，氣隙長度l2越小，霍爾電壓Vh越大，所以氣隙應以剛好卡住霍爾元件為宜。
2．3 放大電路
由磁敏霍爾元件將集磁環收集到的磁場轉換為弱電信號，輸出一般為幾毫伏的電壓，需對其進行放大。這裡採用AD620型儀器放大器，它通過改變電阻而改變放大倍數(1～1000)。AD620的1、8引腳之間通過跨接1隻10 kΩ的電位器和1隻75 Ω的電阻來調整放大倍數。若要改變放大倍數，可調節電位器AD620的引腳7、4分別接+5 V、-5 V的工作電壓，並且分別接0．01 μF的旁路電容至地，用來濾除交流成分，使輸出的直流更平滑；而其引腳3、2分別接霍爾元件的引腳2、4，其引腳6輸出放大後的電壓值，接反饋線圈；引腳5是參考基準，接REF3012的引腳3，作為整個系統的地接。
儀器放大器電路由3個放大器共同組成，其中電阻R和RG需要在放大器的電阻使用範圍內(1～10kΩ)，根據固定的電阻R調整其放大倍數，關係式如下：(需要注意每個放大器的飽和現象，放大器的最大輸出電壓為其工作電壓±Vc)。AD620的輸出電壓Vo與輸入電壓V1、V2關係式如式(7)所示：

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