電流傳感器廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合。常見的技術(shù)是電阻式電流傳感，即測(cè)量分流電阻上的電壓降來(lái)確定未知電流?；诜至麟娮璧慕鉀Q方案不提供電氣隔離，并且在測(cè)量大電流時(shí)功率效率較低。

另一種廣泛使用的技術(shù)基于霍爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)電流傳感器由于其傳感器與待測(cè)電流之間的電氣隔離，提供了更高的安全性。它還避免了電阻式電流傳感方法中使用的分流電阻產(chǎn)生的高功耗。

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(shí)。

開環(huán)電流傳感

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。

待測(cè)電流通過(guò)置于磁芯內(nèi)的導(dǎo)體流動(dòng)。這樣，電流就在芯內(nèi)產(chǎn)生了磁場(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)由放置在核心氣隙中的霍爾效應(yīng)傳感器測(cè)量。

霍爾傳感器的輸出是與芯磁場(chǎng)成比例的電壓，而磁場(chǎng)又與輸入電流成比例?；魻栐a(chǎn)生的信號(hào)通常由信號(hào)調(diào)理電路處理。信號(hào)調(diào)理電路可以是簡(jiǎn)單的放大級(jí)，或者是更復(fù)雜的電路，旨在消除霍爾元件的漂移誤差等。

為什么我們需要磁芯?

假設(shè)沒有磁芯。在距離無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)體 r 的地方，攜帶電流 I 的磁場(chǎng)由以下公式給出：

這里的 μ0 是自由空間的磁導(dǎo)率。對(duì)于 I=1 A，r=1 cm，我們得到：

為了感受這個(gè)磁場(chǎng)有多小，注意到地球的磁場(chǎng)約為 0.5 Gauss。因此，通過(guò)感測(cè)其在自由空間中產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)測(cè)量 1 A 電流是非常具有挑戰(zhàn)性的。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們可以使用磁芯來(lái)限制和引導(dǎo)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。磁芯為磁場(chǎng)提供了高磁導(dǎo)率的路徑，并充當(dāng)了場(chǎng)集中器。磁芯內(nèi)部的磁場(chǎng)可以比電流在自由空間中產(chǎn)生的磁場(chǎng)大數(shù)百或數(shù)千倍。

空氣間隙

如圖1所示，磁芯設(shè)計(jì)有一個(gè)氣隙，霍爾傳感器就放置在這個(gè)氣隙中。氣隙可能導(dǎo)致渦流效應(yīng)現(xiàn)象，其中一些磁通線偏離其直線路徑，從而沒有按照預(yù)期通過(guò)傳感器。圖2顯示了這種渦流效應(yīng)。

由于渦流效應(yīng)，霍爾元件感測(cè)到的磁通密度可能小于磁芯內(nèi)部的磁通密度。換句話說(shuō)，氣隙可能降低磁芯將初級(jí)電流轉(zhuǎn)化為強(qiáng)磁場(chǎng)的有效性。然而，如果氣隙長(zhǎng)度相對(duì)于橫截面積較小，則渦流效應(yīng)的影響可以相對(duì)較小。

我們需要?dú)庀兑詼y(cè)量磁芯內(nèi)部的磁場(chǎng)。此外，氣隙使我們可以修改磁芯的整體磁阻。請(qǐng)注意，高電流可以在磁芯內(nèi)部產(chǎn)生較大的磁場(chǎng)并使其飽和。這可能限制可測(cè)量的最大電流。通過(guò)調(diào)整氣隙長(zhǎng)度，我們可以改變磁芯的飽和水平。圖3顯示了對(duì)于給定磁芯，感測(cè)到的磁通密度如何隨氣隙長(zhǎng)度變化。

在較小的氣隙下，我們可以實(shí)現(xiàn)更大的磁增益(高斯每安培增益)。然而，較小的氣隙可能使磁芯在相對(duì)較小的電流下飽和。因此，氣隙的長(zhǎng)度直接影響可測(cè)量的最大電流。除了氣隙長(zhǎng)度，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)適合高電流應(yīng)用(>200 A)的磁芯的更多信息，請(qǐng)參考Allegro的應(yīng)用說(shuō)明。

開環(huán)電流傳感的局限性

在開環(huán)配置中，非理想效應(yīng)，例如線性和增益誤差，可能影響測(cè)量準(zhǔn)確性。例如，如果傳感器的靈敏度隨著溫度變化，則輸出將出現(xiàn)溫度相關(guān)的誤差。此外，在開環(huán)電流傳感中，磁芯易于飽和。此外，霍爾傳感器的偏移以及磁芯的矯頑力可能會(huì)導(dǎo)致誤差。

閉環(huán)電流傳感

閉環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感技術(shù)如圖4所示。

顧名思義，這種技術(shù)基于負(fù)反饋概念。在這種情況下，存在一個(gè)由反饋路徑輸出驅(qū)動(dòng)的次級(jí)繞組。反饋路徑感測(cè)磁芯內(nèi)部的磁場(chǎng)，并調(diào)整次級(jí)繞組中的電流，使得磁芯的總磁場(chǎng)變?yōu)榱?。讓我們看看這個(gè)電路是如何工作的。

待測(cè)電流通過(guò)主導(dǎo)體流動(dòng)并在磁芯內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)由放置在核心氣隙中的霍爾效應(yīng)傳感器測(cè)量。霍爾傳感器的輸出是與核心磁場(chǎng)成比例的電壓，該電壓被放大并轉(zhuǎn)換為通過(guò)次級(jí)繞組的電流信號(hào)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)成次級(jí)繞組中的電流產(chǎn)生一個(gè)與主電流磁場(chǎng)相反的磁場(chǎng)?？偞艌?chǎng)為零時(shí)，我們應(yīng)有：

其中 Np 和 Ns 分別是主繞組和次級(jí)繞組的匝數(shù);Ip 和 Is 是主電流和次級(jí)電流。在圖4中，我們有 Np = 1 和

。因此，我們得到：

這給了我們一個(gè)與主電流成比例的電壓。注意，比例因子

是匝數(shù)和分流電阻值的函數(shù)。匝數(shù)是一個(gè)常數(shù)，電阻也非常線性。

開環(huán)與閉環(huán)電流傳感的比較

閉環(huán)架構(gòu)中采用的負(fù)反饋使我們能夠減少非理想效應(yīng)，例如線性和增益誤差。這就是為什么與開環(huán)配置不同，閉環(huán)架構(gòu)不會(huì)受到傳感器靈敏度漂移的影響。因此，閉環(huán)配置提供了更高的準(zhǔn)確性。閉環(huán)電流傳感器對(duì)磁芯飽和的魯棒性更強(qiáng)，因?yàn)榇判緝?nèi)部的磁通密度非常小。

在閉環(huán)傳感中，次級(jí)繞組由高功率放大器主動(dòng)驅(qū)動(dòng)。在閉環(huán)架構(gòu)中使用的額外組件導(dǎo)致更大的電路板面積、更高的功耗以及更高的價(jià)格。

穩(wěn)定性問(wèn)題是閉環(huán)電流傳感器的另一個(gè)缺點(diǎn)。在閉環(huán)配置中，我們需要推導(dǎo)系統(tǒng)傳遞函數(shù)，并確保系統(tǒng)穩(wěn)定。一個(gè)不穩(wěn)定的系統(tǒng)可能會(huì)在輸入電流快速變化時(shí)表現(xiàn)出超調(diào)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。然而，降低系統(tǒng)帶寬可能會(huì)增加響應(yīng)時(shí)間，使系統(tǒng)無(wú)法對(duì)輸入的快速變化做出反應(yīng)。開環(huán)配置通常期望表現(xiàn)出更快的響應(yīng)時(shí)間。

請(qǐng)注意，無(wú)論是在閉環(huán)還是開環(huán)配置中，霍爾傳感器的偏移都可能導(dǎo)致誤差。優(yōu)質(zhì)的銻化銦(InSb)霍爾元件的偏移通常為 ±7 mV。

現(xiàn)代集成解決方案

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(lái)解決上述一些限制。例如，TI 的 DRV411 是一個(gè)信號(hào)調(diào)理集成電路，專為閉環(huán)電流傳感應(yīng)用設(shè)計(jì)，使用電流旋轉(zhuǎn)技術(shù)消除霍爾元件的偏移和漂移誤差。該技術(shù)如圖5所示。

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