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)的扩展和开发，在功率输出限制方面的不断进步，感知这些不断升级的电流水平的先决条件(和并行)需求(日益)非常明显。霍尔效应集成电路提供“非侵入式”电流传感技术和安全、隔离的高电流水平检测，而不会耗散与电阻式电流传感方法相关的大量浪费功率(以及由此产生的加热)。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、操作人员等提供一个安全的环境。
霍尔效应传感器IC的电流传感应用不断增加；变得更加多样化；并且随着其雷竞技最新网址他设计师努力保护系统、创建更可靠的“防弹”设备和协调任何安全问题而扩展和增长。用于电流传感的成本效益高的霍尔效应传感器IC的主要应用包括e:
- 电流不平衡
- 目前的监测
- 操作员/用户安全与保障
- 过流检测/系统保护
- 系统诊断和故障检测
- 测试和测量
背景和介绍
霍尔效应的发现始于1879年;然而，任何有意义的应用，埃德温H.霍尔发现等待半导体集成首次出现在20世纪60年代末。随后，进一步的进步(特别是20世纪90年代的进步)进一步发展，更全面的功能集成，以及一系列扩展的特定应用霍尔传感器IC类型。然而，随着磁传感电子技术的不断发展，对低成本、可靠和“非接触”霍尔效应电路的需求不断增加，霍尔效应电路用于传感/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(尤其是比值线性型)是“开环”电流传感设计的极好器件。然而，可能实现的操作范围、精度和精度、频率响应等都有限制。由于许多潜在的用户不知道和/或不知道使用霍尔效应集成电路的电流传感技术的优点或缺点，本文试图提供一个全面的讨论，关键的，基本的技术与硅霍尔效应器件(HEDs)的“非侵入式”电流传感目前可用。
大多数霍尔效应电流传感要求如果不使用开槽环来集中(和聚焦)感应磁通场，就不能产生足够的磁场。低到适中的电流(< 15安培)需要在开槽环形线圈(铁芯)上缠绕足够的匝数，以产生可用的磁通强度并产生合适的信号电压。较高的电流水平(>15到20安培)诱导磁场强度，允许载流导体直接通过环形线圈的中心(在这些较高的电流不需要匝)。
要求使用线性霍尔效应传感器ic的宽(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容纳数字HEDs。本论文介绍了电流传感技术的要点、器件参数、温度稳定性以及霍尔效应电流传感的其他相关问题。
竞争对手,竞争技术
虽然有许多电流传感方法，但只有三种普遍的低成本、批量应用。雷竞技最新网址其他的则是昂贵的实验室系统，新兴的技术(磁阻技术就是一个例子)，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。
电阻传感应用非常广泛，成本低，理解起来也没有什么困难。然而，其缺点是插入损耗(发热和浪费功率)和缺乏隔离。同时，许多功率电阻的串联电感以低成本元件限制频率范围;因此，根据表1中的类别，电阻感测可分为直流或交流应用。低电感、高功率的高频电阻更贵，但允许运行超过500 kHz。此外，电阻式电流传感技术(需要比较器或运算放大器)通常需要信号放大。
| 表1:普通、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 | ||||||
| 检测电阻+运放 | 高 | 低 | 低 | 直流至10兆赫 | 媒介 | ±3 - 5% | 低 |
| 标准开环霍尔效应 | 低 | 低 | 高 | DC至50 kHz | 小 | ±5 - 10% | 媒介 |
| 霍尔效应闭环 | 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 | DC至120khz | 小 | ±2 - 3% | 媒介 |
| 电流互感器 | 介质(AC) | 没有一个 | 高 | 60 Hz至1 MHz* | 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，但可以设计为从低频到高频使用。 | |||||||
霍尔效应传感器集成电路(开环和闭环)代表了下一层常见的解决方案。插入损耗(及相关发热等)为不一个障碍。然而，频率范围、成本、直流偏置和外部功率是霍尔效应集成电路技术与电阻传感方法相比的潜在缺点。
电流互感器是最后一种低成本技术，而且(正如变压器术语所暗示的那样)只适用于交流电。大多数低成本的电流互感器是为窄频率范围设计的，比电阻或霍尔效应更贵，而且不能适用于直流电流。然而，电流互感器避免了插入损耗，提供了电气隔离不需要外部电源，并显示没有零电流电平的偏置电压。
由于本论文的重点是霍尔效应集成电路，理解线性、比值型HEDs的元素对开环电流传感是必不可少的。
线性霍尔效应传感器ic
正如术语所示，线性霍尔传感器集成电路的输出信号与应用的磁场成正比。通常，在任何电流传感应用中，该磁通场由一个“槽”环聚焦以形成足够的磁场强度，该磁场是由导体中流动的电流诱导的。比值线性的“经典”传递曲线如图1所示。注意，在其范围的每个极端，输出都是饱和的。
图1.线性霍尔传感器IC传输曲线
最近的线性霍尔IC提供比率输出电压。静态（即，NULL）电压（名义上）50％的应用，稳定供应。该静止输出电压信号等同于没有应用磁场和，对于电流传感，等于零电流。一个南极性场诱导一个正的电压跃迁(向VCC输出饱和电压(通常)为0.3 V(高/源)和0.2 V(低/下沉)，在±1 mA测量。［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集成了一个灵敏霍尔元件（也称为“板”）、一个低噪声（双极）放大器和接收器/源输出级。通过磁性霍尔元件、放大器、输出和相关信号处理电路的单片集成，将与低电平信号和噪声相关的任何系统问题降至最低。
现有的非常稳定的线性赫德利用动态正交偏置消除电路，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集成电路运行和稳定性的(固有)直流偏置提供了新的解决方案。
采样保持电路和低通滤波器被用来适当地“修复”这些创新线性赫德的内部动态信号。
线性霍尔效应集成电路可以检测磁通强度的微小变化，(通常)在电流传感方面比数字霍尔集成电路更有用。为了达到系统设计目标，线性hed通常是容性耦合到运算放大器，或直流连接到比较器。此外，微控制器(μ c)和微处理器(μ Ps)正在被用来检测线性霍尔集成电路的小信号变化，并且非常适合(通过适当的软件)测量交流或直流电流。
感应磁场
如前所述，霍尔效应电流传感通常需要使用一个开槽环(由铁材料制成)。该环既集中和集中感应磁场的位置霍尔效应元件在IC封装。图2是利用槽形环面进行“非侵入式”电流传感的典型例子。导体电流流过绕在环面上的匝数，感应磁通场集中在环隙(或槽)中的传感器IC上。通常，这个间隙是为了与霍尔集成电路封装厚度(约为。0.060"或1.52毫米)，这提供了最佳的磁力耦合。电流(与这个'紧密'磁力联轴器)感应磁通强度每公式
B(高斯)≈N(匝数)× 6.9高斯/安
［注:6.9高斯/安培是由之前的6高斯/安培更新。］
图2。间隙环面电流传感
加宽槽(间隙)可降低磁通耦合，并可增加上限电流，这是根据霍尔传感器集成电路的灵敏度确定的(后面将详细说明)。然而，对感应场进行解耦以扩展最大电流限制可能会影响线性度、可用范围等。这种“松散”耦合正在评估中，但尚未完成;因此,没有磁通量和导体电流（以及更大的间隙）的新公式已被记录在案。
“校准”比率线性赫德
最新的两个[注：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，为线性比率高分辨率发光二极管和电流传感的研究奠定了基础。A3515图(图3)和相关数据(表2)记录了最敏感线性HED的重要特征;它的对应属性A3516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、比值型霍尔效应器件特性测量数据(A3515) 测量超过±250高斯 |
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|---|---|---|---|---|---|
| 标记 | VCC (伏) |
Vinfoq (伏) |
敏感 (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、比值型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) |
敏感 (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，“校准”线性霍尔效应集成电路虽然很少销售，但在设置和测量系统磁性参数方面是极好的电路，代表了比率计量集成电路的性能、特性和局限性的一个极好的入门。
传感器的灵敏度
A3515和A3516之间的基本区别是磁灵敏度。表2和表3列出了图3和图4中描述的两个特定传感器ic的标称数据。灵敏度的单位是毫伏每高斯(mV/G)。列出了三种电压;然而，大多数设计采用固定的、低成本的5v稳压器ic来保持稳定性。两个线性HEDs的标称灵敏度(和可用范围)如下(VCC= 5 V):
- A3515
- 灵敏度：5.0 mV/G
- 范围：≥±400克(≥±2.0伏）
- 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(从静止(或零)电压斜率的偏差)都不是重要的设计结果，因为A3515的斜率都不超过0.3%。图记录±400g为A3515，±800g为A3516，输出电压波动≥±2.0 V为两种类型。
线性电流范围(年代)
实际电流极限(在“紧密”耦合下的最大值)是根据先前公式中每轮的范围和通量推导出来的。
- A3515:≥±400g ÷6.9 g / a≈±58a
- A3516:≥±800g ÷6.9 g / a≈±116 a
根据前面提到的，电流值超过≈115安培时，要求降低磁耦合，分流更高的电流水平(即，使总电流的一部分通过环面)，或采用其他方法有效地“脱敏”电路。“非侵入式”电流传感有许多正在增长和扩大的应用，特别是在高电流(>100 A雷竞技最新网址)。一个超低值电阻(<1 mΩ)在这些电流消耗相当大的功率和加热，而所需的“无感”电阻增加了成本。我2R损失不能避免;500mΩ和200a的感应电阻产生20瓦。显然，这是设计师想要避免的情况。然而，低成本的选择很少(或根本不存在)。［Ed.注:Allegro™ACS75x电流传感器IC系列可容纳电流达±200a范围。］
线性、比率霍尔效应集成电路
采用动态正交直流偏移抵消的最新线性HEDs如图5所示。霍尔元素是一个“单板”，并由其符号(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)，频率为≈170 kHz。这排除了大多数早期偏移相关的因素(电阻梯度、几何异同、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修复馈送到线性比率霍尔传感器IC输出的信号。
图5.线性霍尔效应传感器，具有动态正交偏移消除
驱动线性霍尔效应集成电路
虽然线性HEDs的功率需求很小，但需要外部电源。来源必须稳定并得到妥善管理;与固定电压IC稳压器(通常5 V)，这个设计问题是简单的(和廉价的)解决。线性传感器ic规定最大供电电流≤10ma, 5v(典型值≈7ma)。简单，板上，从系统供应的“下”监管是简单的低成本IC稳压器。
表4列出了新的线性比率传感器集成电路的绝对最大限值。
| 表4:绝对最大限制 (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Sink电流，I出 | 10马 |
| 磁通密度，B | 无限的 |
| 封装功耗，PD | 600 mW * |
| * 'UA'包装额定值183°C/W。［注:等级为184。］ | |
超出上述规定限制的操作可能会影响设备的运行、性能，或导致折衷(牺牲)电路和/或系统可靠性，因此(绝对)不建议使用。
最大电源电压−最近的线性hed，带有抵消，允许在比上一代(A3506等)更高的供应下运行。这些新的线性集成电路将最大限制提高到表4。
最大输出电压−也列于表4;然而，应该注意的是，输出不能连接到电源以外或IC地以下的电压。这两种情况都可能危及霍尔传感器集成电路的可靠性和/或影响系统的可靠性。
最大输出电流−最新的线性赫德比以前的设备指定更高的电流。然而，典型的应用程序很少涉及大于表雷竞技最新网址4中所列的10ma最大值的一个微不足道的百分比。当今模拟或转换电路的高阻抗输入(通常)是必需的微安不是毫安的霍尔传感器IC输出电流。
最大磁通密度−超出霍尔效应ic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会迫使输出进入饱和状态(和非线性运行)，而不会对HED造成伤害。
包功耗−最大封装功耗限制基于在安全、可靠的结温下运行。以下规定了使用中的两种封装类型的热阻（和最大功率T一个= + 25°C)。
- '你'包：rθ是= 183°C / W (PD=683兆瓦）
［艾德。注意:Rθ是184的评分是正确的。］ - 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。］
推荐的最大结温为150°[注：现在最高可达165°C。]和耗散应该相等零在这个温度下。然而，最新的线性允许罕见（即瞬态）偏移最多200°C（环境温度，T一个≤170°C)。
内部功率(PD)由两个因素组成:(a) HED供电功率(ICC×VCC)和(b) IC输出功率(I出×V出（坐））.正常情况下，电源(a)抑制输出损耗(b)， 5v工作时，典型功耗≤40mw。当≤40mw时，器件结温可比环境温度升高≈8℃J≤T一个+[PD×Rθ是])。
内部动力(通常)不设计人员应了解器件功耗的基本结果及其与传感器IC结温度升高的关系。集成电路(和系统)的可靠性与所有系统部件的温度成反比。较高的环境温度和结温会降低任何系统的预期寿命和可靠性。
特殊线性HED参数
各种各样的，许多线性蜂窝特性对于当前感测的应用中有令人担忧，并且对这些遵循的简要描述。雷竞技最新网址随后，这些特性和参数中的许多将以精度，温度效果，线性，对称性等焦点实施。
电压输出- 如上所述，比例线性霍尔传感器IC提供了与电流引起的施加磁场成比例的输出电压，如图2所示。输出被指定为保证极限下的源±1 mA。每个图2,3和4，可用范围≥±2.0 V，电源为5 V。此前提到的，静态输出电压为1/2，当没有磁场（或电流诱导）时供电。适当的操作是稳定的，稳定的电源，否则输出电压将波动并遵循供应的任何变化。［注:有关最新的性能特性，请参阅快速的选择指南．］
霍尔效应传感器集成电路负载−线性hed对被感知导体无负载。一种“不断开”、“非侵入”的技术是基于在被感知的导体周围形成一个“环”。导线不是通过环面(图6A和6B)，而是在导线周围形成一块软铁片。这允许感应电流而不需要断开电力系统中的任何导体(如图6C所示为“不断开”形成的环面)。
图6 a。环形电流传感应用(< 15a)
图6B.环形电流传感应用（>15 A）
图6c。“无断开”当前的传感应用程序
电流过载容限- 如上所述，超过线性霍尔IC的范围的导体电流迫使输出成非线性，饱和条件。过电流不会损害或损坏传感器IC。然而，如果导体过热并产生危险情况，则极端，持续过流可能是火灾或安全危害。
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传感器件的综述显示，传感器IC的响应时间范围相当广。其中大多数(包括放大器)的范围在≈7 ms至≈15 ms之间，但也有一些在这一范围以下或以上。测试(通常)规定di/dt = 100 A/ms;指定的线性电流范围从相当低的(<5 A)到极端的(>20,000 A)。显然，20ka品种是昂贵的，并没有开发任何低成本的环面技术。
霍尔效应传感器IC带宽− 今天，大多数线性霍尔IC的可用带宽是≥ 20 kHz。信号电压在此频率范围内变化不大。但是，在较低的频率下，明显的相移会变得明显。不同的IC和供应商之间存在一些明显的变化，但超出此频率时，衰减非常陡峭≈ 20 kHz。虽然−所有线性HED的3 dB衰减不一致，20 kHz至25 kHz为有效近似值。
典型的示波器图显示了频率对霍尔传感器IC信号的影响。从DC到500hz(图7)没有明显的相移。上面的信号是HED电压，下面的信号是绕组(线圈)电流。
图7. V.出(上)和我在(较低)500hz
相移在输入频率为10 kHz时变得非常明显(图8)，在20 kHz时非常明显(图9)。三幅图的电压标尺也不相同。其他中频图显示了类似的相移，但由于空间限制而未包括在内。［注：限制是指原始出版物的限制。］
图8。V出(上)和我在(较低)在10千赫
图9.V出(上)和我在(较低)20千赫
此外，需要指出的是，这个带宽限制与线性传感器集成电路有关。在这个工作频率范围内，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，霍尔传感器集成电路无法在正常的、听不清的工作频率(>20 kHz)下利用功率mosfet或igbt检测高功率PWM电路，但线性HED对于直流和“市电”电源是可行的。
对功率应用的线性HED响应−越来越多的系统设计师面临着严格的电力“预算”，并寻求技术来节约电流和电力。电池供电和电池“后备”设计尤其值得关注，任何能够减少电力的方法都要仔细审查。
一种循环技术是(周期性地)通过短时间打开电源来激活传感器IC电路，然后长时间关闭电源。平均功率与占空比有关。因此，对于低占空比的应用，功耗可以大大降低。雷竞技最新网址固定电压IC稳压器(ENABLE输入)是切换HED电源和降低平均功率的一种非常可行的电路技术。
显然，线性霍尔集成电路提供稳定可用信号所需的时间是非常重要的，我们评估了两个不同的线性HEDs，以确定它们的上电响应特性。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运行。这些图包括一个5%的窗口，以比较电压达到其最终值时信号的稳定。
最新的线性hed(具有动态正交偏移抵消)比使用正交霍尔元件的前一代的响应慢。之前的系列(A3506等)在不到1ms的时间内达到最终电压的95%以上(图10)，大约需要15ms(图11)达到最终电压。非常明显的权衡:速度与精度和分辨率的信号电压在上电。
图10。A3506 Power-Up(0.2µs/div.)
图11。A3506 Power-Up(2.0µs/div.)
最新的器件(A3515和A3516)表现出较慢的响应(≈25µs≥95%，≈40µs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，以及节省电量的潜在潜力。
图12。A3515 Power-Up(5.0µs/div.)
线性霍尔传感器设备/环形迟滞−在±6 A下执行的测试，会引起输出电压信号的大幅度摆动，表明涉及迟滞的任何误差都相当小(线性HED (A3516)和间隙环面组合的误差≈1%)。线性霍尔传感器集成电路本身没有迟滞现象。然而，不同的开槽环面(和不同的磁性材料)可能具有不同的迟滞特性。
实际测量的电压差范围为≈16 mV ~≈22 mV， >变化2.1 V。当使用铁氧体铁芯时，滞后是一个次要的问题，但其他的亚铁铁芯(如铁粉)可能表现出不同的特性。
因此，对特定的环面和相关的线性传感器IC进行全面、彻底的评估将是一个非常谨慎(并推荐)的建议。
核心(环形线圈)饱和−正常情况下，核心饱和不是问题。电流传感器应用设计，使用足够的匝数来驱动HED的输出电压几乎达到满量程(在最大设计电流下)第一为了获得最佳的精度，所使用的匝数应该会导致输出电压的变化(刚好)没有达到传感器IC的饱和(更多这方面的内容)。
零交叉−对于线性霍尔效应传感器IC，零交叉对应于零磁场(没有感应磁通场，B = 0, 0 a)。HED输出零磁场电压等于1 / 2电源(即静态输出电压)。
线性铰接的宽带输出噪声−这些线性霍尔集成电路的宽带噪声是无关紧要的，其值与所选择的设备有关。最近稳定的线性霍尔IC系列的测试规范是:
- B = 0
- BW = 10赫兹到10 kHz
- 我出≤1马
典型等效输入噪声电压(Vn)的值为:
- A3506、A3507、A3508:125毫伏
- A3515、A3516: 400mv
鉴于这些铰接的最低灵敏度为2.5 mV / g，加上准确的测量在非常低的磁通强度下不可行（更稍后更新），宽带噪声的后果（通常）是非常轻微的考虑因素。其他因素（特别是静态输出电压漂移的温度）更为显着。
系统的温度−温度范围是一个需要考虑的重要组成部分，必须很好地理解，适当地指定(没有过度的边际)，控制这个非常重要的设计元素将极大地帮助实现合理的精度。注意:开环设计不能（轻松）解决电流的小变化。≈1％的核心滞后排除了这种情况，而不会考虑在线性蜂窝输出参数和它们与性能的关系时温度的其他（更急剧）的影响。
静态输出电压(直流偏置)−本质上，比值型线性霍尔集成电路的直流偏置与其对额定静态输出电压(即1 / 2电源)的偏差有关。缺乏系统校准或个人的“查找”表，这个直流参数非常明显地影响任何使用线性霍尔集成电路的电流传感系统的准确性。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)是非常普通的。
最新比率霍尔效应传感器IC规定直流静态输出电压限制为1/2电源±0.2 V[注:请参阅附录。]．使用最新的线性霍尔集成电路，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它的容限。目前规格表±0.2 V [注:请参阅附录。]从名义上，这转化为±8％的最大误差，没有任何温度诱导的效果（A3515 / 3516）。显然，这种潜在误差因子会产生强大的约束，如果准确的电压是系统性能的先决条件，则必须赋予严重的审议。
静态输出电压的直流补偿是可行的，可以通过调节电源达到2.5 V的标称值，但这也会影响灵敏度，任何相关的偏移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，这种偏移会对灵敏度产生不利影响，并抵消“零”静态电压的积极方面。
由于最新线性电路的灵敏度规格包含了±10%的公差而没有任何温度影响，为了避免±8%的误差而将静态输出电压“零化”(至2.5 V)似乎是相当荒谬的。
较早线性的直流漂移等于“高级”类型的±20高斯，并为“有限”的温度单位达到±50高斯。此外，Peruitic IC的静态输出电压的公差范围比具有偏移消除的最新IC更广泛（或非常更广泛）。
这阻碍了设计一个在宽温度范围内工作的精确线性传感系统的能力。需要紧电流传感公差的设计必须面对和协调与静态输出电压(值和漂移)有关的任何问题，这些问题将在开环线性霍尔传感器集成电路的精度部分进行更详细的讨论。
应用上述漂移关系，可以很好地逼近最大静态输出电压漂移误差。这些计算是基于(标称)线性灵敏度:
- A3515：±10g×5.0 mV /g≈±50 mV
- A3516:±10g × 2.5 mV/G≈±25mv
- A3506:±20g × 2.5 mV/G≈±50mv
- A3507:±35 G × 2.5 mV/G≈±87 mV
- A3508:±50 G × 2.5 mV/G≈±125 mV
从本质上讲，当静态电压漂移是一个重要的标准，而最大灵敏度不是主要考虑的时候，列表将A3516确定为最优线性。在电流传感应用中，这需要两倍的匝数(与雷竞技最新网址A3515相比)来获得相同的电压摆动。
在满量程电压摆幅(≥±2.0 V)上，A3516的最大误差≤±1.3%，但稳定的静态电压漂移<±3g(≈±7.5 mV)。这个误差因素取决于温度;因此，应该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降到最低。因此，操作接近全射程是绝对建议为ΔVinfoq错误百分比较低。
温度对传感器IC灵敏度的影响− 标称灵敏度（和范围）前面提到了两种新线性。但是，未指定电路公差。IC具有不同的标称灵敏度；但是，与温度相关的最大位移是相同的。重复灵敏度和范围，再加上公差，产生以下霍尔效应IC参数和器件温度换档：
- A3515：灵敏度，5.0 mV / g±10％
- ΔSensitivity (ΔT一个= Max， -2.5% (min)， +2.5% (typ)， +7.5% (Max)
- ΔSensitivity (ΔT一个= Min， -9.0% (Min)， -1.3% (typ)， +1.0% (max)
- 磁量程，≥±400g(≥±2.0 V)
- A3516：敏感性，2.5 mV / g±10％
- Δ敏感性(ΔT)在T一个= Max， -2.5% (min)， +2.5% (typ)， +7.5% (Max)
- 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(max)， 85°C或125°C
本质上，开环线性HEDs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集成电路的精度- 在任何经典的神秘处，在这个时刻，'plot'的变厚。因为精确的，严格的测量需求正在增加，因此接下来对达到“精度”和可靠性相关的相互关联元件的简明解释。准确性，可重复性，成本等非常相关。
虽然可以定义参数最大值，但累积影响的准确性是相当模糊的。此外，所有最坏情况下的错误都不可能碰巧发生。越来越多地，成本敏感的设计基于典型的规范，这可能导致一个小的(尽管可以容忍的)失败率，不能(容易)降低。
确定“开环”电流传感的绝对精度超出了这篇论文的范围。然而，回顾基本因素支持分析。
- 滞后，hys，≈±1%
- 输出静态电压，Vinfoq,[±8%注:请参阅附录。］
- A3515或A3516: 2.5 V±0.2 V
- 输出静止电压漂移，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= Max， -2.5%至+7.5%
- T一个= min，-9.0％至+ 1.0％
- 正/负线性，≈99.7%
- 对称,≈99.7%
- 宽带噪声,en400µV
显然，其中一些元素对于获得准确的电流传感是非常关键的，而另一些则相当无关紧要。从根本上说，与滞后、线性、对称和宽带噪声相关的误差变得相当不重要。与静态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是(绝对)必不可少的。
与静态输出电压漂移相关的误差与范围和设备有关。±10g(通常<±5g)位移与10高斯外加磁场50%的潜在误差相关。然而，在场强> 667g时，±10g漂移小于1.5%。因此，静态电压误差因子是“非线性的”，并且(基本上)随着A3516线性HED输出电压的大波动而减小。
静态输出电压容差以百分比列出(≤±8% [注:见附录。])。这是基于名义比率(1 / 2电源= 2.5 V)和≤±0.2 V的指定极限[注:请参阅附录。]。因为大多数线性霍尔传感器IC更接近标称值(≤±0.1 V），±8%公差表示非常“最坏情况”的静态输出电压情况。
灵敏度参数也存在相当大的误差。然而，这些清单等同于最坏情况的分析。此外，还讨论了温度效应与灵敏度之间的关系不(到目前为止)完全指定。在接近灵敏度极限和温度引起的位移的器件之间是否存在一致的相关性并没有规定。与温度相关的影响可能是零， 或者微小的(温度抵消了任何累积偏差)，或累积(温度进一步加重了耐受性)。
基于已公布的参数和极限，开环电流传感设计很难轻易达到≈±10%到±15%以下的结果。然而，在回顾了基于测试数据的近期图(A3515/16)后，提高测量精度(绝对)的前景有所改善。
两幅图(图13和15)描绘了Vinfoq与温度。+25°C数据寄存器A3515最低2.468 V;最大2.512 V;A3516的最小电压为2.464 V，最大电压为2.501 V。这比规定的要紧得多。ic的-3 σ限值为:2.457 V (A3515)和2.462 V (A3516)。+3 σ数据限值为2.520 V (A3515)和2.509 V (A3516)，这些电压转换为在公布的±8%公差范围内[注:请参阅附录。为这些线性的静态输出电压。
A3515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 |
| 闵 | 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 与25°C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 |
| 闵 | -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 |
| 闵 | 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 与25°C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 |
| 闵 | -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的数据和图表infoq相对于温度也记录了比规定的±10%(前面以毫伏列出)更好的性能。图14和16显示了Vinfoq漂移很好地在范围内，并且漂移在任何狭窄的温度带约+25°C是非常小的。显然，温度范围影响输出电压偏移容差。
因为这些图和数据包含的特性属于特定的HED规格，所以绝对建议认真考虑可达到的精度(特别是在温度范围有限的情况下)。基本上，在没有校准和/或补偿方法的情况下，温度的影响是实现个位数(<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−灵敏度图和数据证实，新的线性赫德在公布的范围内，并描绘了另一个(尽管是次要的)精度分辨率的组成部分。尽管没有极端的测试边际，但器件灵敏度及其在温度上的相关变化是保守的。图17到20描述了敏感性数据。
A3515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 |
| 闵 | 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 |
| 敏感 与25°C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 |
| 闵 | -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 |
关于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 |
| 闵 | 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 |
| 敏感 与25°C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 |
| 闵 | -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. Temperature (A3515)
图19所示。灵敏度与温度(A3516)
图20。ΔSensitivity vs. Temperature (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集成电路的总体分布。这种对精度的洞察旨在建议一个基本的必要性，以协调精确电流传感与高分辨率发光二极管的可达到的极限，但它并不意味着任何明确的约束。最终，创新、周到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极限。
校准和补偿− 电流检测设计试图实现低于±10%的开环精度应考虑替代方案。实施“硬件”校准和/或补偿表示昂贵、复杂的选项，并且（对于大多数设计）应被忽略。
尽管使用比较器（或多个比较器）校准或补偿，但是对于实现的温度和静态电压来实现跳闸点是非常可行的，以实现全范围的线性操作是一个强大的任务。比较器可以提供具有有用精度的离散电流信号（过电流，正常操作等），但不能（容易）区分小电流变化。
软件越来越成为扩展HED电流传感精度的解决方案。通常，这涉及微控制器、μ p或计算机和软件校准/补偿方案。
由于线性HEDs的线性度、对称性和比率≈100%，这些误差因素(很大程度上)可以忽略。如果系统需要较宽的工作范围，温度范围是一个确定的因素。然而，一个温和的环境与狭窄的温度跨度减轻了设计的困难。使用软件(和一个µC/µP)来开发一个查询表，需要测量和存储足够的数据点，以实现每个电流传感器IC的可接受(和个人)校准技术。这(通常)包括以下校准/补偿步骤:
- 测量和储存infoq(零电流),
- 测量和储存(特定)电流点，
- 由V计算灵敏度infoq和数据,
- 测量/储存温度漂移(如果需要)。
确定电流水平涉及使用“查找”数据，通过使用存储的V来计算电流值infoq和敏感数据。
- 措施五出计算当前值
- 测量系统温度并补偿其漂移效应(如果系统需要)。
从本质上说，“查找”表对应于已经提到的“校准”线性赫德。这种软件/查表方法可以很容易地达到<±10%的精度，其最终极限(可能≈±1%)可能受到与软件开发相关的因素、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的限制。
显然，数据存储要求参数测量的非易失性存储器，以及一个单独的初始校准程序。查表可以补偿静态电压、灵敏度和温度影响的变化。这些成分对系统精度的潜在误差可以通过软件校准和补偿技术最小化。尽管这可能看起来复杂和昂贵，但其他的解决方案可能比使用低成本的8位µC更复杂和更昂贵。
霍尔效应传感器集成电路的分类−虽然这种方法可以收紧设备输出参数;目前，只有已发布数据表限制的线性可用。有些“增值”分拣是由别人提供的，但这种程序和服务既不常见，也不便宜。尽管如此，一些特定的客户还是选择通过外部测试、分类和选择线性hed来解决令人生畏的设计问题，以满足特定的、更严格的设备限制。显然，预先分类的HED ic的可用性的任何改进对电流传感设计来说都是一个明确的优势，而“分类”HED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，带有明确切割的槽以适合HED包(Eastern Components, Inc.)，因此无法识别典型尺寸。图21显示了一个基本配置中提供了六种不同的电流范围(峰值电流评级感觉是:1,3,5,8,10,100),长度,高度,宽度有所不同,和最大的版本措施0.950“长,1.025”高,和0.500“宽;所有版本都是PCB通孔形式。
图21. HALL IC电流传感组件
电流传感“子系统”的成本−确定基于线性霍尔集成电路的电流传感器的相关成本几乎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和槽环)的成本可以很容易地确定，而图21所示的完整组件的价格从≈$8.00(1000个数量)开始。［注:1997年估值］
开槽铁氧体磁芯(通常)的成本< 1.00美元(即使数量不多)，线性霍尔效应传感器集成电路的成本从< 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。显然，体积越大，单位成本越低，集成电路/环面组合成本很容易降至3.00美元以下。将铁氧体磁芯转换为具有“铸造”间隙的粉末铁环，可以显著降低整体成本。与价格在0.80美元到0.85美元之间的铁氧体不同，粉末铁芯的价格估计在类似数量下约为0.20美元到0.25美元。
然而，其他因素，如工程时间、软件编程、装配劳动力等，根据每个单独的设计要求而变化（相当大）。显然，每个系统的温度、分辨率和精度都是影响系统成本的先决条件。开发和实施具有宽温度范围的高分辨率、非常精确的设计所需的费用与仅检测过大电流的费用大不相同。过电流故障检测应用程序可能允许非常宽的公差（可能±20%），这不保证任何软件“查找”、精确、全温设计要求的严格设备和温度评估。
因此，只能识别基本组件(以及图21的组装)。与软件创建、系统设计工程等相关的成本(很好地)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经典示例。这张图可以用于交流感应电机或其他需要全桥或三半桥驱动(例如，三相PM无刷直流电机)的电力线路的单相可调速度驱动器(ASD)。这种配置可以检测电源轨(上电流传感器)中的过量电流。这可能是由于电源轨对地短路，或与相应的IGBT相结合的短路输出被激活。在同一“支路”的相反部分上或下短路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。“全桥”电流传感器集成电路
另外，与线圈串联的线性传感器IC(中心传感器)提供对短路负载的检测，并监测实际线圈电流。两个位置的电流传感器ic应排除火灾和安全隐患(并保护任何人员);高速“关闭”电路可以防止对电源输出的损坏(如果过流是由于外部故障，如设备维修不当)。显然，总体电路响应速度(关闭时间)对保护系统和提供安全至关重要。
总结和观点
线性霍尔雷竞技最新网址效应传感器集成电路在开环电流传感中的应用不断发展和扩展。目前，现有的设备远远优于任何早期的线性，在设计、加工、封装、测试等方面的进步是不断和无情的。如前所述，目前的hed具有公差和温度漂移，这对那些想要设计、开发和实施系统的人构成了巨大的挑战，这些系统需要在大范围的系统工作温度范围内可靠的、个位数的精度。
预期HED在性能和温度稳定性方面的进一步进展，更多的功能集成，以及其他使线性HED更适用于更高分辨率电流传感的发展。
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)，校准输出静态电压(Vinfoq)，并补偿温度变化的问题。显然，这涉及到电路设计和测试的创新、更复杂的技术。然而，霍尔传感器集成电路的应用机会呈指数级增长。
霍尔效应传感器集成电路自上世纪60年代末集成以来经历了革命性的变化。随着进一步的进步和改进，新型线性高功率二极管的应用有望扩大和倍增，以满足未来电力电子系统的许多新雷竞技最新网址兴需求。
确认
线性霍尔效应电流传感器的符号[编辑。注意：如图22所示。χ标是表示磁动力的标准。是由Allegro MicroSystems公司的雷蒙德·杜威(Raymond Dewey雷竞技竞猜下载)创立的。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符号。
参考文献
课程：P.Emerald，“功率转换和运动系统应用的开环电流传感”，电流传感原理，PCIM电力电子研究所，第六章，97年电力系统世界；马里兰州巴尔的摩；以及本为期一天的专业雷竞技最新网址进修课程各章的各种贡献者。
“运动控制和定位应用的综合霍尔效应传感器”，电力系统世界，1995年，加州长滩。雷竞技最新网址
附录
自本文撰写(1997年12月)并提出以来，A3515和A3516比值式线性霍尔效应传感器ic已经被A132x系列所取代。关于新系列的信息可以在Allegro网站上找到，网址是A1324-5-6．
此外，在最初发表后，对A3515和A3516比率线性霍尔效应传感器集成电路的规格进行了更改。1998年4月，新的、更紧的静态输出电压限值从原来的2.5 V±0.2 V改为2.5 V±0.075 V。除了在静态输出电压限制的升级，有效的线性电流范围可以通过扩大环隙(即槽)来“脱敏”磁耦合。
根据“静态输出电压(直流偏置)”一节，最初的规格将比率输出(名义上)列为2.5 V。检测限为2.3 V (min)， 2.7 V (max)CC= 5v超过设备工作温度范围。这种改进影响了应用比值式线性霍尔效应传感器集成电路的系统的可实现的精度(参见“开环线性霍尔传感器集成电路的精度”一节)。
如前所述，本文给出了如下输出静态电压限制:
Vinfoq..................................2.48 V to 2.52 V(±8%)
升级后的规范显示如下:
Vinfoq..............................电压范围:±3%(±3%)
通过使用这些线性、比率霍尔效应传感器集成电路，收紧的规格大大提高了实现更精确测量的能力。这意味着，对于某些设计来说，个位数的精度是现实的(特别是那些温度波动有限的设计)。
线性电流量程(s) -根据线性电流量程的原始材料(第5页)，带有“紧密”磁耦合(60mil间隙，以匹配传感器包)的量程不变:
A3515：≥±400克÷6.9克/年»±58安
A3516:≥±800 g ÷ 6.9 g / a±116 a
“脱敏”可以通过在环形中扩展（加宽）插槽来容易地实现磁耦合。将磁耦合的第一个致密涉及将槽增加到3mm（≈两件封装主体），并且这降低了通量耦合并提高了上限的下限：
A3516:≥±800 g ÷ 3.85 g / a±210 a
测试表明，传感器IC外壳的放置对磁耦合没有影响。“校准”线性霍尔效应传感器IC外壳居中产生的输出信号与将外壳放置在插槽的任一面产生的输出信号相同。由于许多用户努力获得更高的电流范围，因此进行了另一次评估（在从Eastern Components，Inc.获得新的铁氧体圆环体之后）。
当前范围极限的下一个扩展是在环面间隙为6mm时进行的(例如，超过封装厚度尺寸的4倍)。(非常)“脱敏”磁力联轴器按以下计算增加了最大电流限制:
A3516:≥±800 g ÷ 1.7 g / a±470 a
当有不同尺寸的环面间隙时，需要进行进一步的评估。这应该提供一个更完整的、尽管有重叠的当前范围集合，其上限(目前还不知道)是未知的。此外，其他环面材料(特别是铁粉)也要进行评估。
总结
收紧的静态输出电压公差为比率、线性HED提供了更好的精度，并且加宽环形槽增加了这些设备的最大电流限制。
本文在1998年5月6日俄亥俄州立大学国际电器技术会议上发表。本文经许可转载。
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