基于闭环霍尔电流传感器驱动电路的设计

基于闭环霍尔电流传感器驱动电路的设计

李云方

南京艾驰电子科技有限公司 南京 210000

摘要：本文采用实验方式分析闭环零磁通霍尔电流传感器，该传感器可以对交流、直流电流进行测试，测量范围在30kA以上，高信号精度，较宽的频率范围，较高的响应速度，并且能够在大电流环境中，解决晶体收到高电压和大功耗散热带来的影响，进而更好的在核聚变领域应用。

关键词：电流传感器；电路设计；验证

前言：传统传感器已经不能够满足当今时代的发展需求，为了能够使适应核聚变领域的要求，设计出一种可以通过零磁场的霍尔电流传感器。霍尔传感器是应用范围最广的一种传感器，具有温度漂移小、精度高、可靠及安全性高等优点。

一、工作原理

霍尔电路工作原理如图一所示，电流I₁通过磁芯时产生一种磁场B₁，这个磁场能够与电流I₂ 通过线圈产生的磁场B₂保持相互平衡状态，这样便可以使霍尔元件没有磁场通过，且处于工作状态。在磁场不平衡的情况下，就会存在霍尔电压，这个电压经过放大和调整，形成一种信号，用来驱动功率放大电路，然后产生电压，再产生二次侧电流I₂，传感器在稳定状态下，磁场处于平衡状态，即存在公式N₁×I₁= N₂×I₂。

图一：传感器工作原理图

二、电路设计

传感器工作流程如图二所示，整个传感器系统可以分为以下几点内容。

（一）霍尔元件

在整个传感器中霍尔元件是重要的组成部件，此设计元件材质选用锑化铟，形式上是单列直插式，供电方式采用电流或者电压两种输出方式，电流输出最大为20mA，阻抗输入和输出位240Ω—550Ω，电压-7～7mV，温度系数一般情况下在-1.8%/摄氏度，霍尔电压输出控制在122-204mV范围内，供电方式选用电流源方式，霍尔元件安放在磁芯气隙位置上，这样可以保证元件垂直穿过磁场，得到的电压最大化。

图二：传感器工作流程图

（二）放大电路以及积分调节电路

当磁场不平衡时，敏感元件就会产生电压，这种电压比较微弱，因此需要放大器进行放大，本设计选用OPA2277放大器。采用改变电阻数值的方式促使产生的电压倍数放大，本设计主要是通过引脚1、2 接电阻路形成比例放大电路，引脚6、7接电容器和电阻器形成积分调节电路，以此来放大倍数，如图三所示。

图三：放大电路和积分调节电路

（三）PWM产生电路

本设计中PWM出现的方式主要是霍尔放大信号和载波之间相比较产生三电平信号。如图四，通过引脚1、2连接得电阻器对载波进行调节，使其增幅，调节引脚6促使载波偏移量发展改变，由引脚7，引脚8分别输出负、正载波。图五所示，通过TRI正极比较器和VERR进行比较，进而处理信号产生PWM1、PWM3，通过TRI负极比较器和VERR进行比较产生信号PWM2、PWM4。

图四：载波调节电路 图五：PWM波产生电路

（五）反馈电路

霍尔电流传感器工作原理采用平衡原理，其中需要测试的电流需经过二次侧线圈进行电流补偿，在气隙处保证霍尔元件没有磁场通过。当I2未形成磁场，I1刚刚形成时，元件就可以检测出N1I1磁场信号，通过放大及调节将其转化为PWM信号，进而形成对应占空比电压。补偿电流不会发生突然变化，在I2逐渐上升的情况下，产生的磁场将会补偿N1I1磁场，由此可知当霍尔元件减少输出的时候，I2则会减慢上升。当磁场平衡状态在，霍尔元件零输出，这时I2会保持上升的趋势，进而形成过补偿现状，霍尔元件会改变信号，导致当大电路促使I2减小，这样情况下，霍尔元件会保持平衡，在气隙处振荡^[1]。

（六）霍尔元件补偿

1、温度补偿

1.1输入回路补偿法

如图六，供电采用恒流源方式，与电阻R并联，初始温度、电阻、电流、灵敏度都为0，在温度达到T值时，霍尔元件电阻、电流、灵敏度分别是R1、I1、K1，温度带来的影响得到完全补偿时，霍尔电压在温度改变的情况下，输出值相等。

图六：输入回路补偿电路

1.2输出补偿

但温度发生改变的时候，通过改变热敏电阻值来阻碍电势和电阻值产生的影响，以此来保障温度不会影响霍尔电势。

三、测量和结果及处理

（一）测量方法

采用高精度逆变电源，输出正、负直流、交流电流，可以连接负载，带有标准的电流传感器。传感器电路能够进行电路采集，控制板卡电压在用12V的直流电压，功率在原有电压上放大±80V。传感器连接电阻器，电阻器一端连接±80 V电源，对电阻两端信号和传感器电压信号进行采集。

（二）测量过程

测试在正、负直流电流的环境中进行，通电后保持传感器处于稳定状态30分钟，调节电流，促使电流由OA朝着正防线上升，每一个5kA停一下，稳点以后读数，直到电流值到30KA，然后推到0A。最后在负开始，流程同上述相同。

（三）频率范围

设计、标准电流传感器外接示波器，对电源进行调节，是其没一次输出值为40A，每测试一次改变频率一次。当传感器信号为波形时，电流频度为20KHz设计传感器电流值频率为20.08KHz，数值为3.52V。当精度不断增加时，设计传感器电压明显下降，表示传感器跟踪失败，信号不良，与传统相比提高很大

^[2]。

结论：传感器经过测试，范围在±30kA以上，精度等级在0.5级，频率范围在20KHz，反响时间在再5μs以下，在大电流条件下，解决了晶体管电压和大功耗散热提升的情况，传感器可以被广泛的使用在核聚变领域。

参考文献：

[1]武旭,王林森,居鹏.闭环霍尔电流传感器的硬件电路设计[J].传感器与微系统,2018,37(11):73-76+83.

[2]潘峤,许留伟,蒋力.一种零磁通霍尔电流传感器驱动电路设计[J].仪表技术与传感器,2018(02):28-30.