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
抽象的
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的增殖电流检测应用继续;雷竞技最新网址变得更加多样化;加上其他设计人员努力拓宽和成长为保护系统，创造更可靠的“防弹”设备，并协调任何安全问题。用于电流检测的经济高雷竞技最新网址效霍尔效应传感器IC的主要应用包括：
- 电流不平衡
- 目前的监测
- 操作员/用户安全和安保
- 过电流检测/保护系统
- 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，但在低成本、大容量的应用中只有三种是常见的。其他的是昂贵的实验室系统、新兴技术（例如磁阻），或者很少使用。常用的技术包括：（1）电阻性，（2）霍尔效应和（3）电流互感器雷竞技最新网址。
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 | 外部电源 | ||||||
| 检测电阻+运放 | 高 | 低的 | 低的 | 直流到10 MHz | 媒介 | ±3 - 5% | 低的 |
| 标准开环霍尔效应 | 低的 | 低的 | 高 | 直流到50 kHz | 小 | ±5至10％ | 媒介 |
| 霍尔效应闭环 | 低的 | 媒介 | 高 | 直流至1 MHz | 中型到大型 | <±1% | 高 |
| Allegro Open-Loop Hall效应电流传感器IC | 低的 | 低的 | 高 | DC至120khz | 小 | ±2-3% | 媒介 |
| 电流互感器 | 介质(AC) | 没有一个 | 高的 | 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IC（开环和闭环）代表了下一层常见的解决方案。插入损耗（和相关加热等）包括不一个障碍。然而，与电阻传感方法相比，频率范围，成本，直流偏移和外部功率表示霍尔效应IC技术的潜在缺点。
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，并展示没有零电流电平的偏置电压。
因为这篇论文的重点是霍尔效应集成电路，了解线性比例HED的元素对于开环电流传感来说是必不可少的。
线性霍尔效应传感器ic
随着术语意味着，线性霍尔传感器IC开发与所施加的磁场成比例的输出信号。通常，在任何电流传感应用中，该磁通场通过“开槽”环形聚焦，以产生足够的场强度，并且通过在导体中流动的电流引起该磁场。用于比例线性的“经典”传递曲线如图1所示。注意，在其范围的每个极端，输出饱和。
图1.线性霍尔传感器IC传输曲线
最新的线性霍尔集成电路提供比率输出电压。静态（即零）电压（名义上）为所施加的稳定电源的50%。此静态输出电压信号等于没有应用磁场和，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。［编辑。笔记。输出电压现在是在多电压范围。]
每个线性霍尔效应IC集成了敏感的霍尔元件（也称为“板”），低噪声（双极）放大器和宿/源输出级。通过磁厅元件，放大器，输出和盟友信号处理电路的单片集成，可以最小化与低电平信号和噪声相关的任何系统问题。
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。
诱导磁场
如上所述，霍尔效应电流检测通常需要使用开槽环（用亚铁材料制成）。环形环均集中并将诱导的磁场聚焦朝向IC包内的霍尔效应元件的位置。图2键入利用开槽环形的“非侵入式”电流检测的经典示例。导体电流流过缠绕在环形上的转弯，并且诱导的磁通场集中在环形的间隙（或槽）中的传感器IC上。通常，这种间隙是与大厅IC封装厚度（约0.060“或1.52毫米密切匹配，这提供了最佳的磁耦合。电流（带有这种”紧密的“磁耦合”）通过公式诱导通量强度
B(高斯)≈N(匝数)× 6.9高斯/安
［注：6.9高斯/安培是从先前的6高斯/安培更新而来的。]
图2.电流检测和空位磁环
扩大槽（间隙）降低了磁通耦合，可以增加上限的上限，这是在霍尔传感器IC敏感度（更多是遵循）上的上限。但是，将诱导的场解耦以延长最大电流限制可能会影响线性，可用范围等。这种“松散”耦合在评估中，但尚未完成;因此，没有记录了磁通量和导体电流（和较大差距）的新公式。
“校准”比率线性赫德
最新的两个[编辑。注意：最初于1997年呈现的文章。]具有动态直流偏移抵消功能的线性霍尔传感器为讨论线性比例HED和电流传感提供了基础。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；其对应物A3516的性能如图4和表3所示。
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 |
|||||
|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
| 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 |
| 表3:线性、比值型霍尔效应器件特性测量数据(A3516) 内测±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 |
| 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，“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
的A3515和A3516之间的元素区别是磁场灵敏度。对于两个特定传感器IC在图3和4中描绘的标称数据在表2中列出并3.灵敏度以每高斯（毫伏/ G）毫伏指定。三个电压列;然而，大多数设计利用固定的稳定性，低成本的5V稳压器集成电路。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 V）
- A3516
- 灵敏度:2.5 mV / G
- 范围：≥±800克(≥±2.0伏）
线性与对称
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（s）
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÷6.9g/a≈±116a
根据前面提到的，当前值超过≈ 115安培要求减少磁耦合，分流更高的电流水平（即，将总电流的一部分通过环形），或其他有效“减敏”电路的方法。对于“非侵入式”电流传感，有许多越来越多的应用，尤其是在大电流（>100 a）下.超低值电阻器（<1 mΩ）在这些电流下会消耗大量的功率和热量，所需的“非感应”电阻器会增加成本。I雷竞技最新网址2R损失不能避免；500 mΩ和200 a的感应电阻器产生20瓦。显然，这是设计师更愿意避免的情况。但是，低成本选项很少（或根本不存在）[编辑。注意：Allegro™ACS75x电流传感器IC系列现已提供，可容纳±200 A系列的电流。]
线性、比率霍尔效应集成电路
包含动态正交直流偏移抵消的最新线性HED如图5所示。霍尔元件是一个“单板”，由其符号（Χ）指定。传感器IC电流在以下位置从0°方向（向下）切换到90°路径（穿过霍尔板）≈ 170 kHz。这排除了大多数早期偏移相关因素（由于电阻梯度、几何差异、压阻效应等导致的直流不平衡）。采用低通滤波器和采样保持电路来重新调节馈送至线性比例霍尔传感器IC输出的信号。
图5。具有动态正交偏置消除的线性霍尔效应传感器
驱动线性霍尔效应集成电路
虽然线性HEDS的功率要求是小的，需要外部电源。来源必须是稳定的和良好的监管;并与固定电压IC调节器（通常为5 V）此设计问题是简单地（且廉价地）解决。线性传感器IC指定与5 V（典型值≈7毫安）≤10mA的最大电源电流。容易，板上，“下”从系统电源调节是具有低成本IC调节简单。
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出去 | 8.0 V |
| 输出Sink电流，I出去 | 10马 |
| 磁通密度，B | 无限 |
| 封装功耗，PD | 600毫瓦* |
| *“UA”机组额定温度为183°C/W[注:等级为184。] | |
超出上述操作指定的限制会影响器件的操作，性能，或导致损害（牺牲）电路和/或系统的可靠性和被（绝对）不推荐。
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- 最新线性HEDS指定不同于现有装置更高的电流。然而，典型的应用程序很少涉及多于在雷竞技最新网址表4中的高阻抗今天的模拟或转换电路的输入端（通常）必要列出的10mA以下的琐碎百分比微安不是毫安的霍尔传感器IC输出电流。
最大磁通密度- 超过这些霍尔效应IC的线性范围的磁场既不损坏也不损坏器件。然而，超过使用范围磁场迫使输出到饱和度（和非线性操作），而不损害HED。
包功耗- 最大封装功率耗散限制基于安全，可靠的结温操作。下面使用的两个封装类型用于其热阻（以及使用T的最大功率一个= + 25°C)。
- “U”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毫瓦）
［艾德。注意:Rθ是165的评分是正确的。]
推荐的最大结温为150°[编辑。注意：现在高达165°C。]和耗散应该相等零然而，最新的线性电路允许在200°C（环境温度，T一个≤170℃）。
内部功率(PD)由两个因素组成:(a) HED供电功率(ICC.×五CC.)和(b) IC输出功率(I出去×五外出（星期六））.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×R.θ是])。
内部动力(通常)不这是一个限制，但设计者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）可靠性与所有系统组件的温度成反比。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。
独特的线性铰接参数
在当前的传感应用中，各种各样的线性HED特性备受关注，下面对这些特性进行简要描述。随后，这些特性和参数中的许多将集中在精度、温度效应、线性、对称性等方面。雷竞技最新网址
电压输出− 如前所述，比例线性霍尔传感器IC提供的输出电压与图2所示的电流感应的外加磁场成比例。在保证极限下，输出指定为±1 mA的接收器和电源。根据图2、3和4，可用范围为≥±2.0 V，带5 V电源。前面也提到过，当不存在磁场（或感应电流）时，静态输出电压为电源的1/2。一个稳定、良好调节的电源对于正常运行是非常必要的，否则输出电压将波动，并随电源的任何变化而变化。[注:有关最新的性能特性，请参阅快板选择指南．]
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6A.环形电流传感应用（<15 A）
图6B。环形电流传感应用（>15 A）
图6C。”无“断开”电流传感应用
对当前过载的宽度−如前所述，导体电流超过线性霍尔集成电路的范围将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集成电路。但是，如果导体过热，持续的过高电流可能导致火灾或安全危险。
霍尔效应电流传感器的响应时间- 一些利用基于霍尔效应的技术和环形线圈的电流传感装置中的审查显示相当宽的范围内的传感器IC的响应时间。大多数的这些（那些包括放大器）落入范围的≈7毫秒至≈15毫秒内，虽然其它的是低于和高于这些限制。测试是（通常）与的di / dt = 100 A / ms的指定;和线性电流范围指定从相当低的（变化<5 A）到了极点（> 20000 A）。显然，20 kA的品种价格昂贵，而且不利用任何低成本的环形技术。
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≥20kHz。信号电压达到此频率几乎没有变化。然而，明显的相移变得不同于稍低的频率。不同的IC和供应商之间的一些变化是显而易见的，但滚动率在≈20kHz之外非常陡峭。虽然-3 dB rolloff的截止频率不一致，但是20kHz至25 kHz是有效的近似。
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出去（上）对我在(较低)500hz
相移与10kHz输入速率（图8）变得非常明显，并且在20kHz时非常明显（图9）。注意：用20圈进行的测试在盖子环上进行;并且三个图的电压尺度不相同。其他中频绘图表现出类似的相移，但由于空间限制而不包括。［编辑。注意：限制指原始出版物的严格。]
图8.V出去（上）对我在(较低)在10千赫
图9. V.出去（上）对我在（低级）以20kHz
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甲执行测试，从而诱发显着的输出电压信号摆幅，表明涉及迟滞任何错误是相当轻微的（对于线性HED（A3516）和Gapped环状组合≈1％）。固有地，线性霍尔传感器IC表现出无滞后。但是，不同的开槽环形体（和改变磁性材料）可以具有不同的滞后性质。
实际测得的电压差范围为16≈mV至≈22毫伏具有> 2.1 V的变化。滞后是未成年人关注使用铁氧体磁芯时，但是其它的铁磁芯（例如铁粉）可以表现出不同的特性。
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)第一引起传感器IC的饱和。为获得最佳精度，所使用的匝数应引起输出电压转换（仅限）掉落速度饱和传感器IC（更多关于此）。
零点−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HED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
- 我出去≤1毫安
典型的等效输入噪声电压（VN)的值为:
- A3506，A3507，A3508：125 MV
- A3515、A3516: 400mv
考虑到这些hed的最低灵敏度为2.5 mV/G，加上在非常低的通量强度下无法进行精确测量(稍后将详细讨论)，(通常)宽带噪声的影响是非常次要的。其他因素(特别是静态输出电压随温度漂移)则更为重要。
系统温度−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）解决电流的微小变化。磁芯磁滞≈ 1%排除了这一点，而没有考虑温度对线性HED输出参数及其与性能的关系的其他（和更严重的）影响。
静止输出电压（DC偏移）−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。
最新的比例霍尔效应传感器IC表示DC静态输出电压限值为1/2电源±0.2 V [注:请参阅附录。]。静态操作温度范围内的静态输出电压漂移对应于最新的线性霍尔IC的±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。]从标称值，这转化为±8%的最大误差，无任何温度诱导效应（A3515/3516）。显然，这一潜在误差因素构成了一个强大的约束，如果准确的电压是系统性能的先决条件，则必须认真考虑。
通过调节电源以达到2.5 V标称电压，对静态输出电压进行直流补偿是可行的，但这也会影响灵敏度，并且在生产中可能无法承受任何相关偏移。根据图3和图4，增加电源可抵消低静态输出电压，减少电源可补偿高静态电压。然而，这种偏移会对灵敏度产生不利影响，并抵消静态电压“调零”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。
对于“高级”类型，早期线性电路的直流漂移等于±20高斯，对于“有限”温度单位，直流漂移范围为±50高斯。此外，先前集成电路的静态输出电压公差范围比具有偏移消除功能的最新集成电路更宽（或更宽）。
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:±10克×5.0毫伏/克≈ ±50毫伏
- A3516:±10克×2.5毫伏/克≈ ±25毫伏
- 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
本质上，该列表建立A3516作为偏爱的线性时的静态电压漂移是一个重要的标准，以及最大灵敏度不首要考虑因素。在电流检测应用，这需要两倍的匝（与A3雷竞技最新网址515），以获得相同的电压摆幅数量。
通过全尺寸的电压摆动（≥±2.0 V）A3516的最大误差为≤±1.3％，但一致，静态电压漂移为<±3g（带A3516的≈±7.5mV）。该误差因子依赖于温度;因此，应该采用足够的转弯来驱动输出附近的全量程。这最大限度地减少了温度相关的静态输出电压漂移的整体效果。因此，全范围附近的操作是绝对地建议为ΔVinfoq错误百分比较低。
温度对传感器IC灵敏度的影响- 先前提到了这两种新线性的标称敏感性（和范围）。但是，电路公差未指定。IC具有不同的名义敏感性;然而，温度相关的最大变化是相同的。重新敏感性和范围，加上容差，产生以下霍尔效应IC参数和设备温度偏移：
- A3515：灵敏度，5.0 mV/G±10%
- Δsensitivity（Δt）在t处一个= Max， -2.5% (min)， +2.5% (typ)， +7.5% (Max)
- Δsensitivity（Δt）在t处一个= Min， -9.0% (Min)， -1.3% (typ)， +1.0% (max)
- 磁量程，≥±400g(≥±2.0 V)
- A3516：灵敏度，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− 在任何经典的神秘故事中，“情节”都会在这一关头变得更加复杂。由于精确、精确的测量要求不断增加，接下来将简要说明与实现“准确度”和可靠性相关的相关要素。准确度、可重复性、成本等相互关联。
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”电流感应的绝对精度超出了这项论述。但是，审查基本因素支持分析。
- 滞后，hys，≈±1%
- 的静态电压，Vinfoq,[±8%注:请参阅附录。]
- A3515或A3516: 2.5 V±0.2 V
- 输出静态电压漂移，ΔVinfoq,±10克
- A3515：≤±50毫伏
- A3516:≤±25 mV
- 灵敏度T一个=最大，±10％
- A3515: 5.0 mV / G
- A3516：2.5 mV / g
- ΔSensitivity
- T一个= Max， -2.5%至+7.5%
- T一个=最低-9.0%至+1.0%
- 正/负线性，≈99.7%
- 对称,≈99.7%
- 宽带噪声N400µV
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% [编辑。注意：请参阅附录。])。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均更靠近标称（≤±0.1V），所以±8％的公差代表了一个非常“最坏情况”的静态输出电压方案。
灵敏度参数也呈现了相当大的误差潜力。但是，这些列表等同于最坏情况分析。此外，灵敏度与温度效果之间的关系不(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无或微小的(温度抵消了任何累积偏差)，或累积（温度进一步加剧了公差）。
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。
两个图（图13和图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。]对于这些线性器的静态输出电压。
A3515的数据如下:
| Vinfoq在伏 与VCC.=5伏 |
||||
|---|---|---|---|---|
| 环境温度 | −40摄氏度 | 25°C | 85℃ | 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 |
| 最大限度 | 2.517 | 2.512 | 2.520 | 2.530 |
| + 3σ | 2.525 | 2.520 | 2.523 | 2.531 |
| Vinfoq在伏 由于百分比从25°C的值漂移 |
||||
|---|---|---|---|---|
| 环境温度 | −40摄氏度 | 25°C | 85℃ | 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 |
| 最大限度 | 2.60 | 0.00 | 2.40 | 5.50 |
| + 3σ | 2.86 | 0.00 | 2.63 | 6.31 |
A3516的数据提供了以下内容：
| Vinfoq在伏 与VCC.=5伏 |
||||
|---|---|---|---|---|
| 环境温度 | −40摄氏度 | 25°C | 85℃ | 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 |
| 最大限度 | 2.503 | 2.501 | 2.498 | 2.499 |
| + 3σ | 2.514 | 2.509 | 2.504 | 2.504 |
| Vinfoq在伏 由于百分比从25°C的值漂移 |
||||
|---|---|---|---|---|
| 环境温度 | −40摄氏度 | 25°C | 85℃ | 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 |
| 最大限度 | 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摄氏度 | 25°C | 85℃ | 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 |
| 最大限度 | 5.181 | 5.316 | 5.392 | 5.359 |
| + 3σ | 5.113 | 5.293 | 5.423 | 5.400 |
| 敏感 由于百分比从25°C的值漂移 |
||||
|---|---|---|---|---|
| 环境温度 | −40摄氏度 | 25°C | 85℃ | 150°C |
| 3σ | -7.6 | 0 | -0.1 | -0.7 |
| 闵 | -7.1 | 0 | -0.9 | -1.0 |
| 的意思是 | -4.7 | 0 | 2.3 | 2.5 |
| 最大限度 | -2.5 | 0 | 3.7 | 4．4 |
| + 3σ | -1.9 | 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摄氏度 | 25°C | 85℃ | 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 |
| 最大限度 | 2.586 | 2.700 | 2.758 | 2.728 |
| + 3σ | 2.506 | 2.600 | 2.667 | 2.646 |
| 敏感 由于百分比从25°C的值漂移 |
||||
|---|---|---|---|---|
| 环境温度 | −40摄氏度 | 25°C | 85℃ | 150°C |
| 3σ | -7.1 | 0 | 1．1 | -0.1 |
| 闵 | -6.8 | 0 | 2.0 | 0.9 |
| 的意思是 | -5.0 | 0 | 2.7 | 2.6 |
| 最大限度 | -4.0 | 0 | 3.7 | ４．３ |
| + 3σ | -2.9 | 0 | 4．2 | 5．3 |
图17。灵敏度与温度(A3515)
图18.ΔSensitivity与温度的关系（A3515）
图19所示。灵敏度与温度(A3516)
图20.ΔSensitivity与温度的关系（A3516）
显然，数据和绘图都没有反映了比率线性霍尔传感器IC的总体分布。这种洞察力准确性旨在建议将可达到的精确电流感测的可达到的限制与铰接进行建议，但并不意味着任何明确的约束。最终，应用创新的周到的电路设计技术的应用决定了开环霍尔效应电流感应的基本限制。
校准和补偿− 电流传感设计试图实现低于±10%的开环精度应考虑替代方案。实施“硬件”校准和/或补偿是一个昂贵而复杂的选择，并且（对于大多数设计）应该被忽略。
然而，通过使用比较器（或多个比较器）建立触发点是非常可行的。校准或补偿温度和静态电压以实现全范围的线性操作是一项艰巨的任务。比较器可以提供具有有用精度的离散电流信号（过电流、正常运行等），但不能（轻松）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，
- 计算V的灵敏度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。
- 措施五出去并计算当前值，和
- 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− 由于可提供各种尺寸的环形，带有明确切割的槽，以适合HED封装（Eastern Components，Inc.），因此无法确定典型尺寸。图21说明了在六个不同电流范围内提供的一种基本配置（感测的峰值电流额定值为：1A、3A、5A、8A、10A和100A）。长度、高度和宽度略有不同，最大版本的尺寸为0.950英寸长、1.025英寸高、0.500英寸宽；所有版本均为PCB通孔形式。
图21。霍尔IC电流传感组件
当前感应的“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。［编辑。注意：1997年USD的估值。]
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，基于每个单独的设计要求，其他因素如工程时间，软件编程，汇编劳动力等。显然，每个系统温度，分辨率和准确性都是影响系统成本的先决条件。开发和实施高分辨率的支出，具有宽温度范围的高分辨率，非常精确的设计与感测过电流的感测大大不同。过电流故障检测应用程序可能允许非常广泛的公差（可能是±20％），这不会保证任何软件“查询”，严格的设备和温度评估，即精确，全温度设计的任务。
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IC在开环电流传感中的应用不断发展和扩大。目前，可用的设备远远优于任何早期的线性器，并且在设计、加工、包装、测试等方面的进步是持续不断的。如前所述，当今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单位精度。
预计HED性能和温度稳定性，更多的功能整合，以及其他方面的发展，使线性HEDS对更高分辨率的电流检测比较可行的进一步进展。
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。
因为他们在60年代末期集成霍尔效应传感器都发生了革命性的变化。随着进一步发展和改进，新的线性HEDS的应用有望扩大和繁殖，以满足未来的电力电子系统的许多新出现雷竞技最新网址的需求。
确认
线性霍尔效应电流传感器的符号[注：如图22所示。Χ标记是指示磁驱动的标准标记。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，“电力转换和运动系统应用的开环电流检测”，PCIM电力电子研究所，第六章，PowerSystems World '97;雷竞技最新网址巴尔的摩，MD;加上章节的各种贡献者，包括这个为期一天的专业进步课程。
“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
补遗
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)。
如上所述，本文显示了以下输出静态电压限制：
Vinfoq.................................. 2.48 V至2.52 V（±8%）
升级的规范现在显示为：
Vinfoq.............................. 2.425 V至2.575 V（±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：≥±400g÷6.9g / a»±58 a
A3516:≥±800 g ÷ 6.9 g / a±116 a
“脱敏”磁耦合可以通过扩展（加宽）环形中的槽来实现。第一次尝试脱敏磁耦合涉及将槽增加到3 mm(≈ 这减少了磁通耦合，并增加了电流上限，如下所示：
A3516：≥±将800g÷3.85 G / A»±210甲
测试显示传感器IC壳体的放置对磁耦合没有影响。以“校准”的线性霍尔效应传感器IC壳体为中心，导致与将外壳定位相同的输出信号。由于许多用户努力获得更高的电流范围，因此随后进行了另一个评估（在从东部成分，Inc.获得新的铁素体环形之后）。
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：≥±800g÷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
紧固的静态输出电压容差为比率，线性铰接和加宽来提供更好的精度，而环形槽的加宽会增加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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