一種霍爾電流傳感器的電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了一種零磁通型霍爾電流傳感器，可廣泛應(yīng)用于交流變頻驅(qū)動(dòng)、焊接電源、開關(guān)電源、不間斷電源等領(lǐng)域。該零磁通型霍爾電流傳感器通過(guò)砷化鎵霍爾元件檢測(cè)由通電電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，繼而有效地檢測(cè)被測(cè)電流。
由于霍爾元件產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)很微弱，而且還存在較大的失調(diào)電壓，因此對(duì)霍爾電壓的放大和對(duì)不等位電勢(shì)的補(bǔ)償是該設(shè)計(jì)的兩個(gè)主要需要解決的問(wèn)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(bǔ)償電路對(duì)其溫度補(bǔ)償。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架
系統(tǒng)分為4個(gè)部分：1)霍爾元件的供電電路，由電壓基準(zhǔn)(電流基準(zhǔn))芯片為霍爾片提供工作電流；2)霍爾元件及磁芯，將感應(yīng)片感應(yīng)的磁場(chǎng)(該磁場(chǎng)由通電電流產(chǎn)生)轉(zhuǎn)化為霍爾電壓；3)放大電路，將微弱的霍爾電壓進(jìn)行放大；4)反饋部分，利用了磁平衡原理：一次側(cè)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，通過(guò)二次線圈電流進(jìn)行補(bǔ)償，使磁芯始終處于零磁通工作狀態(tài)。其系統(tǒng)總流程圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)由±5 V的穩(wěn)壓源供電。用一片電壓基準(zhǔn)芯片REF3012為砷化鎵系列的霍爾元件HW300B提供基準(zhǔn)電壓。HW300B是一款可采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(huán)的氣隙里，并用膠水加以固定(霍爾元件和集磁環(huán)相對(duì)位置如果發(fā)生變化，會(huì)影響產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)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(guò)調(diào)節(jié)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(huán)上，其繞線方向能使通過(guò)它的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與集磁環(huán)收集到的磁場(chǎng)方向相反。反饋線圈末端放1個(gè)75 kΩ的精阻接地，可以通過(guò)測(cè)量精阻兩端的電壓，計(jì)算反饋線圈中的電流，進(jìn)而推算穿過(guò)集磁環(huán)中心的被測(cè)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(gè)高精度、低功耗、低電壓差電壓參考系列芯片。REF3012小尺寸和低功耗(最大50μA)非常適用于便攜式和電池供電。它不需要負(fù)載電容，但對(duì)任何容性負(fù)載很穩(wěn)定。因磁敏型霍爾元件很容易受溫度的影響，可以采用恒流源供電以減小其溫度系數(shù)。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，REF3012的輸入引腳1接+5 V電源，并接10μF的旁路電容至地，該旁路電容對(duì)電源進(jìn)行濾波，提高電源穩(wěn)定性。而其輸出引腳2接到HW300B的引腳1，并且也接1O μF的旁路電容至地，GND(地)引腳3接地。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求REF3012為HW300B提供2．5 V的基準(zhǔn)電壓，根據(jù)REF3012的數(shù)據(jù)資料可知，當(dāng)輸入電壓為5 V時(shí)，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(shè)計(jì)采用砷化鎵系列的HW300B型霍爾元件，輸出霍爾電壓范圍122～204mV，輸入、輸出阻抗為240～550 Ω，補(bǔ)償電壓為-7～7 mV，溫度系數(shù)為-1．8％／℃。其輸入可采用電壓模式供電，也可采用電流模式供電。這里采用電壓模式供電，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(chǎng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)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(yīng)強(qiáng)度，mT。
本設(shè)計(jì)中，將霍爾元件放進(jìn)開有氣隙的集磁環(huán)的氣隙里，并將霍爾元件和集磁環(huán)固定，這樣可以感應(yīng)出更大、更穩(wěn)定的霍爾電勢(shì)。式(1)中，當(dāng)S與Ic一定，則Vh與B有直接線性關(guān)系。通電導(dǎo)體周圍必然產(chǎn)生磁場(chǎng)，根據(jù)安培定律，電流與磁場(chǎng)的關(guān)系式∮BdI=μ0I0得：

式中，μ0為真空磁導(dǎo)率，。
根據(jù)安培回路定律，可得到這種磁路形式的電流與磁場(chǎng)的關(guān)系

由式(6)可知，根據(jù)霍爾元件的乘積靈敏度S，工作電流Ic，真空磁導(dǎo)率μ0，被測(cè)電流I0，纏繞匝數(shù)N1，氣隙長(zhǎng)度l2，便可計(jì)算出霍爾電壓Vh。而且可知，氣隙長(zhǎng)度l2越小，霍爾電壓Vh越大，所以氣隙應(yīng)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(huán)收集到的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為弱電信號(hào)，輸出一般為幾毫伏的電壓，需對(duì)其進(jìn)行放大。這里采用AD620型儀器放大器，它通過(guò)改變電阻而改變放大倍數(shù)(1～1000)。AD620的1、8引腳之間通過(guò)跨接1只10 kΩ的電位器和1只75 Ω的電阻來(lái)調(diào)整放大倍數(shù)。若要改變放大倍數(shù)，可調(diào)節(jié)電位器AD620的引腳7、4分別接+5 V、-5 V的工作電壓，并且分別接0．01 μF的旁路電容至地，用來(lái)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輸出放大后的電壓值，接反饋線圈；引腳5是參考基準(zhǔn)，接REF3012的引腳3，作為整個(gè)系統(tǒng)的地接。
儀器放大器電路由3個(gè)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范圍內(nèi)(1～10kΩ)，根據(jù)固定的電阻R調(diào)整其放大倍數(shù)，關(guān)系式如下：(需要注意每個(gè)放大器的飽和現(xiàn)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(guān)系式如式(7)所示：