非插入式霍尔效应电流感侧技术为电力电子提供了安全、可靠的侦测与保护

非插入式霍尔效应电流感侧技术为电力电子提供了安全、可靠的侦测与保护

作者 Paul Emerald

下载 PDF 版

摘要

最新的功率半导体(IGBT、MCT 等)显示了功率输出限制方面的不断进步,随着功率半导体系统开发的延伸和扩展,感测这些不断升级的电流电平成为越发明显的先决(并行)需求。霍尔效应 IC 提供“非插入式”电流感测技术,能够对高电流电平进行安全、隔离的检测,而且不会耗散大量功率(和合成热),而这是采用电阻式电流感测方法的弊端。此外,霍尔效应电流感测为载流导体提供电气绝缘;因此,能为电路系统、操作员等提供安全的环境。

针对霍尔效应 IC 的电流感测应用持续激增,甚至变得更多样化。在其他设计者殚精竭虑地保护系统时,霍尔效应 IC 应用得到发展和增长,并制造出更可靠“无瑕疵”设备,同时解决任何安全问题。成本效益好的电流感测霍尔效应传感器 IC 的主要应用包括:

  • 电流不平衡
  • 电流监视
  • 操作员/用户安全和保安
  • 过电流检测/系统保护
  • 系统诊断与故障检测
  • 测试与测量

背景与简介

人们在 1879 年发现了霍尔效应;然而,在 1960 年代末期半导体集成的出现之前,人们未对埃德温·霍尔的这一发现进行任何有意义的应用。此后,随着技术的进一步发展(尤其是在 1990 年代),出现了功能更齐全、集成且系列更多的专用型霍尔传感器 IC。磁传感器电子学的不断进步,导致对低成本、可靠的“非接触式”霍尔效应电路系统的需求也在不断增加,并且用于感测/检测移动、方向、位置,以及用于测量/监测电流。

霍尔效应传感器 IC(尤其是比率线性类型)是用于“开环”电流感测设计的极好器件。然而,在可实现工作范围、准确度和精度、频率响应等方面都有所限制。因为许多预期用户不知道而且/或未觉察使用霍尔效应 IC 的电流感测技术的优点或缺点,本文尽力对目前使用硅霍尔效应器件的“非插入式”电流感测的基本技术进行综合讨论。

如果不使用有槽环形线圈集中(并聚焦)感应磁通场,霍尔效应电流感测的大多数应用要求不能形成足够的磁场。低电流至适度电流(<≈ 15 安培) 需要有槽环形线圈(铁芯)缠绕足够的圈数,才能感应可用的磁通强度并形成合适的信号电压。较高电流(>15 至 20 安培)感应的磁场强度使载流导体能够直接穿过环形线圈中心(这些较高的电流不需要缠绕线圈)。

对于需要宽(或连续)电流范围的设计,需要使用线性霍尔效应传感器 IC。但是,可能需要数字式霍尔效应器件对过电流保护和/或故障检测设计进行调节。这篇关于感测交流电流和直流电流所用的霍尔效应器件的论文涵盖了电流感测技术的实例和基本要素的详细情况,以及器件参数、温度稳定性和霍尔效应电流感测的其他相关问题。

竞争技术

尽管现在有许多电流感测方法,但低成本、大批量应用中常见的只有三种。其他是昂贵的实验室系统、新兴技术(例如磁阻技术)或很少使用的技术。常用技术包括:(1) 电阻,(2) 霍尔效应和(3) 电流互感器。

电阻感测使用很广泛,成本低,易于理解。然而,这种技术的缺点是插入损耗(热和耗散功率)以及没有隔离。而且,许多功率电阻器的串联电感约束了低成本部件的频率范围;因此,按照表 1 中的类别,将电阻感测归为直流或交流应用。用于高频率的低电感、高功率电阻更昂贵,但是工作频率可以超过 500 kHz。而且,电阻式电流感测技术(通常)需要信号放大(需要使用比较器或运算放大器)。

表 1:常见的廉价电流感测技术
被广泛使用的传感器 功率消耗
电路隔离 频率范围 尺寸 准确性 相对成本
 插入损耗  外部电源
检测电阻器 + 光放大器 高电压 直流至 10 MHz ±3 至 5%
标准开回路霍尔效应 直流至 50 kHz ±5 至 10%
霍尔效应闭回路 高电压 直流至 1 MHz 中至大 < ±1%
Allegro 开环霍尔效应电流传感器 IC 直流至 120 kHz ±2 至 3%
电流变压器 中 (AC) 60 Hz 至 1 MHz* 中至大 ±3 至 5%
* 电流互感器通常在有限频率范围内运行,但是可设计用于低至高频率。

 

霍尔效应传感器 IC(开环和闭环)代表了另一层级的常见解决方案。插入损耗(和相关加热等)不是障碍。然而,与电阻式感测方法相比,霍尔效应 IC 技术在频率范围、成本、直流偏移和外部电源方面具有潜在劣势。

电流互感器是最后一代低成本技术的终结,但仅能用于交流电(正如术语互感器隐含的意思)。大多数低成本电流互感器针对窄频率范围设计,比电阻式或霍尔效应技术更昂贵,而且不能用于直流电流。然而,电流互感器避免了插入损耗,提供电气绝缘,不需要外部电源,在零位电流时无偏移电压。

因为本文重点探讨霍尔效应 IC,理解比率线性测量霍尔效应器件原理对开环电流感测十分必要

线性霍尔效应传感器 IC

正如此术语所示,线性霍尔效应传感器 IC 产生一个与外加磁场成正比的输出信号。通常,在任何电流感测应用中,该磁场由一个“有槽”环形线圈聚焦,以便形成足够的磁场强度,并且该磁场由导体中的电流感应产生。“经典”比率线性测量转移曲线如图 1 所示。请注意,在每个范围的极限点,输出达到饱和。

图 1

图 1。线性霍尔效应传感器 IC 转移曲线

最新的线性霍尔效应 IC 提供比率测量输出电压。静态(即零位)电压是外加稳态标称电压的 50%。此静态输出电压信号相当于外加磁场,对于电流感测,相当于 零位电流。南极磁场引起正电压转换(朝向 VCC),北极磁场导致朝向接地 (0 V) 转换。输出饱和电压(典型值)为 0.3 V (高/拉)和 0.2 V (低/灌),并且在 ±1 mA 时测量。[编者注,输出电压目前在毫伏范围内。]

每个线性霍尔效应 IC 集成了一个敏感霍尔元件(也称为“板”)、一个低噪音(双极)放大器,以及灌/拉输出级。磁性霍尔效应元件、放大器、输出和联合信号处理电路的单片 IC 将低阶信号和噪音相关的任何系统问题降到最低程度。

现有很稳定的线性霍尔效应器件利用动态正交偏移消除电路和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° 切换至 90°,为长时间影响线性传感器 IC 运行和稳定性的(固有)直流偏移提供了新的解决方案。

利用取样保持电路和低通滤波器对这些创新的线性霍尔效应器件的内部动态信号进行适当还原。

线性霍尔效应 IC 可以探测通量强度的小变化,在电流感测方面,(通常)比数字式霍尔效应 IC 更有用。线性霍尔效应器件经常电容耦合至运算放大器,或直流连接至比较器,以便达到系统设计目标。另外,微控制器 (µC) 和微处理器 (µP) 用于探测线性霍尔效应 IC 的微弱信号变化,并且非常适合(与适当的软件一起)感测/测量交流或直流电流。

感应磁场

如前所述,霍尔效应电流感测通常需要使用有槽环形线圈(用铁质材料制造)。环形线圈在 IC 封装中将感应磁场向霍尔效应元件的位置集中并聚焦。图 2 是使用有槽环形线圈的“非插入式”电流感测的典型实例。导体电流流过缠绕在环形线圈上的线匝,感应磁通场集中在环形线圈缺口(或槽)中的传感器 IC 上。通常,此间隙与霍尔集成电路封装厚度(约 0.060" 或 1.52mm)非常匹配,以提供最优磁耦合。电流(在“紧密”磁耦合时)按照下述公式感应通量强度:

B (高斯) ≈  N (匝数)  ×  6.9 高斯/安培

[编者注:从之前的 6  高斯/安培更新为 6.9 高斯/安培。]

图 2 开环电流传感器

图 2。使用带缺口环形线圈的电流感测

加宽槽(缺口)会减少磁通耦合并增加电流上限,这是根据霍尔传感器 IC 灵敏度进行的预测(后面会介绍更多细节)。然而,将感应磁场去耦以扩展最大电流限制时,可能影响线性、可用范围等。此“松散”耦合正处于评估阶段,尚未完成;因此,没有记录在较大缺口条件下,针对磁通量和导体电流的新公式。

“校准的”比率测量线性霍尔效应器件

两种最新的 [编者注:1997 年发表的文章] 线性霍尔传感器(带动态直流偏移消除)为论述线性比率测量霍尔效应器件和电流感测奠定了基础。A3515 绘图(图 3)和相关数据(表 2)记录了大多数灵敏线性霍尔效应器件的重要特性;对应的 A3516 特性见图 4 和表 3。

图 3

图 3。线性比率测量霍尔效应器件特性(A3515 输出)

 

表 2:线性比率测量霍尔效应器件特性测量数据 (A3515),
在超过 ±250 高斯时测量
标记 VCC
(伏)
VOQ
(伏)
灵敏度
(mV/G)
非线性度
(%)
对称度
(%)
圆形 4.500 2.217 4.450 ≤0.1 99.9
正方形 5.000 2.463 5.014 ≤0.2 99.9
三角形 5.500 2.710 5.704 ≤0.1 99.7

 

图 4
图 4.线性比率测量霍尔效应器件特性(A3516 输出) 
表 3:线性比率测量霍尔效应器件特性测量数据 (A3516),
在超过 ±500 高斯时测量
标记 VCC
(伏)
VOQ
(伏)
灵敏度
(mV/G)
非线性度
(%)
对称度
(%)
圆形 4.500 2.232 2.149 ≤0.1 99.9
正方形 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“校准的”线性霍尔效应 IC 很少销售,但仍然是建立和测量系统磁性参数的极好电路,并且是改善比率测量 IC 性能、特性和局限性的非凡切入点。

传感器灵敏度

A3515 和 A3516 之间的主要差别是磁灵敏度。表 2 和表 3 列出了图 3 和图 4 中描绘的两个特定传感器 IC 的标称数据。灵敏度以每高斯的毫伏数(mV/G)表示。表中列出了三个电压;然而,大多数设计采用固定的低成本 5 V 稳压芯片来保证稳定性。两个线性霍尔效应器件的额定灵敏度(和可用范围)如下 (VCC = 5 V):

  • A3515
    • 灵敏度:5.0 mV/G
    • 范围:≥±400 G (≥±2.0 V)
  • A3516
    • 灵敏度:2.5 mV/G
    • 范围:≥±800 G (≥±2.0 V)

线性度和对称度

从这些绘图(图 3 和图 4)上可以明显看出:线性度和对称度(静态(或零位)电压的斜率偏差)都不是至关重要的设计结果,因为对于 A3515,二者都不超过 0.3%。这些绘图记录 ±400 G(A3515),以及±800 G(A3516),对于这两类器件,输出电压摆幅为 ≥±2.0 V。

线性电流范围

按照近似法,使用此范围和前面公式中的每匝通量推导出实际电流极限值(“紧密”磁耦合最大值):

  • A3515:≥±400 G ÷6.9 G/A ≈  ±58 A
  • A3516:≥±800 G ÷6.9 G/A ≈  ±116 A

按照之前的描述,电流值超过 ≈ 115 安培时,需要降低磁耦合,分流较高的电流(也就是将总量的一部分穿过环形线圈),或者需要采取将电路有效“脱敏”的其他方法。对于“非插入式”电流感测,目前有许多不断成长壮大的应用,尤其对于高强度电流 (>100 A)。在这些电流值条件下,超低值的电阻 (<1 mΩ) 消散相当大的功率和热,而且所需的“无感”电阻增加成本。I2R 损耗 不可 避免;500 mΩ 和 200 A 的检测电阻产生 20 瓦的损耗。显然,设计者想要避免发生这种情况。然而,低成本的选择几乎没有(或者不存在)。[编者注:Allegro™ ACS75x 电流传感器 IC 系列现已推出,适用电流范围达 ±200 A。]

线性比率测量霍尔效应 IC

图 5 显示了包含动态正交直流偏移消除的最新线性霍尔效应器件。霍尔元件是一块“单板”,用符号 (Χ) 标识。在 ≈ 170 kHz 频率,将传感器 IC 的电流从 0° 方向(向下)向 90° 的路径切换(穿过霍尔板)。这就排除了大多数与初期偏移相关的因素(电阻梯度导致的直流不平衡、几何差异、压阻效应等)。利用低通滤波器和取样保持电路还原馈送至线性比率测量霍尔传感器 IC 输出的信号。

图 5

图 5。带有动态正交偏移消除的线性霍尔效应传感器

为线性霍尔效应 IC 供电

尽管线性霍尔效应器件的电源要求小,但是也需要外部电源。电源必须稳定,稳压良好;并且带有固定电压 IC 稳压器(通常为 5 V),此设计问题容易解决(而且花费不多)。线性传感器 IC 规定的最大供电电流为 ≤10 mA,电压 5 V (典型值 ≈ 7 mA)。低成本稳压芯片易于从系统电源进行板上“向下”调节。

表 4 列出了新式线性比率测量传感器 IC 的绝对最大绝对值。

表 4:最大绝对值
(TA= 25°)
特性 额定功率
电源电压, VCC 8.0 V
输出电压, VOUT 8.0 V
输出灌电流, IOUT 10 mA
磁通密度,B 无限制的
封装功耗,PD 600 mW*
* 'UA' 封装额定值 183°C/W。[编者注:额定值为 184。]

 

超过上述规定极限的操作可能影响器件的运行和性能,或者危害(牺牲)电路和/或系统可靠性,因而(绝对)不建议进行这样的操作。

最大电源电压 − 带偏移消除的最新线性霍尔效应器件可以按高于上一代的(A3506 等)电源电压运行。这些新的线性 IC 提高了最大限度,见表 4。

最大输出电压 − 详见表 4;然而,需要注意的是,输出连接的电压不可以高于电源电压或低于 IC 接地电压。这可能危害霍尔传感器 IC 可靠性并/或影响系统可靠性。

最大输出电流 − 最新的线性霍尔效应器件规定的电流比先前器件的电流高。然而,典型应用很少涉及超过表 4 中所列最大值 10 mA 的情况,即使超出的百分比微不足道。对于当今的模拟或转换电路,其高阻抗输入(通常)需要微安而非毫安级的霍尔传感器 IC 输出电流。

最大磁通密度 − 超过这些霍尔效应 IC 线性范围的磁场既不会损害也不会毁坏器件。然而,超过可用范围的磁场会迫使输出进入饱和状态(和非线性运行),而不会损害霍尔效应器件。

封装功耗−最大封装功耗极限基于安全、可靠接点温度时的运行情况。下面按照热阻(和 TA = +25°C 时的最大功率)对使用中的两种封装类型进行了规定。

  • “U”封装:RθJA = 183°C/W (P D = 683 mW)
    [编者注:RθJA 额定功率 184 是正确的。]
  • “UA”封装:RθJA = 206°C/W (P D = 606 mW)
    [编者注:RθJA 额定功率 165 是正确的。]

建议最大接点温度为 150° [编者注:现在高达 165°C。] 此温度时的损耗等于。然而,最新的线性器件允许高达 200°C 的非经常性(即:瞬时)偏移(环境温度 TA ≤ 170°C)。

内部功率 (PD) 包含两个因素:(a) 霍尔效应器件电源 (ICC × VCC) 和 (b) IC 输出功率 (IOUT × VOUT(SAT))。通常,电源 (a) 抑制输出损耗 (b),并且对于 5 V 的运行情况,功率损耗通常为 ≤40 mW。功率损耗 ≤40 mW 时,器件的接点温度可能比环境温度 (TJ ≤ TA + [PD × RθJA]) 升高 ≈ 8°C。

内部功率(通常)不是霍尔效应器件的限制因素,但设计者应当理解器件功率损耗的基本结果及其与评价传感器 IC 接点温度的关系。IC(和系统)的可靠性与所有系统部件的温度具有反向相关性。周围温度和接点温度越高,任何系统的预期寿命和可靠性越低。

特殊的线性霍尔效应器件参数

电流感测应用需要关注许多不同的线性霍尔效应器件特性,后面会简要描述这些参数。随后,将重点从准确度、温度效应、线性度、对称度等方面对许多特性和参数进行具体表述。

电压输出 − 如前所述,比率测量线性霍尔传感器 IC 提供与电流感应的外加磁场成正比的输出电压,如图 2 所示。在保证极限值时,输出规定为灌电流和拉电流 ±1 mA。根据图 2、3 和 4,可用范围为 ≥±2.0 V,电源 5 V。如前所述,没有磁场(或感应电流)时,静态输出电压为 1 ⁄ 2 电源电压。稳定且稳压良好的电源对于正常运行至关重要,否则,输出电压会随着供电的任何变化而波动。[编者注:最新的性能特性见 Allegro 选型指南]

带霍尔效应传感器 IC 的电路负载 − 线性霍尔效应器件对被感测导体不产生负载。“无断开”、“非插入”技术的基础是,被感测导体周围形成一个“环形线圈”。在导线周围形成一个软铁圈,而不是将导线穿过环形线圈(图 6A 和 6B)。这样就可以在不需要断开电力系统中任何导体的情况下,进行电流感测(“无断开”环形线圈如图 6C 所示)。

图 6A

图 6A.环形电流感测应用 (<15 A)

图 6B

图 6B.环形电流感测应用 (>15 A)

图 6C

图 6C.“无断开”电流感测应用

电流过载公差 − 如前所述,超过线性霍尔效应 IC 范围的导体电流迫使输出进入非线性饱和状态。过大的电流不会损害或毁坏传感器 IC。然而,如果导体过热,持续的极端过载电流会导致起火或安全危害,并造成险情。

霍尔效应电流传感器的响应时间 − 检查使用霍尔效应技术和环形线圈的一些电流感测器件,可以了解更广范围的传感器 IC 响应时间。这些响应时间(包含放大器)大多在 ≈ 7 ms 至 ≈ 15 ms 范围,其他的低于或高于这些限值。试验(通常)指定 di/dt = 100 A/ms;规定的线性电流范围从相当低 (<5 A) 至极限值 (>20,000 A)。显然,20 kA 这一类器件价格昂贵,而且不使用任何低成本环形线圈技术。

霍尔效应传感器 IC 带宽 − 现今大多数线性霍尔效应 IC 的可用带宽为 ≥ 20 kHz。在这一频率之上,信号电压变化很小。然而,频率稍低时,显而易见的相移变得明显。不同 IC 和供应商之间有一些明显变化,但是超过 ≈ 20 kHz 时的衰减很陡。尽管所有线性霍尔效应器件的 −3 dB 衰减截止频率不一致,但 20 kHz 至 25 kHz 是有效的近似值。

具有代表性的示波器绘图显示了霍尔传感器 IC 信号上的频率效应。从直流至 500 Hz(图 7),没有出现可识别的相移。顶部信号为霍尔效应器件电压,下部轨迹为绕组(线圈)电流。

图 7

图 7。500 Hz 时的 VOUT (上部)对 IIN (下部)

输入速率为 10 kHz 时,相移变得相当明显(图 8),在 20 kHz 时很明显(图 9)。注:在有缺口的环形线圈上用 20 匝进行试验;三个绘图的电压比例不相同。其他中频绘图显示相似相移,但是因空间限制而未包括。[编者注:限制指的是出版原图狭窄。]

图 8

图 8。10 kHz 时的 VOUT (上部)对 IIN (下部)

图 9

图 9。20 kHz 时的 VOUT (上部)对 IIN (下部)

而且,需要注意的是,这一带宽限制与线性传感器 IC 相关。在此工作频率范围内,磁学(和感应耦合)绝对不是带宽限制因素。

显然,由于这些带宽限制,霍尔传感器 IC 不能在正常的、听不见的工作频率 (>20 kHz) 下感测使用功率 OSFET 或 IGBT 的大功率 PWM 电路,但线性霍尔效应器件对直流和主电源是可行的。

线性霍尔效应器件对功率应用的响应 − 系统设计者面临越来越苛刻的功率“预算”,并且寻求保存电流和功率的技术。电池供电设计和电池“备用”设计是特别关注的方面,因而需要详细检查能够缩减功率的任何方法。

有一种循环技术以短暂间隔接通电源,然后以较长周期关闭电源,从而可以(定期)激活传感器 IC。平均功率与工作周期有关。因此,对于低工作周期的应用,消耗的功率可大幅减少。固定电压 IC 稳压器(带有“启用”输入)是切换霍尔效应器件电源和降低平均功率的非常可行的电路技术。

显然,线性霍尔效应 IC 提供稳定可用信号所需的时间是非常重要的,因此对两个不同的线性霍尔效应器件进行评价,以确定它们的加电响应特性。这两个器件显示不同属性,示波器图形描绘了将功率施加到线性器件上时器件的动态工作情况。这些绘图包含 5% 的窗口,用于比较电压达到最终数值时的信号设置。

与使用正交霍尔效应元件的上一代器件相比,最新的线性霍尔效应器件(带有动态正交偏移消除)响应慢。早先的系列(A3506 等)在不到 1 ms 内下降至最终电压的 95%(见图 10),需要约 15 ms (见图 11)达到最终值。显而易见的权衡选择:速度相对于加电时信号电压的准确度和分辨率

图 10

图 10。A3506 功率提高 (0.2 µs/div.) 

图 11

图 11。A3506 功率提高 (2.0 µs/div.)

最新的器件(A3515 和 A3516)显示响应更慢(≈ 25 µs 至 ≥95%,对于最终的稳定电压电平,为 ≈ 40 µs)。这些绘图揭示了性能相对于响应速度和功率节省潜力的基本权衡。

图 12

图 12。A3515 加电(5.0 µs/div.)

线性霍尔传感器器件/环形线圈磁滞 − 试验在 ±6 A 条件下进行,感应产生明显的输出电压信号摆动,这说明涉及磁滞的任何误差相当少(≈ 对于线性霍尔效应器件 (A3516) 和有缺口的环形线圈组合,误差为 1%)。线性霍尔传感器 IC 不显示磁滞,这是其固有属性。然而,不同的有槽环形线圈(和不同的磁性材料)可能具有不同磁滞性能。

实际测量的电压差动范围为 ≈ 16 mV 至 ≈ 22 mV,变化 >2.1 V。使用铁氧体磁芯时,磁滞是个小问题,但是其他铁芯(例如铁粉)可能显示不同特性。

因此,对具体的环形线圈和相关线性传感器 IC 进行全面、彻底评价是非常明智的建议,并且推荐进行。

铁芯(环形线圈)饱和 − 铁芯饱和通常不是问题。对于使用足够匝数将霍尔效应器件输出电压驱至将近满量程(最大设计电流)的电流传感器应用设计,首先将传感器 IC 感应成饱和状态。为了获得最佳准确度,使用的匝数应将输出电压过渡感应至(正好)不使传感器 IC 饱和(稍后详述)。

零交越 −  对于线性霍尔效应传感器 IC,零交越相当于零磁场( B = 0 且 0 A 时,没有感应磁通场)。零磁场时,霍尔效应器件输出电压等于 1 ⁄ 2 电源电压(即静态输出电压)。

线性霍尔效应器件的宽带输出噪声 − 这些线性霍尔效应 IC 的宽带噪声无关紧要,其数值与所选器件有关。对于最新的稳定线性霍尔效应 IC 系列,试验用的技术参数为:

  • B = 0
  • BW = 10 Hz 至 10 kHz
  • I OUT ≤1 mA

对于两个系列的线性器件,典型的等效输入噪声电压 (Vn) 数值为:

  • A3506、A3507、A3508:125 mV
  • A3515、A3516:400 mV

假定这些霍尔效应器件的最低灵敏度为 2.5 mV/G,而且磁通强度很低时不可能进行准确测量(稍后详述),那么,宽带噪声的后果(通常)是非常小的问题。其他因素(尤其是随着温度发生的静态输出电压漂移)更重要。

系统温度 − 这是需要考虑的关键因素,必须很好地理解并正确规定温度范围(没有很大的裕度)。控制此重要设计要素对实现合理准确度大有裨益。注:开环设计不能轻易解决小的电流变化。≈ 1% 的铁芯磁滞可以排除此小电流变化,并且不需要考虑对线性霍尔效应器件输出参数及其与性能的关系所造成的其他(和更严重)温度效应。

静态输出电压(直流偏移) − 实质上,比率测量线性霍尔 IC 的直流偏移与其从额定静态输出电压(即 1 ⁄ 2 电源电压)的偏移有关。由于缺乏系统校准或单独“查找”表,此直流参数确实会影响使用线性霍尔 IC 的所有电流感测系统的准确度。查看图 3 和 4,以及表 2 和 3,直流偏移( V OQ 或静态输出电压)的重要性不大。

最新的比率测量霍尔效应传感器 IC 规定直流静态输出电压极限为 1 ⁄ 2 电源电压 ±0.2 V [编者注:见附录。]。使用线性霍尔效应 IC 时,在霍尔效应器件运行温度范围内的静态输出电压漂移相当于 ±10 高斯。

静态电压的一个重要方面是其公差极限。当前规范给出的是 ±0.2 V [编者注:见附录。] 从标称值来看,这会转化为 ±8% 的最大误差,而且没有任何温度造成的效应 (A3515/3516)。显然,此潜在误差因素是难以克服的约束条件,如果准确的电压是系统性能的先决条件,则必须认真考虑这一因素。

调节供电电压至 2.5 V 标称电压,可以采用这种方式对静态输出电压进行直流补偿,但是这样会影响灵敏度,而且生产中不容许出现任何相关偏移。根据图 3 和 4,升高供电电压会补偿低静态输出电压,降低供电电压会补偿高静态电压。然而,这样的补偿对灵敏度产生负面影响,会抵消将静态电压“归零”的积极方面。

因为最新的线性器件的灵敏度规范包含 ±10% 公差,并且没有任何温度效应,因此“归零”静态输出电压(至 2.5 V)以避免静态输出电压的 ±8% 误差似乎相当荒谬。

对于“优质”型初期线性器件,直流漂移等于 ±20 高斯,对于“有限”温度元件,漂移范围至 ±50 高斯。而且,先前 IC 的静态输出电压的公差范围比带偏移消除的最新 IC 更宽。

这会妨碍设计在广泛温度范围运行的准确、精密线性感测系统的能力。设计所需的电流感测紧密公差一定会遇到并要协调任何与静态输出电压(数值和漂移)相关的问题,这些问题在章节“开环线性霍尔传感器 IC 的准确度”中详细讨论。

采用上面提到的漂移关系,最大静态输出电压漂移偏差可以非常近似。这些计算基于(标称)线性灵敏度:

  • A3515:±10 G × 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:±35 G × 2.5 mV/G ≈ ±87 mV
  • A3508:±50 G × 2.5 mV/G ≈ ±125 mV

实质上,如果静态电压漂移是重要标准,而最大灵敏度不是首要考虑因素,此列表将 A3516 确立为首选线性器件。在电流感测应用中,需要双倍匝数(相对于 A3515)来获得相同的电压摆幅。

对于满量程电压摆幅 (≥±2.0 V),A3516 的最大误差是 ≤±1.3%,但是,静态电压漂移始终是 <±3 G(对于 A3516,为≈ ±7.5 mV)。该误差因素取决于温度;因此,应采用足够匝数将输出驱至接近满量程。这样会将温度相关静态输出电压漂移的整体效应减少到最低程度。因此,由于 ΔVOQ 错误百分比较低,强烈建议接近全范围运行。

对传感器 IC 灵敏度的温度影响 − 前面已经描述了两类新线性器件的标称灵敏度(和范围)。然而,没有规定电路公差。IC 有不同的标称灵敏度;然而,温度相关最大漂移是相同的。在此重述灵敏度和范围,并增加公差,从而得出下述霍尔效应 IC 参数和器件温度漂移:

  • A3515:灵敏度,5.0 mV/G ±10%
    • Δ灵敏度 (ΔT),TA= Max, -2.5% (min), +2.5% (typ), +7.5% (max)
    • Δ灵敏度 (ΔT),TA= Min, -9.0% (min), -1.3% (typ), +1.0% (max)
    • 磁场范围,≥±400 G (≥±2.0 V)
  • A3516:灵敏度,2.5 mV/G ±10%
    • Δ灵敏度(ΔT),TA= Max,-2.5% (min), +2.5% (typ), +7.5% (max)
    • Δ灵敏度(ΔT),TA= Min,-9.0% (min), -1.3% (typ), +1.0% (max)
    • 磁场范围,≥±800 G (≥±2.0 V)
  • 温度范围:
    • TA(min),-40°C
    • TA(max),85°C 或 125°C

实质上,开环线性霍尔效应器件可获得的准确度与直流偏移和灵敏度有关。

开环线性霍尔传感器 IC 的准确度 − 在任何古典推理中,涉及该节点的推断都很复杂。由于精密、严格测量要求日益增加,接下来将简明解释与获得“准确度”和可靠性相关的要素。准确度、重复性、成本等因素相互关联。

尽管可以定义参数最大值,但对准确度的累积影响却是非常模糊。而且,所有最坏情况下的误差不可能同时发生。对成本敏感的设计越来越基于典型器件规格,这可能导致不能轻易降低的小故障率(尽管在允许范围内)。

准确描述“开环”电流感测的绝对准确度不在本文范围内。然而,对要素进行回顾可以为分析提供支撑。

  • 磁滞 (hys),≈ ±1%
  • 输出静态电压, VOQ,±8% [编者注:见附录。]
    • A3515 或 A3516:2.5 V ±0.2 V
  • 输出静态电压漂移,ΔVOQ,±10 G
    • A3515:≤± 50 mV
    • A3516:≤± 25 mV
  • TA = Max 时的灵敏度,±10%
    • A3515:5.0 mV/G
    • A3516:2.5 mV/G
  • Δ以下情况时的灵敏度:
    • TA = Max,-2.5% 至 +7.5%
    • TA = Min,-9.0% 至 +1.0%
  • 正/负线性度,≈ 99.7%
  • 对称度,≈ 99.7%
  • 宽带噪声,en,400 µV

显然,这些要素中的一部分对获得准确的电流感测至关重要,而另一些无关紧要。从根本上说,与磁滞、线性度、对称度和宽带噪声相关的误差重要性不大。与静态电压和灵敏度有关的因素绝对对进行任何准确、精密电流感测设计至关重要。

与静态输出电压漂移有关的误差取决于范围和器件。±10 G(通常为 <±5 G)漂移与 10 高斯外加磁场时的 50% 潜在误差相关。然而,±10 G 漂移在磁场强度 >667 G 时表示少于 1.5% 的误差。因此,静态电压误差因素是“非线性”的,A3516 线性霍尔效应器件的输出电压摆幅大时,误差大幅度减少。

静态输出电压公差列为百分数(≤±8% [编者注:见附录。])。这是根据标称比率测量(1 ⁄ 2 电源电压 = 2.5 V)和规定限值 ≤±0.2 V 预测的 [编者注:见附录。]。由于大多数线性霍尔传感器 IC 更接近标称值 (≤±0.1 V),因此 ±8% 公差代表一种“最坏情况下”的静态输出电压情形。

灵敏度参数也会造成相当大的潜在误差。然而,这些列出内容相当于最坏情况分析。此外,灵敏度和温度效应之间的关系尚未完全确定。器件的灵敏度和温度导致的漂移接近任何一个极限时,器件之间是否存在一致的相关性尚未确定。温度相关的效应可能为,或者极小(温度消除任何累积偏差),或者累积(温度进一步加剧公差)。

根据已经发布的参数和限制,开环电流感测设计的预期结果不容易低于 ≈ ±10% 至 ±15%。然而,在根据试验数据 (A3515/16) 回顾最新的绘图时,提高测量准确度的预期(绝对)有所提高。

两个绘图(图 13 和 15)描绘了 VOQ 相对于温度的情况。+25°C 的数据记录 A3515 的最小值为 2.468 V;最大值为 2.512 V;A3516 的范围为最小值 2.464 V 至最大值 2.501 V。这个范围比规定范围严格得多。IC 的 -3 西格玛极限为:2.457 V (A3515) 和 2.462 V (A3516)。+3  西格玛极限为 2.520 V (A3515) 和 2.509 V (A3516),在这些线性器件静态输出电压的发布公差 ±8% 范围内,这些电压值可以很好地转换 [编者注:见附录。]。

A3515 的数据提供如下:

VOQ (单位:伏特)
, VCC = 5 V
环境温度  −40°C  25°C  85°C  150°C
-3 σ 2.448 2.457 2.463 2.472
最小值 2.461 2.468 2.473 2.481
平均值 2.487 2.489 2.493 2.501
最大值 2.517 2.512 2.520 2.530
+3 σ 2.525 2.520 2.523 2.531
VOQ(单位:伏)
,作为 25°C 时的数值漂移百分比
环境温度  −40°C  25°C  85°C  150°C
-3 σ -4.04 0.00 -1.15 -1.54
最小值 -2.90 0.00 -0.60 -0.60
平均值 -0.59 0.00 0.74 2.38
最大值 2.60 0.00 2.40 5.50
+3 σ 2.86 0.00 2.63 6.31

A3516 的数据提供如下:

VOQ (单位:伏特)
, VCC = 5 V
环境温度  −40°C  25°C  85°C  150°C
-3 σ 2.454 2.462 2.462 2.466
最小值 2.458 2.464 2.467 2.472
平均值 2.484 2.485 2.483 2.485
最大值 2.503 2.501 2.498 2.499
+3 σ 2.514 2.509 2.504 2.504

 

VOQ(单位:伏)
,作为 25°C 时的数值漂移百分比
环境温度  −40°C  25°C  85°C  150°C
-3 σ -3.97 0.00 -3.36 -5.13
最小值 -3.60 0.00 -1.60 -2.90
平均值 0.12 0.00 -0.14 0.56
最大值 3.20 0.00 3.08 5.70
+3 σ 4.22 0.00 3.60 6.25

 

ΔVOQ 相对于温度的数据和绘图记录显示比规定限值 ±10% (之前以毫伏为单位列出)具有更好的性能。图 14 和 16 显示 VOQ 漂移在范围内,并且在大约 +25°C 的任何温度窄带范围内,漂移非常小。显然,温度范围影响输出电压漂移公差。

因为这些绘图和数据需要特性在霍尔效应器件技术参数范围内,因此强烈建议认真考虑可以达到的准确度(尤其是温度范围有限时)。从根本上说,要想在不采用校准和/或补充方法的情况下获得个位数 (<10%) 的精确度,温度效应是首要考虑因素。

 

 

图 13

图 13。VOQ 相对于温度 (A3515)

图 14

图 14。ΔVOQ 相对于温度 (A3515)

图 15

图 15。VOQ 相对于温度 (A3516)

图 16

图 16。ΔVOQ 相对于温度 (A3516)

灵敏度对准确度的影响 − 灵敏度的绘图和数据证实新的线性霍尔效应器件位于发布的限制范围内,并描绘了解决准确度问题的另一个因素(尽管是次要因素)。器件灵敏度及其随温度的相关变化比较保守,尽管没有极端的试验裕度。图 17 至 20 描绘了灵敏度数据。

A3515 的数据提供如下:

灵敏度 (单位:mV/G)
环境温度  −40°C  25°C  85°C  150°C
-3 σ 4.408 4.683 4.795 4.842
最小值 4.454 4.793 4.930 4.927
平均值 4.761 4.988 5.109 5.121
最大值 5.181 5.316 5.392 5.359
+3 σ 5.113 5.293 5.423 5.400


灵敏度
是 25°C 时的数值漂移百分比
环境温度  −40°C  25°C  85°C  150°C
-3 σ -7.6 0.0 -0.1 -0.7
最小值 -7.1 0.0 -0.9 -1.0
平均值 -4.7 0.0 2.3 2.5
最大值 -2.5 0.0 3.7 4.4
+3 σ -1.9 0.0 4.6 5.8

A3516 的数据显示类似属性:

灵敏度 (单位:mV/G)
环境温度  −40°C  25°C  85°C  150°C
-3 σ 2.174 2.313 2.393 2.410
最小值 2.263 2.401 2.465 2.476
平均值 2.340 2.457 2.530 2.528
最大值 2.586 2.700 2.758 2.728
+3 σ 2.506 2.600 2.667 2.646


灵敏度
是 25°C 时的数值漂移百分比
环境温度  −40°C  25°C  85°C  150°C
-3 σ -7.1 0.0 1.1 -0.1
最小值 -6.8 0.0 2.0 0.9
平均值 -5.0 0.0 2.7 2.6
最大值 -4.0 0.0 3.7 4.3
+3 σ -2.9 0.0 4.2 5.3

 

图 17

图 17。灵敏度相对于温度 (A3515)

图 18

图 18。Δ灵敏度相对于温度 (A3515)

图 19

图 19。灵敏度相对于温度 (A3516)

图 20

图 20。Δ灵敏度相对于温度 (A3516)

显然,数据和绘图都没反映比率测量线性霍尔传感器 IC 的总体分布。对准确度的深入了解是为了说明基本必要条件,从而协调霍尔效应器件进行精确电流感测可达到的极限,但是这并暗示任何明确的约束条件。最终,应用创新、考虑周到的电路设计技术决定开环霍尔效应电流感测的核心限制条件。

校准和补偿 − 通过电流感测设计努力使开环准确度低于 ±10% 时,应考虑替代选择。进行“硬件”校准和/或补偿是昂贵、复杂的选择,因此对于大多数设计而言,应予以忽略。

虽然使用一个比较器(或多个比较器)校准或补偿来建立跳变点是可行的,但对于温度和静态电压而言,实现全范围线性运行依然是艰巨的任务。比较器可以提供离散电流信号(过电流、正常运行等),并且具有实用的准确度,但是它不能(轻易)区分小的电流变化。

软件越来越成为扩大霍尔效应器件电流感测准确度的解决方案。通常,软件方案涉及微控制器、µPs 或计算机,以及软件校准/补偿方案。

因为线性霍尔效应器件的线性度、对称度和比率测定为 ≈ 100%,所以这些误差因素(在很大程度上)可以忽视。如果系统需要较宽的运行范围,则温度范围是确定因素。然而,温度范围窄的良性环境可以减轻设计困难。使用软件(和 µC/µP)开发查找表时,需要测量和储存数据点,用于为每一个电流传感器 IC 提供可接受的(并且是单独的)校准技术。这(通常)涉及下述校准/补偿步骤:

  • 测量和储存 VOQ(零电流),
  • 测量和储存(具体)电流点,
  • 用 VOQ 和数据计算灵敏度,以及
  • 测量/储存温度漂移(如果需要)。

确定电流电平时,需要用到“查找”数据,以便使用储存的 VOQ 和灵敏度数据计算电流值。

  • 测量 VOUT 并计算电流值,以及
  • 测量系统温度并补偿其漂移效应(如果系统要求如此)。

实质上,“查找”表对应前面已经提及的“校准的”线性霍尔效应器件。该软件/查找表方法可以轻松达到 <±10% 准确度,其极限值(大概 ≈ ±1%)可能受到各种因素的限制,其中涉及软件开发、必要校准和补偿(包括设备),以及增加准确度相关的成本和时间。

显然,数据储存需要非易失性存储器进行参数测定,也需要特殊的初始校准程序。查找表补偿静态电压、灵敏度和温度效应的变化因素。可以利用软件校准和补偿技术,将与这些系统准确度因素相关的潜在误差降到最低。尽管这看上去复杂而且昂贵,但其他解决方案可能比使用低成本 8位 µC 的解决方案更复杂、更昂贵。

霍尔效应传感器 IC 分类 − 尽管这一方法可能加强器件输出参数;但目前只有符合已公布数据表限值的线性器件销售。其他人提供一些“增值”分类方案,但是这一程序和服务既不常见也不便宜。尽管如此,一些客户选择通过外部检测、分类和按照具体的严格器件限值选择线性霍尔效应器件来解决艰难的设计问题。显然,预分类的霍尔效应器件 IC 可用性的任何改善都能给电流感测设计带来明确的优势,并且“分类的”霍尔效应器件的可用性可能改变。

传感器组件的尺寸和形式 − 由于可以获得各种尺寸的环形线圈选择(Eastern Components, Inc. 提供),因此我们不能确定典型尺寸。为了适合霍尔效应器件封装,线圈上带有专门切割的槽。图 21 展示了一个用于六个不同电流范围的基本配置(感测的额定峰值电流为:1 A、3 A、5 A、8 A、10 A 和 100 A)。长度、高度和宽度有些许变化,最大的版本测量结果是长度 0.950"、高度 1.025"、宽度 0.500";所有版本为 PCB 通孔形式。

图 21

图 21。霍尔相应 IC 感测组件

电流感测“子系统”的成本 − 确定以线性霍尔效应 IC 为基础的电流传感器的相关成本,几乎与系统准确度涉及的各类问题一样困难。必需部件(线性霍尔效应器件和有槽环形线圈)的成本容易确定,图 21 中描绘的完整组件的起始价格为 ≈ $8.00 (数量:1000 个)。[编者注:1997 年的美元估价。]

有槽铁芯的成本通常为 <$1.00(即使数量适度时也不例外),线性霍尔效应传感器 IC 的成本范围为 <$2.50 至 <$3.25 (1 000 件)。这个价格跨度反映了各类霍尔传感器 IC 和不同温度范围。显然,总量越高,单位成本减少,对于批量生产,传感器 IC/环形线圈的综合成本很容易降到低于 $3.00。从铁芯转换为带“铸造”缺口的铁粉环形线圈,可以显著降低总成本。与 $0.80 至 $0.85 的铁芯不同,类似数量的铁粉芯的成本为 ≈ $0.20 至 $0.25。

然而,根据各个单独的设计要求,维修时间、软件编程、装配工作等其他因素会有较大的变化。显然,每个系统的温度、分辨率和准确度是影响系统成本的先决条件。开发和实施温度范围宽、分辨率高且非常精确的设计,所需要的费用与仅仅感测过量电流的费用有极大不同。过流故障检测应用的可用公差范围非常大(大概 ±20%),但这并不能保证实现精确的全温度范围设计所要求的任何软件“查找”、严格的器件和温度评估。

因此,仅能识别核心部件(和图 21 的组件)。与软件创建、系统设计工程等相关的费用不在使用线性霍尔效应 IC 进行电流感测的范围内。

保护大功率电子设备

图 22 是大功率 IGBT 电流感测检测和保护的经典实例。对于交流感应电机或需要全桥或三半桥传动(例如,三相永磁无刷直流电机)的其他功率电路,可将此图与可调速传动 (ASD)的单相联系起来。这样的配置可以检测电源导轨(上部电流传感器)中的过量电流。这种情况可能是因为在激活对应 IGBT 条件下,电源导轨对地短路,或输出短路。短路低输出或高输出与同一“支腿”相反位置输出的任意结合,可导致系统中产生(不安全)过电流故障。

图 22

图 22。‘’ 带电流传感器 IC 的全桥

做为选择,与绕组(中心传感器)串联的线性传感器 IC 可以检测短路负载,并监控实际的线圈电流。两个位置中的电流传感器 IC 应排除火灾和安全危害(并保护任何人员);并且高速“关闭”电路可以防止危害到功率输出(如果设备维修不当等外部故障导致过流)。很明显,整体电路响应速度(关闭时间)对保护系统和提供安全至关重要。

总结和展望

用于开环电流感测的线性霍尔效应传感器IC 不断发展和扩大。目前,可用的设备比之前所有的线性器件优异很多,并且在设计、处理、封装、测试等方面持续不断地进步。如前所述,如果要使设计、开发和实施的系统在较宽的工作温度范围内具有可靠的个位数准确度,当今的霍尔效应器件的公差和温度漂移给设计人员提出了艰巨的挑战。

预计霍尔效应器件性能和温度稳定性方面的进展,以及集成更多功能和其他进步,会使线性霍尔效应器件更适合更高分辨率的电流感测。

未来的线性器件可能允许在霍尔效应器件封装后,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 (VOQ) 并对温度变化问题进行补偿。显然,这涉及电路设计和测试方面的更复杂的创新技术。然而,应用此类霍尔传感器 IC 的机会以几何级数增长。

自 1960 年代末期实现集成以后,霍尔效应传感器 IC 经历了革命性的变化。随着进一步发展和改进,对于新的线性霍尔效应器件的应用预期会扩大和增加,以满足未来动力电子设备系统的许多新兴需求。

致谢

线性霍尔效应电流传感器的标志 [编者注:如图 22 中的应用。Χ 标志是磁驱动的标准表示。] 由 Allegro MicroSystems 公司的前雇员 Raymond Dewey 创造。目前,对于使用霍尔效应技术的电流传感器,没有标准或公认的图解符号。

参考资料

课程:P. Emerald,马里兰州巴尔的摩,1997 年电力系统世界,第六章,PCIM (电力转换与智能运动)电力电子研究院,电流感测原理中的“用于功率转换和运动系统应用的开环电流感测”;以及此为期一天的职业进展课程各章节的编著者。

研讨会:P. Emerald 和 Joe Gilbert,加州长滩,1995 年电力系统世界,“用于运动控制和定位应用的集成式霍尔效应传感器”。

附录

由于本文写于 1997 年 12 月,目前 A3515 和 A3516 比率测量线性霍尔效应传感器 IC 已被 A132x 系列取代。可以从 Allegro 网站 A1324-5-6获取关于新系列的信息。

另外,初次出版之后,对 A3515 和 A3516 比率测量线性霍尔效应传感器 IC 的技术参数进行了更改。1998 年 4 月,新的严格静态输出电压极限从最初的 2.5 V ±0.2 V 更改为 2.5 V ±0.075 V。除了静态输出电压极限升级,有效的线性电流范围可以通过加宽环形线圈缺口(槽)的方式进行拓展,从而将“磁耦合”脱敏。

根据名为“静态输出电压(直流偏移)”的章节所述,技术参数最初通常将比率测量输出列为 2.5 V。极限值为 2.3 V (最小值)和 2.7 V (最大值),器件工作温度范围内 VCC = 5 V。此改善影响使用比率测量线性霍尔效应传感器 IC 的系统能达到的准确度(见名为“开环线性霍尔传感器 IC 准确度”的章节)。

如前所述,本文给出了下述输出静态电压极限:

VOQ ..................................2.48 V 至 2.52 V (±8%)

升级的技术参数显示输出静态电压极限如下:

VOQ ..............................2.425 V 至 2.575 V (±3%)

此严格的技术规格显著提高了通过这些线性比率测量霍尔效应传感器 IC 实现更准确测量的能力。这意味着个位数准确度对于一些设计成为现实(尤其是那些温度波动受限的设计)。

线性电流范围 − 根据关于线性电流范围的初始材料(第 5 页),带有“紧密”磁耦合(»60 毫安差距,以匹配传感器封装)的范围不变:

A3515:≥±400 G ÷ 6.9 G/A » ±58 A

A3516:≥±800 G ÷ 6.9 G/A » ±116 A

通过扩展(加宽)环形线圈的槽可以轻松实现磁耦合“脱敏”。磁耦合脱敏首先要把槽增加至 3 mm (≈  封装体的两倍),这样就降低了磁通耦合,并增加了电流上限,如下:

A3516:≥±800 G ÷ 3.85 G/A » ±210 A

试验表明,传感器 IC 壳体布置对磁耦合没有影响。将“校准的”线性霍尔效应传感器 IC 壳体置于中心,输出信号与将壳体置于槽面上时的输出信号相同。因为许多用户努力想获得更高的电流范围,所以我们进行了另一次评估(从 Eastern Components, Inc. 获得新的铁氧体环形线圈之后)。

将环形线圈缺口扩大至 6 mm (即:比封装厚度尺寸多 4×),将电流范围极限再次扩展。这一“脱敏”的磁耦合增加了最大电流极限,按照下述计算:

A3516:≥±800 G ÷ 1.7 G/A » ±470 A

在可以获得不同尺寸缺口的环形线圈后,需要进一步评估。这样应该能提供更完整(尽管有重叠)电流范围集(上限还未知)。另外,其他环形线圈材料(尤其是铁粉)有待评估。

总结

严格的静态输出电压公差使比率测量线性霍尔效应器件的准确度更好,加宽环形线圈槽可以增加这些器件的最大电流极限。

本文于 1998 年 5 月 6 日发表在俄亥俄州立大学召开的国际家电技术大会上。转载需经许可。

STP98-1