電流傳感器在各類應(yīng)用場(chǎng)景中廣泛使用。傳統(tǒng)電阻式電流檢測(cè)技術(shù)通過測(cè)量分流電阻兩端的壓降來(lái)推算電流值，但這類方案無(wú)法實(shí)現(xiàn)電氣隔離，且在測(cè)量大電流時(shí)能效較低。

另一種主流技術(shù)基于霍爾效應(yīng)原理?；魻栯娏鱾鞲衅魍ㄟ^感應(yīng)被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行非接觸測(cè)量，其電氣隔離特性可提供更高的安全性，同時(shí)避免了分流電阻方案中的功率損耗問題。本文將深入解析霍爾電流傳感器的基本原理。

開環(huán)電流檢測(cè)技術(shù)

圖1展示了開環(huán)式霍爾電流傳感器的典型結(jié)構(gòu)。被測(cè)電流流經(jīng)磁芯內(nèi)部的導(dǎo)體，在磁環(huán)內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)。置于磁芯氣隙中的霍爾元件將檢測(cè)該磁場(chǎng)強(qiáng)度，并輸出與輸入電流成正比的電壓信號(hào)。該信號(hào)通常需要經(jīng)過調(diào)理電路處理，可能包含簡(jiǎn)單放大或復(fù)雜的漂移補(bǔ)償?shù)裙δ堋?/p>圖1

磁芯的必要性分析

假設(shè)取消磁芯結(jié)構(gòu)，根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，1A電流在1cm距離處產(chǎn)生的磁場(chǎng)僅為0.2高斯(地磁場(chǎng)約0.5高斯)。顯然，自由空間中的弱磁場(chǎng)難以精確測(cè)量。磁芯的高磁導(dǎo)率特性可將磁場(chǎng)強(qiáng)度提升數(shù)百至數(shù)千倍，其本質(zhì)是充當(dāng)磁場(chǎng)匯聚器。

氣隙設(shè)計(jì)的影響

如圖1所示，磁芯設(shè)計(jì)包含安置霍爾元件的氣隙。該結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致磁力線邊緣擴(kuò)散效應(yīng)(圖2)，使部分磁通偏離預(yù)期路徑，降低霍爾元件的實(shí)際感應(yīng)強(qiáng)度。但當(dāng)氣隙截面積遠(yuǎn)大于長(zhǎng)度時(shí)，這種影響可控制在較小范圍內(nèi)。

氣隙長(zhǎng)度直接影響兩大關(guān)鍵參數(shù)：磁增益(高斯/安培比)和最大可測(cè)電流。較小氣隙能提高靈敏度，但會(huì)降低磁芯飽和閾值(圖3)。除氣隙外，磁芯材料、尺寸及幾何形狀同樣影響性能。針對(duì)200A以上大電流應(yīng)用的磁芯選型，可參考Allegro的應(yīng)用指南。

開環(huán)方案的局限性

開環(huán)結(jié)構(gòu)易受線性度誤差、增益漂移等非理想因素影響。例如傳感器溫漂會(huì)直接反映在輸出端，且磁芯飽和效應(yīng)會(huì)限制測(cè)量范圍。此外，霍爾元件失調(diào)電壓和磁芯矯頑力也會(huì)引入誤差。

閉環(huán)電流檢測(cè)技術(shù)

如圖4所示，閉環(huán)方案基于負(fù)反饋原理工作。次級(jí)繞組中的補(bǔ)償電流由反饋環(huán)路調(diào)節(jié)，始終維持磁芯凈磁通為零。根據(jù)安匝平衡原理可得：

Np×Ip = Ns×Is

當(dāng)Np=1時(shí)，輸出電壓Vout=Rm×Is，最終推導(dǎo)出：

Vout = Rm×(Ip/Ns)

該結(jié)構(gòu)中，比例系數(shù)僅與匝數(shù)比和采樣電阻相關(guān)，二者均具有極佳線性度。

開環(huán)與閉環(huán)方案對(duì)比

閉環(huán)架構(gòu)通過負(fù)反饋有效抑制線性度和增益誤差，不受傳感器靈敏度漂移影響，精度顯著提升。其磁芯始終工作在近零磁通狀態(tài)，抗飽和能力更強(qiáng)。但閉環(huán)方案需要驅(qū)動(dòng)功率放大器，導(dǎo)致PCB面積、功耗及成本增加。

穩(wěn)定性是閉環(huán)傳感器的另一挑戰(zhàn)，需通過系統(tǒng)傳遞函數(shù)分析確保穩(wěn)定性。帶寬限制雖可避免振蕩，但會(huì)延長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間。而開環(huán)結(jié)構(gòu)通常具有更快動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

需注意的是，兩種方案均受霍爾元件失調(diào)電壓影響(典型InSb元件失調(diào)約±7mV)。