霍尔效应电流检测：开环和闭环配置

电流传感器广泛用于各种应用。一种常见的技术是电阻电流感测，其中测量分流电阻器两端的电压降以确定未知电流。基于分流电阻器的解决方案不提供电流隔离并且不节能，尤其是在测量大电流时。

另一种广泛使用的技术是基于霍尔效应。霍尔效应电流传感器由于其传感器与待测电流之间的电流隔离而提供更别的安全性。它还避免了电阻电流感测方法中采用的分流电阻器的相当大的功率耗散。

在本文中，我们将了解霍尔效应电流传感器的基础知识。

开环电流检测

基于霍尔效应的开环电流传感器的结构如图 1 所示。

图 1.图片由Dewesoft提供

待测电流流过磁芯内的导体。通过这种方式，电流在铁芯内部产生磁场。该场由放置在磁芯气隙中的霍尔效应传感器测量。

霍尔传感器的输出是与磁芯磁场成正比的电压，也与输入电流成正比。霍尔设备产生的信号通常由信号调理电路处理。信号调理电路可以是一个简单的放大级，也可以是一个更复杂的电路，旨在消除霍尔器件漂移误差等。 

为什么我们需要磁芯？

假设没有磁芯。距离载有电流 I 的无限长直导体 r 处的磁场由下式给出：

\[B = \frac{μ_0I}{2\pi r} ~ , ~ μ_0 = 4\pi \times 10^{-7}\frac{H}{m}\]

其中 μ 0是自由空间的磁导率。对于 I=1 A，r=1 cm，我们得到：

\[B = 2 \times 10^{-5}~Tesla = 0.2~Gauss\]

要感受这个磁场有多小，请注意地球磁场约为 0.5 高斯。因此，通过感测 1A 电流在自由空间中产生的磁场来测量 1A 电流非常具有挑战性。为了解决这个问题，我们可以使用磁芯来限制和引导电流产生的磁场。为磁场提供高渗透性路径，并充当场集中器。内部的磁场可能比给定电流在自由空间中产生的磁场大数百或数千倍。 

气隙

如图 1 所示，磁芯设计有气隙，霍尔传感器放置在气隙中。气隙会导致边缘磁通现象，其中一些磁通线偏离其直线路径，因此不会按预期通过传感器。这种边缘效应如图 2 所示。

图 2.图片由R. Jez提供

由于边缘效应，霍尔器件感应到的磁通密度可能小于铁芯内部的磁通密度。换句话说，气隙会降低磁芯将初级电流转换为强磁场的效率。然而，如果间隙长度与间隙横截面积相比较小，则边缘效应的影响可能相对较小。 

我们需要气隙才能测量内部的磁场。此外，气隙允许我们修改磁芯的整体磁阻。请注意，高电流会在磁芯内部产生大磁场并使其饱和。这可以限制可测量的电流。调整气隙长度，我们可以改变饱和度。图 3 显示了感测到的磁通密度如何随给定磁芯的气隙长度而变化。

图 3.图片由Allegro提供

使用更小的气隙，我们可以获得更大的磁增益（高斯每安培增益）。然而，较小的气隙可以使磁芯在相对较小的电流下饱和。因此，间隙长度直接影响可测量的电流。除了间隙长度之外，还有其他因素（例如磁芯材料、磁芯尺寸和磁芯几何形状）决定了磁芯的效率。有关适用于高电流应用 (>200 A) 的磁芯的更多信息，请参阅Allegro 的应用说明。

开环电流检测的局限性

对于开环配置，线性度和增益误差等非理想效应会影响测量精度。例如，如果传感器的灵敏度随温度变化，则输出端将出现与温度相关的误差。此外，对于开环电流检测，磁芯容易饱和。此外，霍尔传感器的偏移以及磁芯的矫顽力也会导致误差。 

闭环电流检测

闭环霍尔效应电流检测技术如图 4 所示。

图 4.图片由Cheemi-Tech提供

顾名思义，此技术基于负反馈概念。在这种情况下，存在一个由反馈路径的输出驱动的次级绕组。反馈路径感测铁芯内部的磁场并调整通过次级绕组的电流，使铁芯的总磁场变为零。让我们看看这个电路是如何工作的。 

待测电流流过初级导体并在铁芯内产生磁场。该场由放置在磁芯气隙中的霍尔效应传感器测量。霍尔传感器的输出是一个与磁芯磁场成正比的电压，它被放大并转换为通过次级绕组的电流信号。该系统的设计方式是，流经次级绕组的电流会产生与初级电流磁场相反的磁场。在总磁场等于零的情况下，我们应该有：

\[N_pI_p = N_sI_s\]

其中 Np和Ns分别为初级和次级绕组的匝数；I p和 I s是初级和次级电流。在图 4 中，我们有 N p  = 1 和 \[V_{out} = R_m \times I_s\]。因此，我们得到：

\[V_{out} = R_m \times \frac{1}{N_s} \times I_p\]

这给了我们一个与初级电流成正比的电压。请注意，比例因子 \[R_m \times \frac{1}{N_s}\] 是匝数和分流电阻值的函数。匝数是恒定值，电阻器也非常线性。

开环与闭环电流检测

闭环架构中采用的负反馈使我们能够减少线性度和增益误差等非理想效应。这就是为什么与开环配置不同，闭环架构不受传感器灵敏度漂移影响的原因。因此，闭环配置提供了更高的精度。闭环电流传感器对磁芯饱和更稳健，因为磁芯内部的磁通密度非常小。  

通过闭环传感，次级线圈由高功率放大器主动驱动。闭环架构中使用的额外组件导致更大的 PCB 面积、更高的功耗以及更高的价格。 

稳定性问题是闭环电流传感器的另一个缺点。对于闭环配置，我们需要导出系统传递函数并确保系统稳定。不稳定的系统可能会响应输入电流的快速变化而出现过冲或振铃。为了使闭环系统稳定，我们通常需要限制其带宽。但是，降低系统带宽会增加其响应时间并使系统无法响应输入的快速变化。通常期望开环配置具有更快的响应时间。

请注意，霍尔传感器的偏移会导致闭环和开环配置中的误差。优质锑化铟 (InSb) 霍尔元件的偏移通常为 ±7 mV。

现代综合解决方案

值得一提的是，现代基于霍尔效应的电流传感器采用创新技术来解决上述一些限制。例如， TI 的DRV411是一种信号调节 IC，专为闭环电流感测应用而设计，它使用电流自旋技术来消除霍尔元件偏移和漂移误差。这种技术如图 5 所示。

图 5. DRV411 中使用的当前旋转技术。图片由德州仪器提供

另一个例子是Allegro 的ACS720  [PDF 链接]，它专为开环电流检测应用而设计。ACS720 使用片上温度补偿算法来优化温度精度。

图 6.  ACS720 的框图。图片由Allegro Microsystems