霍尔电流传感器的应用

霍尔电流传感器的应用

1.1背景

传感器是将各种参量送入计算机系统，进行智能监测、控制的最前端。随着科技的发展，数字化、网络化传感器应用日益广泛，以其传统方式不可比拟的优势渐渐成为技术的趋势和主流。

近年来，新一代功率半导体器件大量进入电力电子、交流变频调速、逆变装置及开关电源等领域。原有的电流、电压检测元件已不适应中高频、高di/dt电流波形的传递和检测。霍尔电流、电压传感器/变送器模块是近十几年发展起来的测量控制电流、电压的新一代工业用电量传感器，是一种新型的高性能电气检测元件。

霍尔电流、电压传感器/变送器模块具有优越的电性能，是一种先进的、能隔离主电路回路和电子控制电路的电检测元件。它综合了互感器和分流器的所有优点，同时又克服了互感器和分流器的不足（互感器只适用于50Hz工频测量；分流器无法进行隔离测量）。利用同一只霍尔电流电压传感器/变送器模块检测元件既可以检测交流也可以检测直流，甚至可以检测瞬态峰值，因而是替代互感器和分流器的新一代产品。

1.2传感器的发展方向

1、向高精度发展：

随着自动化生产程度的不断提高，对传感器的要求也在不断提高，必须研制出具有灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可靠性。目前能生产万分之一以上的传感器的厂家为数很少，其产量也远远不能满足要求。

2、向高可靠性、宽温度范围发展：

传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干扰等性能，研制高可靠性、宽温度范围的传感器将是永久性的方向。提高温度范围历来是大课题，大部分传感器其工作范围都在-20℃～70℃，在军用系统中要求工作温度在-40℃～85℃范围，而汽车锅炉等场合要求传感器的温度要求更高，因此发展新兴材料（如陶瓷）的传感器将很有前途。

各种控制仪器设备的功能越来越大，要求各个部件体积能占位置越小越好，因而传感器本身体积也是越小越好，这就要求发展新的材料及加工技术，目前利用硅材料制作的传感器体积已经很小。如传统的加速度传感器是由重力块和弹簧等制成的，体积较大、稳定性差、寿命也短，而利用激光等各种微细加工技术制成的硅加速度传感器体积非常小、互换性可靠性都较好。

4、向微功耗及无源化发展：

传感器一般都是非电量向电量的转化，工作时离不开电源，在野外现场或远离电网的地方，往往是用电池供电或用太阳能等供电，开发微功耗的传感器及无源传感器是必然的发展方向，这样既可以节省能源又可以提高系统寿命。目前，低功耗损的芯片发展很快，如T12702运算放大器，静态功耗只有1.5µA，而工作电压只需2～5V。

5、向智能化数字化发展：

随着现代化的发展，传感器的功能已突破传统的功能，其输出不再是一个单一的模拟信号（如0～10mV），而是经过微电脑处理好后的数字信号，有的甚至带有控制功能，这就是所说的数字传感器。

1.3国内外发展情况

国内传感器技术起步晚，发展较慢，因此和美国、日本等发达国家产生了一定的差距。国内和国外的敏感元件与传感器作为信息系统的要害基础元器件，在国外一直得到了高度重视，很多发达国家为了夺取未来经济发展制高点，大力投入人力、物力和财力来发展它。国外在敏感元件与传感器的研究、开发、生产和应用主要表现为：①自动化技术中经典的传感嚣正在被新材料、新原理、多功能、微结构所取代；②与数字化技术、通信技术的紧密结合；③集成化、智能化和微型化进展。

近几年来，国内的新兴传感器企业越来越多，国内产品的市场额份虽然也在逐渐提高，但国外产品大面积倾入国内市场的力量仍然不容忽视。如何加强国内企业自身优势，提高我们的传感器技术成为了业内人士关注的焦点。

1.4 相关工作

霍尔电流传感器的应用：

方案：测电压输出信号

1.5 本文主要研究内容

以零磁通闭环产品为例（主要依据霍尔效应原理）

当原边导线经过电流传感器时，原边电流ip会产生电磁力线，原边磁力线集中在磁芯气隙周围，内置在磁芯气隙中的霍尔垫片可产生和原边磁力线成正比的，大小仅为几毫伏的感应电压，通过后续电子电路可把这个微小的信号转变成副边电流is，并存在以下关系式：is/ns=ip/np

详细见附录A

霍尔电流传感器的应用-测电压输出信

2.1 引言

随着城市人口和建设规模的扩大，各种用电设备的增多，用电量越来越大，城市的供电设备经常超负荷运转，用电环境变得越来越恶劣，对电源的“考验”越来越严重。据统计，每天，用电设备都要遭受120次左右各种的电源问题的侵扰，电子设备故障的60%来自电源.因此，电源问题的重要性日益凸显出来。原先作为配角，资金投入较少的电源越来越受到厂商和研究人员的重视，电源技术遂发展成为一门崭新的技术。

而今，小小的电源设备已经融合了越来越多的新技术。例如开关电源、硬开关、软开关、参数稳压、线性反馈稳压、磁放大器技术、数控调压、PWM、SPWM、电磁兼容等等。实际需求直接推动电源技术不断发展和进步，为了自动检测和显示电流，并在过流、过压等危害情况发生时具有自动保护功能和更高级的智能控制，具有传感检测、传感采样、传感保护的电源技术渐成趋势，检测电流或电压的传感器便应运而生并在我国开始受到广大电源设计者的青睐。

2.2闭环霍尔电流传感器的工作原理

闭环霍尔电流传感器是用霍尔器件作为核心敏感元件、用于隔离检测电流的模块化产品，其工作原理是霍尔磁平衡式的 ( 或称霍尔磁补偿式、霍尔零磁通式 ) 。众所周知，当电流流过一根长的直导线时，在导线周围产生磁场，磁场的大小与流过导线的电流的大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测，由于磁场的变化与霍尔器件的输出电压信号有良好的线性关系，因此，可以用测得的输出信号，直接反应导线中电流的大小，即 I ∝ B ∝ VH ，式中 I 为通过导线中的电流； B 为导线通电流后产生的磁感应强度；VH 为霍尔器件在磁场中产生的霍尔电压。选择适当的比例系数，上述关系可表示为等式。对于霍尔输出电压 VH 的处理，人们设计了许多种电路，但总体来讲可分为两类：一类为开环 ( 或称直测式、直检式 ) 霍尔电流传感器；另一类为闭环(或称零磁通式、磁平衡式 ) 霍尔电流传感器。闭环霍尔电流传感器的工