非侵入式霍尔效应电流传感技术为电力电子提供安全、可靠的检测和保护
非侵入式霍尔效应电流传感技术为电力电子提供安全、可靠的检测和保护
保罗翡翠
摘要
随着系统对最新功率半导体(igbt、mct等)的开发不断扩展，显示了功率输出极限的不断提高，传感这些不断升级的电流水平的先决条件(和并行)需求(越来越)非常明显。霍尔效应集成电路提供了“非侵入式”电流传感技术和安全、隔离的高电流水平检测，而不耗散与电阻式电流传感方法相关的大量浪费的电力(以及由此产生的热量)。此外，霍尔效应电流传感提供了载流导体的电隔离;因此，为电路、操作人员等提供安全的环境。
霍尔效应传感器集成电路的电流传感应用不断增加;亚博尊贵会员变得更加多样化;此外，随着其他设计师努力保护系统，创造更可靠的“防弹”设备，并解决任何安全问题，扩展和增长。用于电流传感的高性价亚博尊贵会员比霍尔效应传感器ic的主要应用包括:
- 电流不平衡
- 目前的监测
- 操作员/用户安全和安全
- 过流检测/系统保护
- 系统诊断与故障检测
- 测试和测量
背景和介绍
霍尔效应的发现要追溯到1879年;然而，埃德温·h·霍尔发现的任何有意义的应用都要等到20世纪60年代末首次出现的半导体集成。随后，进一步的进展(特别是1990年代的进展)进一步发展，更全面的功能集成加上扩展系列的应用特定霍尔传感器IC类型。然而，磁传感器电子技术的不断进步继续增加了对低成本、可靠和“非接触”霍尔效应电路的需求，用于感知/检测运动、方向、位置和测量/监测电流。
霍尔效应传感器集成电路(特别是比率线性类型)是“开环”电流传感设计的极好设备。但是，可能实现的操作范围、精度和精度、频率响应等都有限制。由于许多潜在用户对使用霍尔效应集成电路的电流传感技术的优点或缺点一无所知，本文试图对目前可用的硅霍尔效应器件(hed)的“非侵入性”电流传感的基本技术进行全面讨论。
如果不使用开槽环面来集中(和聚焦)感应磁通场，大多数霍尔效应电流传感要求都不能产生足够的磁场。低到中等电流(<≈15安培)需要在开槽环面(磁芯)上绕足够的匝数，以诱导可用的磁通强度并形成合适的信号电压。一个更高的电流水平(>15到20安培)诱导的场强度允许通过载流导体直接通过环面中心(在这些更高的电流下不需要转弯)。
利用线性霍尔效应传感器集成电路要求宽(或连续)电流范围的设计。然而，过流保护和/或故障检测设计可以由数字hed容纳。电流传感技术的要点、器件参数、温度稳定性和霍尔效应电流传感的其他相关问题的例子和细节在这篇关于感应交流和直流电流的HEDs的论文中被覆盖。
竞争对手,竞争技术
虽然有许多电流传感方法，但在低成本、大量应用中，只有三种是常见的。亚博尊贵会员其他的是昂贵的实验室系统，新兴技术(磁电阻就是一个例子)，或者很少使用。常用的技术包括:(1)电阻式，(2)霍尔效应，(3)电流互感器。
电阻式传感应用非常广泛，成本低，理解起来很容易。然而，缺点是它的插入损耗(加热和浪费电力)和缺乏隔离。此外，许多功率电阻的串联电感限制了低成本组件的频率范围;因此，根据表1中的类别，电阻传感分为直流或交流应用。低电感，高功率的高频电阻更贵，但允许超过500千赫的工作。此外，(通常)电阻性电流传感技术需要信号放大(需要比较器或运算放大器)。
| 表1:普通的，廉价的电流传感技术 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 广泛使用的传感器 | 电力消耗 |
电路隔离 | 频率范围 | 大小 | 精度 | 相对成本 | |
| 插入损耗 | 外部力量 | ||||||
| 感应电阻+运算放大器 | 高 | 低 | 低 | 直流至10兆赫兹 | 媒介 | ±3 - 5% | 低 |
| 标准开环霍尔效应 | 低 | 低 | 高 | 直流至50 kHz | 小 | ±5 - 10% | 媒介 |
| 采用霍尔闭环 | 低 | 媒介 | 高 | 直流至1 MHz | 中型到大型 | <±1% | 高 |
| 开环霍尔效应电流传感器集成电路 | 低 | 低 | 高 | 直流电至120 kHz | 小 | ±2 - 3% | 媒介 |
| 电流互感器 | 介质(AC) | 没有一个 | 高 | 60hz ~ 1mhz * | 中型到大型 | ±3 - 5% | 高 |
| *电流互感器通常在有限的频率范围内工作，但可设计用于从低到高的频率。 | |||||||
霍尔效应传感器集成电路(开环和闭环)代表了普通解决方案的下一层。插入损耗(以及相关的加热等)不一个障碍。然而，与电阻传感方法相比，霍尔效应IC技术的频率范围、成本、直流偏移和外部功率代表了其潜在的缺点。
电流互感器是最后一种低成本技术，而且(正如变压器这个术语所暗示的那样)只对交流电有用。大多数低成本电流互感器的设计频率范围较窄，比电阻或霍尔效应更贵，和不能用于直流电流。然而，电流互感器避免插入损耗，提供电气隔离，做到不需要外部力量，并展示没有零(零)电流电平的偏移电压。
因为这篇论文的重点是霍尔效应集成电路，了解线性，比率hed的元素是必要的开环电流传感。
线性霍尔效应传感器ic
顾名思义，线性霍尔传感器集成电路产生的输出信号与施加的磁场成正比。通常情况下，在任何电流传感应用中，这个磁通场被一个“开槽”环形体聚焦，以形成一个足够的场强，而这个磁场是由导体中流动的电流引起的。比率线性的“经典”转移曲线如图1所示。注意，在其范围的每一个极端，输出都是饱和的。
图1。线性霍尔传感器集成电路传递曲线
大多数最近的线性霍尔集成电路提供比率输出电压。静止电压(即零电压)(名义上)是施加的稳定电源的50%。这个静止输出电压信号等于没有应用磁场和，对于电流传感，相当于零电流。一个向南的极性场引起一个正向的电压转变(向V方向)CC)，北向极性导致向地过渡(0 V)。输出饱和电压(通常)为0.3 V(高/源)和0.2 V(低/下沉)，测量电压为±1 mA。［艾德。注意。输出电压现在在多伏范围内。］
每个线性霍尔效应IC集成了一个敏感霍尔元件(也称为“板”)，一个低噪声(双极)放大器和汇聚/源输出级。任何与低电平信号和噪声相关的系统问题都通过磁霍尔元件、放大器、输出和相关信号处理电路的单片集成最小化。
现有的非常稳定的线性hed利用动态正交偏移抵消电路，并利用电子开关来改变霍尔元件中的电流路径。以高重复率将电流路径从0°切换到90°，为长期困扰线性传感器IC运行和稳定性的(固有)直流偏移提供了新的解决方案。
采样和保持电路和低通滤波器被用来适当地“修复”这些创新线性hed的内部动态信号。
线性霍尔效应集成电路可以检测通量强度的微小变化，(通常)在电流传感方面比数字霍尔效应集成电路更有用。线性hed通常与运算放大器电容耦合，或直流连接到比较器，以达到系统设计目标。此外，微控制器(Cs)和微处理器(Ps)被用于检测线性霍尔集成电路的小信号变化，非常适合(使用适当的软件)用于感知/测量交流或直流电流。
诱导磁场
如前所述，霍尔效应电流传感通常需要使用开槽环面(由黑色材料制成)。所述环面既使感应磁场向IC封装内霍尔效应元件的位置集中又聚焦。图2是一个典型的“非侵入式”电流检测的典型例子。导体电流流过缠绕在环面上的匝，感应磁通场集中在环面上缝隙(或槽)中的传感器IC上。通常情况下，这种间隙是与霍尔IC封装厚度(约。0.060”或1.52毫米)，这提供了最佳的磁耦合。电流(与这种“紧密的”磁耦合)感应出每个公式的磁通强度
B(高斯)≈N(匝)× 6.9高斯/安培
［注:6.9高斯/安培由之前的6高斯/安培更新。］
图2。带间隙环面电流传感
扩大狭缝(间隙)可以减少磁通耦合，并可以增加电流上限，这取决于霍尔传感器IC的灵敏度(后面会有更多内容)。然而，去耦诱导场以扩大最大电流限制可能会影响线性度、使用范围等。这种“松散”耦合正在评估中，但尚未完成;因此,没有新的公式的磁通量和导体电流(和更大的间隙)已被记录。
“校准”比率线性hed
两个最新的[注解:文章最初发表于1997年。具有动态直流偏移抵消功能的线性霍尔传感器，为线性比率hed和电流传感的研究提供了基础。A3515图(图3)和相关数据(表2)记录了最敏感的线性HED的重要特征;其对应的A3516的属性见图4和表3。
图3。线性，比率霍尔效应器件特性(A3515输出)
| 表2:线性，比率霍尔效应器件特性测量数据(A3515)， 测量超过±250高斯 |
|||||
|---|---|---|---|---|---|
| 标记 | VCC (伏) |
Vinfoq (伏) |
灵敏度 (mV / G) |
非线性 （％） |
对称 （％） |
| 圆 | 4.500 | 2.217 | 4.450 | ≤0.1 | 99.9 |
| 广场 | 5.000 | 2.463 | 5.014 | ≤0.2 | 99.9 |
| 三角形 | 5.500 | 2.710 | 5.704 | ≤0.1 | 99.7 |
| 表3:线性，比率霍尔效应器件特性测量数据(A3516)， 测量超过±500高斯 |
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|---|---|---|---|---|---|
| 标记 | VCC (伏) |
Vinfoq (伏) |
灵敏度 (mV / G) |
非线性 （％） |
对称 （％） |
| 圆 | 4.500 | 2.232 | 2.149 | ≤0.1 | 99.9 |
| 广场 | 5.000 | 2.475 | 2.481 | ≤0.1 | 99.6 |
| 三角形 | 5.500 | 2.723 | 2.820 | ≤0.1 | 99.9 |
目前，尽管很少销售，“校准”线性霍尔效应集成电路是设置和测量系统磁参数的极好电路，代表了对比率集成电路的性能、特性和限制的优秀入口。
传感器的灵敏度
A3515和A3516之间的基本区别是磁灵敏度。图3和图4中描述的两种特定传感器ic的标称数据列在表2和表3中。灵敏度的单位是毫伏每高斯(mV/G)。列出了三个电压;然而，大多数设计使用固定的，低成本的5v稳压器ic来保证稳定性。两个线性hed的标称灵敏度(和可用范围)如下(VCC= 5 V):
- A3515
- 灵敏度:5.0 mV / G
- 量程:≥±400g(≥±2.0 V)
- A3516
- 灵敏度:2.5 mV / G
- 量程:≥±800g(≥±2.0 V)
线性和对称
从这些图(图3和图4)可以明显看出，线性和对称性(与静止电压(或零电压)的斜率偏差)都不是一个重要的设计结果，因为A3515的线性和对称性都没有超过0.3%。图中A3515和A3516分别为±400g和±800g，两种型号的输出电压波动均为≥±2.0 V。
线性电流范围(年代)
实际的电流极限(与“紧密”耦合的最大值)是根据近似的先验公式中每匝的范围和磁通推导出来的:
- A3515:≥±400 g ÷6.9 g / a≈±58 a
- A3516:≥±800 g ÷6.9 g / a≈±116 a
正如前面提到的，电流值超过≈115安培要求减少磁耦合，分流更高的电流水平(即，让总电流的一部分通过环面)，或其他有效“脱敏”电路的方法。“非侵入式”电流检测的应用越来越多，特别是在大电流(>100 A)下。超低值亚博尊贵会员电阻器(<1 mΩ)在这些电流下耗散了相当大的功率和热量，并且所需的“无感”电阻器增加了成本。我2R损失不能避免;一个500 mΩ和200 a的感应电阻产生20瓦。显然，这是设计师应该避免的情况。然而，低成本的选择很少(或不存在)。［注:Allegro™yabo live 现在，它可以适应电流高达±200 A的范围。］
线性，比率霍尔效应集成电路
最新的线性hed结合了动态正交直流偏移抵消如图5所示。霍尔元素是一个“单板”，由其符号(Χ)指定。传感器IC电流从0°方向(向下)切换到90°路径(穿过霍尔板)，在≈170 kHz。这排除了大部分早期的偏移相关因素(由电阻梯度、几何不相似、压阻效应等引起的直流不平衡)。采用低通滤波器和采样保持电路来调整馈送到线性比率霍尔传感器IC输出的信号。
图5。动态正交偏移抵消线性霍尔效应传感器
为线性霍尔效应ic供电
虽然线性hed的功率要求很小，但需要外部电源。来源必须是稳定的和调节良好的;有了固定电压的IC稳压器(通常是5v)，这个设计问题就简单(而且便宜)解决了。线性传感器ic的最大供电电流在5v(典型值≈7ma)下≤10ma。使用低成本的IC调节器，从系统供应容易，板上，“向下”调节很简单。
表4列出了新的线性比率传感器ic的绝对最大限制。
| 表4:绝对最大限度 (T一个= 25°) |
|
|---|---|
| 特征 | 评级 |
| 电源电压,CC | 8.0 V |
| 输出电压,V出 | 8.0 V |
| 输出汇聚电流，I出 | 10马 |
| 磁通量密度，B | 无限的 |
| 封装功耗，PD | 600 mW * |
| * UA的包评级183°C / W。［注:评分184。］ | |
超过上述规定限制的操作可能会影响设备的操作，性能，或导致折衷(牺牲)电路和/或系统可靠性，(绝对)不建议。
最大的电源电压−最近的线性hed具有抵消功能，允许在比前一代(A3506等)更高的供电下运行。这些新的线性集成电路将最大极限提高到表4。
最大输出电压−表4所列;然而，应该注意的是，输出不能连接到超出电源或低于IC接地的电压。两者都可能损害霍尔传感器IC的可靠性和/或影响系统的可靠性。
最大输出电流−最新的线性hed指定的电流比以前的设备更高。然而，典型的应用程序很少涉及超过表亚博尊贵会员4中列出的10 mA最大值的一个微不足道的百分比。今天的模拟或转换电路的高阻抗输入(通常)需要微安而不是毫安霍尔传感器IC输出电流。
最大磁通密度−超出霍尔效应集成电路线性范围的磁场既不损坏或破坏设备。然而，超出可用范围的磁场迫使输出进入饱和(非线性运行)，而不会对HED造成伤害。
包功耗−封装的最大功耗限制是基于在安全可靠的结温下运行。使用的两种封装类型的热阻(和最大功率T一个= + 25°C)。
- “U”包:Rθ是= 183°C / W (PD= 683兆瓦)
［艾德。注意:Rθ是184分是正确的。］ - UA的包:Rθ是= 206°C / W (PD= 606兆瓦)
［艾德。注意:Rθ是165的评分是正确的。］
最大建议结温为150°[注:现在加热到165°C。]，耗散应该相等零在这个温度。然而，最新的线性允许罕见的(即短暂的)偏移达到200°C(环境温度，T一个≤170°C)。
内幂(PD)由两个因素组成:(a) HED电源(ICC×VCC)和(b) IC输出功率(I出×V(坐))．正常情况下，电源(a)抑制输出损耗(b)，在5v运行时，典型的功率损耗≤40mw。当≤40mw时，器件结温可能比环境温度(TJ≤T一个+ (PD×Rθ是])。
内部功率为(通常)不但设计人员应该理解器件功耗的基本结果及其与提高传感器IC结温度的关系。IC(和系统)的可靠性与所有系统组件的温度呈负相关。较高的环境温度和结温度会降低任何系统的预期寿命和可靠性。
独特的线性HED参数
多种多样的线性hed特性在电流传感应用中受到关注，下面简要描述这些特性。亚博尊贵会员随后，这些特性和参数将集中体现在精度、温度效应、线性、对称性等方面。
电压输出−如上所述，比率式线性霍尔传感器ic提供的输出电压与电流诱导的外加磁场成正比，如图2所示。在保证的极限下，输出指定为汇聚和源±1ma。根据图2,3，和4，可用范围≥±2.0 V与5v电源。前面所提到的,静止时输出电压是1⁄2供应没有磁场(或电流感应)。稳定、调节良好的电源对正常运行是非常必要的，否则输出电压将随电源的任何变化而波动。［注:有关最新性能特性，请参阅快速的选择指南．］
霍尔效应传感器ic电路加载−线形hed对被感知导体无负载。一种“不断开”、“非侵入性”的技术是基于在被感知的导体周围形成一个“环面”。不是让导线穿过环面(图6A和6B)，而是在导线周围形成软铁片。这允许在不需要断开电力系统中的任何导体的情况下感知电流(“不断开”形成的环面如图6C所示)。
图6 a。环形电流传感应用(< 15a)
图6 b。环形电流传感应用(> 15a)
图6 c。“无断开”电流传感应用
对电流过载的容忍−如上所述，如果导体电流超过线性霍尔IC的范围，则会迫使输出进入非线性饱和状态。过高的电流不会损害或损坏传感器IC，但是，如果导体过热，持续的过电流可能会导致火灾或安全隐患。
霍尔效应电流传感器的响应时间−对当前一些利用基于霍尔效应的技术和环面的传感设备的回顾表明，传感器IC的响应时间范围相当广泛。其中大多数(包括放大器)在≈7 ms到≈15 ms的范围内，但也有一些低于或高于这些限制。测试(通常)指定di/dt = 100 A/ms;指定的线性电流范围从相当低的(<5 A)到极值(>20,000 A)不等。显然，20 kA的种类很昂贵，没有利用任何低成本的环面技术。
霍尔效应传感器IC带宽−如今，大多数线性霍尔集成电路的可用带宽≥20 kHz。信号电压在此频率下变化不大。然而，在较低的频率下，明显的相移变得明显。在不同的ic和供应商之间有一些明显的差异，但在超过约20 kHz时，下降幅度相当大。尽管所有线性hed的−3 dB滚降的截止频率是不一致的，20 kHz到25 kHz是一个有效的近似。
代表性的示波器图显示了频率对霍尔传感器IC信号的影响。从直流到500hz(图7)没有明显的相移。上面的信号是HED电压，下面的轨迹是绕组(线圈)电流。
图7。V出(上)和我在(较低)在500赫兹
当输入速率为10 kHz时，相移变得非常明显(图8)，当输入速率为20 kHz时，相移非常明显(图9)。注:在间隙环面上旋转20次进行测试;而且三个图的电压尺度并不相同。其他中频图显示了类似的相移，但由于空间限制没有包括在内。［注:限制是指原始出版物的限制。］
图8。V出(上)和我在(较低)在10khz
图9。V出(上)和我在(较低)在20khz
此外，需要指出的是，这种带宽限制与线性传感器IC相关，在这一工作频率范围内，磁(和感应耦合)绝对不是带宽的限制因素。
显然，在这样的带宽限制下，霍尔传感器ic无法感知在正常、听不到的工作频率(>20 kHz)下利用功率mosfet或igbt的大功率PWM电路，但线性HED可用于直流和“市电”电源。
功率作用下的线性HED响应越来越多的系统设计师面临着严格的电力“预算”，并寻求保存电流和电力的技术。电池供电和电池“备用”设计是特别值得关注的，任何能够减少电力的方法都要仔细审查。
一种反复出现的技术是(周期性地)通过短时间间隔打开电源，然后长时间关闭电源来激活传感器IC电路。平均功率与占空比有关。因此，对于低占空比的应用程序，功耗可以大大降低。亚博尊贵会员固定电压IC稳压器(带使能输入)是一种非常可行的开关HED电源和降低平均功率的电路技术。
显然，线性霍尔IC提供稳定、可用信号所需的时间是非常重要的，我们对两种不同的线性赫德进行了评估，以确定它们的通电响应特性。这些器件表现出不同的特性，示波器图描绘了它们在对线性施加功率时的动态操作。这些图包括一个5%的窗口，以比较当电压达到其最终值时信号的沉降。
最新的线性hed(具有动态正交偏移抵消)比利用正交霍尔元素的早期一代具有更慢的响应。之前的系列(A3506等)在不到1毫秒的时间内稳定到最终电压的95%以上(如图10所示)，并需要大约15毫秒(如图11所示)才能达到最终电压值。非常明显的权衡:速度vs.通电时信号电压的准确性和分辨率。
图10。充电(0.2µs/div.)
图11。A3506充电(2.0µs/div.)
最新的器件(A3515和A3516)表现出较慢的响应(≈25 μ s至≥95%，和≈40 μ s为最终稳定的电压水平)。这些图揭示了性能与响应速度之间的基本权衡，以及节约电力的潜在潜力。
图12。充电(5.0µs/div.)
线性霍尔传感器装置/环形滞环−在±6 A的条件下进行的测试导致了大量的输出电压信号摆动，结果显示任何涉及迟滞的误差都非常小(对于线性HED (A3516)和间隙环面的组合，误差约为1%)。从本质上讲，线性霍尔传感器ic没有迟滞。然而，不同的开槽环面(和不同的磁性材料)可能具有不同的滞回特性。
实际测量的电压差范围为≈16 mV到≈22 mV，变化幅度为2.1 V。当使用铁氧体铁芯时，迟滞是一个次要的问题，但其他亚铁铁芯(如粉末铁)可能表现出不同的特性。
因此，对特定环面和相关线性传感器IC进行完整、彻底的评估将是一个非常谨慎的(和推荐的)建议。
核心(环形线圈)饱和−正常情况下，岩心的饱和度应该不是问题。一种电流传感器应用设计，使用足够的匝数来驱动HED的输出电压接近全量程(在最大设计电流下)第一个为了获得最佳的精度，使用的匝数应该诱导输出电压转变(刚好)低于饱和传感器IC(更多关于这一点)。
零交叉−对于线性霍尔效应传感器IC，零交叉对应于零磁场(当B = 0且a为0时无感应磁通场)。零磁场下的HED输出电压等于1 / 2电源(即静止输出电压)。
线性赫德的宽带输出噪声−这些线性霍尔集成电路的宽带噪声无关紧要，其值与所选设备相关。最近稳定的线性霍尔IC系列的测试规范如下:
- B = 0
- BW = 10赫兹到10千赫
- 我出≤1马
典型等效输入噪声电压(Vn)两个线性序列的值为:
- A3506, A3507, A3508: 125 mV
- A3515, A3516: 400 mV
考虑到这些hed的最低灵敏度为2.5 mV/G，加上精确测量在非常低的通量强度下是不可实现的(后面会详细介绍)，宽带噪声的后果(通常)是一个非常次要的考虑因素。其他因素(特别是随温度变化的静态输出电压漂移)要重要得多。
系统的温度−温度范围是需要考虑的一个关键组成部分，必须很好地理解，适当地指定(没有多余的裕度)，控制这个非常重要的设计元素极大地有助于实现合理的精度。注意:开环设计不能(容易)解决电流的小变化。核心迟滞≈1%就排除了这一点，而没有考虑温度对线性HED输出参数的其他(更严重的)影响及其与性能的关系。
静态输出电压(直流偏移)从本质上说，比率式线性霍尔IC的直流偏移与其与标称静止输出电压(即1 / 2电源)的偏差有关。由于缺乏系统校准或单独的“查找”表，这个直流参数非常明显地影响任何利用线性霍尔集成电路的电流传感系统的精度。通过回顾图3和图4，以及表2和表3，直流偏移(Vinfoq，或静态输出电压)非常简单。
最新的比率霍尔效应传感器ic指定直流静止输出电压限制为1 / 2电源±0.2 V [注:参考附录。］．在最新的线性霍尔集成电路中，在HED工作温度范围内的静态输出电压漂移相当于±10高斯。
静态静态电压的一个重要方面是其公差极限。目前规格表±0.2 V [注:参考附录。]，这转化为±8%的最大误差，没有任何温度诱导的影响(A3515/3516)。显然，这个潜在的误差因素构成了一个强大的约束，如果精确的电压是系统性能的先决条件，就必须认真考虑。
通过调节电源达到2.5 V标称电压，对静止输出电压的直流补偿是可行的，但这也会影响灵敏度，任何相关的偏移都可能在生产中被证明是不可容忍的。根据图3和图4，增加电源补偿低的静态输出电压，减少电源补偿高的静态电压。然而，这种偏移对灵敏度有不利影响，并抵消了“零”静止电压的积极方面。
因为最新线性的灵敏度规格包含±10%的公差，没有任何温度影响，“null”静态输出电压(到2.5 V)逃避±8%的静态输出电压误差似乎是相当荒谬的。
对于“高级”类型，早期线性电路的直流漂移相当于±20高斯，对于“有限”温度单元，直流漂移范围为±50高斯。此外，先前的集成电路的静态输出电压的公差范围比带有偏移抵消功能的最新集成电路更宽(或非常宽)。
这阻碍了设计一个精确、精确的线性传感系统的能力，该系统可在较宽的温度范围内工作。设计需要紧密的电流传感公差必须面对和协调与静态输出电压(值和漂移)相关的任何问题，这些将在开环线性霍尔传感器ic的精度一节中进行更详细的讨论。
利用上述漂移关系，可以近似地求得最大静态输出电压漂移误差。这些计算是根据(名义上的)线性灵敏度:
- A3515:±10g × 5.0 mV/G≈±50 mV
- A3516:±10 G × 2.5 mV/G≈±25 mV
- A3506:±20 G × 2.5 mV/G≈±50 mV
- A3507:±35g × 2.5 mV/G≈±87 mV
- A3508:±50 G × 2.5 mV/G≈±125 mV
从本质上说，当静态电压漂移是一个重要标准，而最大灵敏度不是主要考虑因素时，该列表将A3516确定为受青睐的线性。在电流传感应用中，这需要两倍的匝数(v亚博尊贵会员s. A3515)来获得相同的电压摆动。
在满量程电压波动(≥±2.0 V)时，A3516的最大误差≤±1.3%，但静态电压漂移始终<±3g (A3516≈±7.5 mV)。这个误差因素取决于温度;因此，应使用足够的匝数来驱动接近全尺寸的输出。这将温度相关的静态输出电压漂移的整体影响最小化。因此，近全程作业是绝对建议使用ΔVinfoq错误率较低。
温度对传感器IC灵敏度的影响−两个新线性的标称灵敏度(和范围)在前面已经提到。然而，电路公差未指明。这些集成电路具有不同的标称灵敏度;然而，与温度相关的最大位移是相同的。重申灵敏度和范围，加上添加公差，产生以下霍尔效应IC参数和器件温度变化:
- 灵敏度，5.0 mV/G±10%
- ΔSensitivity (ΔT)在T一个=最大值，-2.5%(最小值)，+2.5%(最大值)，+7.5%(最大值)
- ΔSensitivity (ΔT)在T一个= Min， -9.0% (Min)， -1.3% (typ)， +1.0% (max)
- 磁量程，≥±400 G(≥±2.0 V)
- A3516:灵敏度2.5 mV/G±10%
- Δ敏感性(ΔT)在T一个=最大值，-2.5%(最小值)，+2.5%(最大值)，+7.5%(最大值)
- Δ敏感性(ΔT)在T一个= Min， -9.0% (Min)， -1.3% (typ)， +1.0% (max)
- 磁量程，≥±800g(≥±2.0 V)
- 温度范围:
- T一个(最小值),-40°C
- T一个(最大)，85°C或125°C
实质上，开环线性hed的可达到精度涉及直流偏置和灵敏度。
开环线性霍尔传感器ic的精度在任何经典的推理小说中，到了这个时候，情节就变得复杂了。由于精确、精确的测量要求正在增加，下面是与实现“准确性”和可靠性相关的相关元素的简明解释。准确性、可重复性、成本等都是相互关联的。
虽然可以定义参数最大值，但对精度的累积影响是相当模糊的。此外，所有最坏情况的错误都不可能同时发生。越来越多的成本敏感设计是基于典型的规格，这可能会导致小的(虽然可以容忍的)失败率，而不能(容易地)降低。
精确定位“开环”电流传感的绝对准确性超出了这篇论文的范围。然而，回顾基本因素支持分析。
- 迟滞，hys，≈±1%
- 输出静止电压，Vinfoq,[±8%注:参考附录。］
- A3515或A3516: 2.5 V±0.2 V
- 输出静态电压漂移，ΔVinfoq,±10克
- A3515:≤±50 mV
- A3516:≤±25 mV
- 灵敏度T一个= Max,±10%
- A3515: 5.0 mV / G
- A3516: 2.5 mV / G
- Δ敏感性在
- T一个=最大，-2.5%到+7.5%
- T一个=最小，-9.0%到+1.0%
- 正/负线性，≈99.7%
- 对称,≈99.7%
- 宽带噪声,en400µV
显然，其中一些元素对于实现精确的电流传感非常关键，而其他元素则相当无关紧要。从根本上说，与滞回、线性、对称和宽带噪声相关的误差变得相当微不足道。与静止电压和灵敏度相关的因素对于任何实现精确和精确的电流传感设计(绝对)是必不可少的。
与静态输出电压漂移相关的误差与范围相关，且与设备相关。±10g(通常<±5g)位移与10高斯外加磁场下50%的潜在误差相关。然而，在电场强度为>667 G时，±10 G的漂移小于1.5%。因此，静态电压误差因子是“非线性的”，并且随着A3516线性HED输出电压的较大波动(大幅)减小。
静态输出电压公差以百分比表示(≤±8% [注:参考附录。])。这是基于名义比率(1 / 2电源= 2.5 V)和规定的极限≤±0.2 V [注:参考附录。］．因为大多数线性霍尔传感器ic更接近标称(≤±0.1 V)，±8%的公差代表了非常“最坏的”静态输出电压场景。
灵敏度参数也可能产生相当大的误差。然而，这些清单等同于最坏情况的分析。此外，灵敏度与温度效应之间的关系是不(到目前为止)完全指定。在接近任何一个灵敏度极限和温度诱导位移的器件之间是否存在一致的相关性没有说明。与温度相关的影响可能是零,或小字体的(温度抵消了任何累积偏差)，或者累积(温度进一步加剧了耐受性)。
基于已公布的参数和限制，开环电流传感设计不能轻易地期望获得低于≈±10%到±15%的结果。然而，在回顾了基于测试数据(A3515/16)的最近图后，提高测量精度的前景(绝对)改善了。
两个图(图13和图15)描绘了Vinfoq与温度。+25°C数据寄存器A3515最小值为2.468 V;最大2.512 V;A3516电压范围最小为2.464 V，最大为2.501 V。这比指定的要严格得多。ic的-3西格玛限值为:2.457 V (A3515)和2.462 V (A3516)。+3西格玛数据极限为2.520 V (A3515)和2.509 V (A3516)，这些电压转换为公布的±8%公差范围内的良好电压[注:参考附录。为这些线性的静态输出电压。
A3515需准备的数据如下:
| Vinfoq在伏 与VCC= 5 V |
||||
|---|---|---|---|---|
| 环境温度 | −40°C | 25°C | 85°C | 150°C |
| 3σ | 2.448 | 2.457 | 2.463 | 2.472 |
| 最小值 | 2.461 | 2.468 | 2.473 | 2.481 |
| 的意思是 | 2.487 | 2.489 | 2.493 | 2.501 |
| 马克斯 | 2.517 | 2.512 | 2.520 | 2.530 |
| + 3σ | 2.525 | 2.520 | 2.523 | 2.531 |
| Vinfoq在伏 作为25°C时偏离值的百分比漂移 |
||||
|---|---|---|---|---|
| 环境温度 | −40°C | 25°C | 85°C | 150°C |
| 3σ | -4.04 | 0．00 | -1.15 | -1.54 |
| 最小值 | -2.90 | 0．00 | -0.60 | -0.60 |
| 的意思是 | -0.59 | 0．00 | 0.74 | 2.38 |
| 马克斯 | 2.60 | 0．00 | 2.40 | 5.50 |
| + 3σ | 2.86 | 0．00 | 2.63 | 6.31 |
A3516需准备的数据如下:
| Vinfoq在伏 与VCC= 5 V |
||||
|---|---|---|---|---|
| 环境温度 | −40°C | 25°C | 85°C | 150°C |
| 3σ | 2.454 | 2.462 | 2.462 | 2.466 |
| 最小值 | 2.458 | 2.464 | 2.467 | 2.472 |
| 的意思是 | 2.484 | 2.485 | 2.483 | 2.485 |
| 马克斯 | 2.503 | 2.501 | 2.498 | 2.499 |
| + 3σ | 2.514 | 2.509 | 2.504 | 2.504 |
| Vinfoq在伏 作为25°C时偏离值的百分比漂移 |
||||
|---|---|---|---|---|
| 环境温度 | −40°C | 25°C | 85°C | 150°C |
| 3σ | -3.97 | 0．00 | -3.36 | -5.13 |
| 最小值 | -3.60 | 0．00 | -1.60 | -2.90 |
| 的意思是 | 0.12 | 0．00 | -0.14 | 0.56 |
| 马克斯 | 3.20 | 0．00 | 3.08 | 5.70 |
| + 3σ | 4.22 | 0．00 | 3.60 | 6.25 |
ΔV的数据和图infoq相对于温度也记录了比规定的±10%(前面列出毫伏)更好的性能。图14和16显示了Vinfoq漂移很好地在范围内，并且在任何约+25°C的狭窄温度带内漂移都非常小。显然，温度范围影响输出电压位移公差。
因为这些图和数据包含符合某些HED规范的特征，所以绝对建议对可达到的精度进行一些认真的考虑(特别是在温度范围有限的情况下)。从根本上说，在没有校准和/或补偿方法的情况下，温度的影响是任何努力获得个位数(<10%)精度的首要考虑因素。
图13。Vinfoq与温度(A3515)
图14。ΔVinfoq与温度(A3515)
图15。Vinfoq与温度(A3516)
图16。ΔVinfoq与温度(A3516)
灵敏度对准确性的影响−灵敏度的图和数据证实了新的线性hed在已公布的限制内，并描述了精度分辨率的另一个(尽管是次要的)组成部分。器件灵敏度及其相关的随温度变化是保守的，尽管没有极端的测试裕度。图17到20描述了灵敏度数据。
A3515需准备的数据如下:
| 在mV / G敏感性 | ||||
|---|---|---|---|---|
| 环境温度 | −40°C | 25°C | 85°C | 150°C |
| 3σ | 4.408 | 4.683 | 4.795 | 4.842 |
| 最小值 | 4.454 | 4.793 | 4.930 | 4.927 |
| 的意思是 | 4.761 | 4.988 | 5.109 | 5.121 |
| 马克斯 | 5.181 | 5.316 | 5.392 | 5.359 |
| + 3σ | 5.113 | 5.293 | 5.423 | 5.400 |
| 灵敏度 作为25°C时偏离值的百分比漂移 |
||||
|---|---|---|---|---|
| 环境温度 | −40°C | 25°C | 85°C | 150°C |
| 3σ | -7.6 | 0．0 | -0.1 | -0.7 |
| 最小值 | -7.1 | 0．0 | -0.9 | -1.0 |
| 的意思是 | -4.7 | 0．0 | 2．3 | 2.5 |
| 马克斯 | -2.5 | 0．0 | 3．7 | 4.4 |
| + 3σ | -1.9 | 0．0 | 4.6 | 5.8 |
A3516的数据揭示了类似的特性:
| 在mV / G敏感性 | ||||
|---|---|---|---|---|
| 环境温度 | −40°C | 25°C | 85°C | 150°C |
| 3σ | 2.174 | 2.313 | 2.393 | 2.410 |
| 最小值 | 2.263 | 2.401 | 2.465 | 2.476 |
| 的意思是 | 2.340 | 2.457 | 2.530 | 2.528 |
| 马克斯 | 2.586 | 2.700 | 2.758 | 2.728 |
| + 3σ | 2.506 | 2.600 | 2.667 | 2.646 |
| 灵敏度 作为25°C时偏离值的百分比漂移 |
||||
|---|---|---|---|---|
| 环境温度 | −40°C | 25°C | 85°C | 150°C |
| 3σ | -7.1 | 0．0 | 1．1 | -0.1 |
| 最小值 | -6.8 | 0．0 | 2．0 | 0.9 |
| 的意思是 | -5.0 | 0．0 | 2.7 | 2.6 |
| 马克斯 | -4.0 | 0．0 | 3．7 | 4.３ |
| + 3σ | -2.9 | 0．0 | 4.2 | 5.3 |
图17。灵敏度与温度(A3515)
图18。ΔSensitivity vs.温度(A3515)
图19所示。灵敏度与温度(A3516)
图20。ΔSensitivity vs.温度(A3516)
显然，无论是数据还是图都不能反映比率线性霍尔传感器ic的总体分布。这种对精确度的洞察意在建议调和精确电流测量与hed的可达到极限的基本必要性，但它并不意味着任何明确的约束。最终，创新的、深思熟虑的电路设计技术的应用决定了开环霍尔效应电流传感的本质限制。
校准和补偿努力实现开环精度低于±10%的电流传感设计应考虑替代方案。实现“硬件”校准和/或补偿是一个昂贵、复杂的选择，(对于大多数设计)应该被忽略。
然而，通过使用一个比较器(或多个比较器)来建立跳闸点是非常可行的，对温度和静态电压进行校准或补偿，以实现全范围的线性操作是一项艰巨的任务。比较器可以提供离散的电流信号(过流，正常工作等)，具有有用的准确性，但不能(容易地)区分小的电流变化。
软件日益成为提高HED电流检测精度的解决方案。通常，这涉及到微控制器，µp，或计算机，和软件校准/补偿方案。
因为线性hed的线性、对称性和比率是≈100%，这些误差因素可以(很大程度上)被忽略。如果系统要求较宽的工作范围，温度范围是一个确定的因素。然而，较窄的温度跨度可以缓解设计上的困难。使用软件(和µC/µP)来开发查找表，需要测量和存储足够的数据点，以实现每个电流传感器IC可接受的(和单独的)校准技术。这(通常)涉及以下校准/补偿步骤:
- 测量和储存Vinfoq(零电流),
- 测量和存储(特定的)电流点，
- 从V计算灵敏度infoq和数据,
- 测量/存储温度漂移(如果需要)。
确定当前级别涉及使用“查找”数据，通过使用存储的V计算当前值infoq和敏感数据。
- 测量V出然后计算当前值，然后
- 测量系统温度并补偿其漂移效应(如果系统有要求)。
本质上，“查找”表对应于前面提到的“校准”线性hed。这种软件/查找表方法可以很容易地达到<±10%的精度，它的最终极限(可能是≈±1%)可能受到与软件开发、必要的校准和补偿(包括设备)以及提高精度的相关成本和时间相关因素的限制。
显然，数据存储需要参数测量的非易失性存储器，以及单独的初始校准程序。查找表补偿了静态电压、灵敏度和温度效应的变化。通过软件校准和补偿技术，与这些组成部分相关的系统精度的潜在误差可以最小化。虽然这看起来可能是复杂和昂贵的，但其他解决方案可能比使用低成本的8位C芯片更复杂和更昂贵。
霍尔效应传感器ic的分类−虽然这种方法可能会使设备输出参数变紧;目前，只有已发布的数据表限制的线性可供出售。一些“增值”排序是由其他人提供的，但这种过程和服务既不常见也不便宜。尽管如此，一些特定的客户选择通过外部测试、分类和选择特定的、严格的设备限制的线性hed来解决可怕的设计问题。显然，对于电流传感设计来说，任何预先排序HED集成电路可用性的改善都是一个明确的优势，而“排序”HED集成电路的可用性可能会发生变化。
传感器组件的尺寸和形式−由于有各种尺寸的环面，其槽被明确切割以适应HED封装(Eastern Components, Inc.)，因此无法确定典型尺寸。图21显示了在6个不同电流范围内提供的一个基本配置(感知到的峰值电流额定值为:1a、3a、5a、8a、10a和100a)。长度、高度和宽度有所不同，最大的版本测量为长0.950”、高1.025”和宽0.500”;所有版本都是PCB通孔形式。
图21。霍尔集成电路电流传感组件
电流传感“子系统”的成本−确定与基于线性霍尔ic的电流传感器相关的成本实际上与涉及系统精度的各种问题一样困难。不可缺少的组件(线性HED和开槽环面)的成本可以很容易地确定，图21所示的完整组装的价格起价约为8.00美元(1000个数量)。［注:1997年美元估值。］
开槽铁氧体铁芯(通常)的成本< 1.00美元(即使数量不多)，线性霍尔效应传感器IC的成本范围从< 2.50美元到< 3.25美元(1k片)。这个价格跨度反映了各种霍尔传感器IC类型和不同的温度范围。很明显，单位成本随着量产的增加而降低，在量产时，传感器IC/环面组合成本很容易下降到3.00美元以下。从铁氧体铁芯到带“铸造”间隙的粉末铁环面的转换可以显著降低总体成本。与成本为0.80至0.85美元的铁氧体不同，在类似数量下，粉铁芯的价格估计为0.20至0.25美元。
然而，其他因素，如工程时间，软件编程，组装劳动等，根据每个单独的设计需求变化(相当大)。显然，每个系统温度、分辨率和精度都是影响系统成本的先决条件。开发和实现高分辨率、非常精确的宽温度范围设计的费用与只感知过大电流的费用有很大的不同。过电流故障检测应用程序可能允许非常宽的容错(可能±20%)，这将不保证任何软件“查找”，严格的设备和温度评估，一个精确的，完整的温度设计要求。
因此，只能识别基本组件(以及图21的组装)。与软件开发、系统设计工程等相关的成本超出了利用线性霍尔集成电路进行电流传感的范围。
保护大功率电子
图22显示了大功率igbt的电流传感检测和保护的一个经典示例。此图可用于交流感应电机的单相调速驱动器(ASD)或其他需要全桥或三半桥驱动的电源电路(例如，三相永磁无刷直流电机)。这样的配置可以检测到供电导轨中过多的电流(上电流传感器)。这可能是由于短接电源轨到地面，或短接输出结合相应的IGBT被激活。短路的下或上输出与同一“腿”相反部分的开输出的任何组合都可能导致系统中(不安全的)过流故障。
图22。带有电流传感器ic的“全桥”
或者，与绕组串联的线性传感器IC(中心传感器)提供从短负载的检测，也监测实际线圈电流。两个位置的当前传感器ic应排除火灾和安全隐患(并保护任何人员);高速“关机”电路可以防止对电源输出的损坏(如果过流是由外部故障造成的，如设备维修不当)。显然，总体电路响应速度(停机时间)对于保护系统和提供安全至关重要。
总结和观点
线性霍尔亚博尊贵会员效应传感器ic在开环电流传感中的应用不断发展和扩展。目前，可用的设备远远优于任何早期的线性，在设计、加工、包装、测试等方面的进步是不断的和无情的。如前所述，当今的hed具有公差和温度漂移，这对那些打算设计、开发和实施系统的人构成了巨大的挑战，这些系统要求在广泛的系统工作温度范围内具有可靠的个位数精度。
期待在HED性能和温度稳定性方面的进一步进展，更多的功能集成，以及其他发展，使线性HED更适合于更高分辨率的电流传感。
未来的线性可能允许在HED封装后对传感器IC进行编程。这将允许用户调整增益(灵敏度)，校准输出静止电压(Vinfoq)，并补偿温度变化的问题。显然，这涉及到在电路设计和测试方面的创新、更复杂的技术。然而，应用这种霍尔传感器集成电路的机会呈指数增长。
霍尔效应传感器集成电路自20世纪60年代末集成以来已经发生了革命性的变化。随着进一步的进步和改进，新型线性hed的应用有望扩大和成倍增加，以满足未来电力电子系统的许多新兴亚博尊贵会员需求。
确认
线性霍尔效应电流传感器的符号[注:如图22所示。Χ标志是表示磁驱动的标准标志。是由Raymond Dewey(前Allegro MicroSystems公司)创建的。亚博棋牌游戏目前，利用霍尔效应技术的电流传感器还没有标准或公认的原理图符号。
参考文献
课程:P. Emerald，“电流传感原理中电源转换和运动系统的开环电流传感”，PCIM电力电子研究所，第六章，PowerSystems World’97;亚博尊贵会员马里兰州巴尔的摩;加上组成这一天的专业进步课程的各个章节的贡献者。
研讨会:P. Emerald和Joe Gilbert“运动控制和定位应用的综合霍尔效应传感器”，1995年PowerSystems World，长滩，加州。亚博尊贵会员
齿顶高
自本文撰写(1997年12月)并发表以来，A3515和A3516比率式线性霍尔效应传感器ic已经被A132x系列取代。有关新系列的信息可以在Allegro的网站上找到，网址是A1324-5-6．
此外，在最初的出版物之后，对A3515和A3516比率，线性霍尔效应传感器ic的规格进行了更改。1998年4月，新的、更严格的静态输出电压限制由原来的2.5 V±0.2 V更改为2.5 V±0.075 V。除了在静态输出电压限制上的升级，有效的线性电流范围可以通过扩大环形间隙(即槽)来扩大磁联轴器的“脱敏”。
根据标题为静止输出电压(直流偏移)的章节，最初，规格列出的比率输出(名义上)为2.5 V。限值为2.3 V(最小)和2.7 V(最大)CC= 5 V超过设备工作温度范围。这种改进影响了应用比率式线性霍尔效应传感器集成电路的系统的可实现精度(参考题为“开环线性霍尔传感器集成电路的精度”的章节)。
如前所述，本文给出了以下输出静态电压极限:
Vinfoq..................................2.48 V至2.52 V(±8%)
升级后的规范现在显示如下:
Vinfoq..............................2.425 V至2.575 V(±3%)
这一严格的规范通过利用这些线性、比率霍尔效应传感器ic显著提高了实现更精确测量的能力。这意味着个位数的精度对于某些设计来说是现实的(特别是那些温度波动有限的设计)。
线性电流范围-根据关于线性电流范围的原始材料(第5页)，具有“紧密”磁耦合(»60mil间隙以匹配传感器包)，范围不变:
A3515:≥±400 g ÷ 6.9 g / a»±58 a
A3516:≥±800g ÷ 6.9 g / a»±116 a
“脱敏”磁联轴器可以很容易地通过扩大(扩大)环面槽来实现。对磁力联轴器脱敏的第一次尝试是将插槽增加到3毫米(≈封装体的两倍)，这减少了磁通耦合并提高了上电流限制如下:
A3516:≥±800 g ÷ 3.85 g / a»±210 a
测试表明，传感器IC盒的位置对磁耦合没有影响。定心'校准'线性霍尔效应传感器IC外壳导致相同的输出信号定位外壳插槽的任何一个面。由于许多用户努力获得更高的电流范围，另一个评价接踵而至(在新的铁氧体环面从东方组件公司获得后)。
当前范围极限的下一个扩展是在环面间隙为6毫米(例如，超过4×包装厚度尺寸)的情况下进行的。(非常)“脱敏”磁力联轴器根据以下计算增加了最大电流限制:
A3516:≥±800g ÷ 1.7 g / a»±470 a
当有不同尺寸的环面间隙可用时，将进行进一步的评估。这将提供一个更完整的(尽管重叠)当前范围集，其上限(目前)未知。此外，其他环形材料(特别是铁粉)也将进行评估。
总结
收紧的静态输出电压容忍度为比率，线性hed提供了更好的精度，扩大环形槽增加了这些器件的最大电流限制。
本论文于1998年5月6日在俄亥俄州立大学举行的国际电器技术会议上发表。本文经许可转载。
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