基于霍尔电流传感器的电源监控系统设计

周越文，邓 俊，文 莹，陈茂才

(1.空军工程大学 航空航天工程学院，陕西 西安710038;2.空军空降兵学院，广西 桂林541002;3.中国船舶重工集团公司 第七〇四研究所，上海200031)

0 引 言

为满足测试项目的需要，测试设备往往需要将供电电源分配成多路提供给被测对象。由于每路电源工作电流不同，每路电源所设置的电流保护值也不同，因此，需要设计电源监控系统，用于实时监测多路电源线路上的电流，并在电流超过安全值的情况下，使电源自动断电。

目前，电流的精密测量大多采用非接触式测量的方法。这种方法具有测量结果稳定、温度特性好、线性度高等优点［1～3］。非接触式的电流测量方法主要有基于变压器原理的交流电流互感器、罗氏线圈、霍尔电流传感器、磁通门以及光学电流传感器等［4］。而霍尔电流传感器是一种简单而有效的测量低频电流的方法［5］。这种传感器利用了霍尔效应［6］和磁补偿原理［7］，整个过程采用非接触式测量，且被测电流和输出电压具有良好的线性关系［8］，能兼顾直流和交流的大电流测量，因而得到了广泛的应用［9，10］。

本文设计了一种基于霍尔电流传感器的电源监控系统。实验结果表明:所设计的电源监控系统具有响应速度快、测量精度高的优点，有效地实现了对电源的实时监控。

1 系统总体结构设计

电源监控系统主要包括监控单元和数字信号处理器(DSP)，总体结构如图1 所示。监控单元分为直流电源监控单元和交流电源监控单元，由电流监测电路和开关控制电路组成。电流监测电路包括霍尔电流传感器和一些信号处理电路，用于实时监测各路电源通道上的电流。开关控制电路用于控制电源通断。电源经过监控单元后输出至适配器供不同被测对象使用。DSP 采集电流传感器的测量信号，判断电流值是否超限，并通过开关控制电路控制电源通断。同时。DSP 通过RS—422 总线将采集的电流值发送至上位机。

图1 系统总体结构图Fig 1 System overall structure diagram

2 系统硬件设计

2.1 霍尔电流传感器

为了对供电线路电流进行测量，采用美国Honeywell 公司的霍尔电流传感器CSNE151—100。该传感器基于霍尔磁补偿原理，将待测电流转换电压值输出，其原理如图2 所示。待测电流Ip产生磁通Φ1，副边补偿电流Is产生磁通Φ2，霍尔元件检测Φ1与Φ2的差值，通过辅助电路控制Is的大小，使得Φ1与Φ2的差值为零，即保持磁平衡状态，所以Ip与Is呈正比关系。Is经过电阻Ri产生的输出电压Vo可以反映待测电流Ip的大小。霍尔电流传感器采用非接触方式检测电流，响应时间小于1 ns，工作温度为－40 ～85 ℃，而且测量精度高，非常适合交流和直流的检测。本文采用的CSNE151—100 电流传感器实物如图3 所示。

图2 霍尔磁补偿原理图Fig 2 Principle diagram of Hall magnetic compensation

2.2 直流电源监控单元

图3 CSNE151—100 电流传感器Fig 3 CSNE151—100 current sensor

直流电源监控单元的设计如图4 所示。电流传感器CSNE151—100 可实现多量程测量。传感器引脚4 ～7 为电流流入端，引脚8 ～11 电流流出端，不同的引脚连接方式量程不同，图4 中的连接方式测量量程为25 A。传感器监测电源线路上的电流，将直流电流转换成电压信号从1 端口输出。DSP 通过ANA2 端口采集该电压信号，并转换成电流值后发送至上位机。电源通断由DSP 控制场效应管M2实现。当DSP 向Min2 端口写“1”时，光电耦合器三极管导通，+15 V 输出到M2 的栅极，M2 导通，电源从Vo2 输出供电。当DSP 向Min2 端口写“0”时，光电耦合器三极管不导通，M2 不导通，电源断开。如果电流超出保护值，DSP 将自动控制M2 断开电源，从而实现过流保护。

图4 直流电源监控单元Fig 4 Direct current power monitoring unit

2.3 交流电源监控单元

交流电源监控单元的设计如图5 所示。与直流电源监控单元相比，交流电源监控单元增加了整流滤波电路，可将交流信号转换成直流信号。转换后的直流信号再由DSP的ANA4 端口采集。电源通断由三极管和继电器实现。DSP 向Min4 端口输出信号控制三极管导通，从而实现继电器开关的断开和闭合。

3 系统软件设计

电流监控程序流程如图6 所示。

主程序工作步骤为:1)系统上电，初始化DSP，并将每路通道的电流超限次数设为0。2)轮询所有电源通道的电流值。3)判断电流是否超限:若某路通道电流值超限，则该通道的电流超限次数加1;否则，该通道的电流超限次数清零。4)判断过流保护:如果某路通道的电流超限次数达到3 次，则该通道开关断开，再返回第2 步;否则，直接返回第2 步。

图5 交流电源监控单元Fig 5 Alternating current power monitoring unit

如果上位机通过RS—422 总线发来查询或控制命令，DSP 进入串口中断服务程序。在串口中断服务程序，DSP依据上位机的命令改变开关状态，或者上传各路电流值和过流保护标志。

图6 电源监控流程图Fig 6 Flow chart of power monitoring

4 实验结果

在实验室对电源监控系统进行了测试实验。供电电源分别采用直流27 V 和交流220 V，在电源输出端加入不同阻抗的负载。直流和交流电源实验结果分别如表1、表2。从实验结果可以看出:系统的测量误差小于1%，说明系统的测量精度较高。

表1 直流电源实验结果(27 V)Tab 1 Experimental results of direct current power(27 V)

表2 交流电源实验结果(220 V)Tab 2 Experimental results of alternating current power(220 V)

5 结束语

本文设计了一种基于霍尔效应电流传感器的电源监控系统。该系统采用CSNE151—100 电流传感器实时监测电流，通过DSP 控制电源开关实现了过流保护。本文所设计的电源监控系统已经实际应用于自动检测设备中。通过实际应用和测试结果表明:该监控系统工作稳定可靠，能实时地监测电源的工作电流，并能有效及时地实现电源的过流保护，具有响应速度快、监测精度高等优点。

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