一种霍尔电流变送器电路的设计

关 克，米哲涛，胡冬青

（宁波南车时代传感技术有限公司 浙江宁波 315021）

一种霍尔电流变送器电路的设计

关 克，米哲涛，胡冬青

（宁波南车时代传感技术有限公司 浙江宁波 315021）

目前市场上电流检测设备是采用电流传感器或者互感器居多，但是都有其局限性，比如传感器检测直流或交流电流则输出为相应的直流与交流信号，而互感器只能检测交流信号。同时由于产品的输出信号中往往夹杂着交流量和直流量，往往造成系统数字采样后整体误差增大。基于以上背景，本文设计一种电流变送器，能够同时检测直流、任意波形的交流信号并输出纯净的直流信号来反映输入信号变化。通过设计电路的参数计算，调节磁芯气隙尺寸或电路放大倍数可以实现任意电流大小的测量。

霍尔效应；电流检测；模拟信号处理；真有效值转换

传统的电流传感器通常采用正负电源对称供电，采用直流/交流大信号到直流/交流小信号的转化方式。这种实现方法往往对电源的对称性和稳定要求较高，一旦电源对称性出现问题会造成整个产品发生故障；同时由于产品的输出信号中往往夹杂着交流量和直流量，往往造成系统数字采样后整体误差增大[1]。故本文基于以上考虑，设计一种单电源供电、可对任意电流波形进行检测，且输出为纯净直流电流信号的电路，由于输出统一标准信号，故称其电流变送器电路。

1 电路工作原理与结构

作为霍尔电流传感器的核心器件之一，霍尔元件起着非常重要的作用，如图1所示，其霍尔效应的主要原理是在半导体薄片两端通霍尔电流Ic，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为VH的霍尔电压，霍尔电压VH与霍尔电流Ic及磁感应强度B的乘积成正比[2]。

图1 霍尔效应示意图

式中，K=Rh/d，K称为灵敏度，Rh称为霍尔系数，由半导体材料的性质决定；d为半导体材料的厚度。

电流检测电路的设计根据霍尔效应原理和电磁感应定律，放置于铁芯开口中的霍尔元件所产生的霍尔电动势VH与穿过该铁芯的电流I成正比，即VH∝I，因此有VH=KH*I，其中KH为转换系数[3]；VH信号经调理后，通过电路对不同性质信号的有效值转换，得到纯净的直流电压信号VDC，该信号经偏置处理后，经过V/I转换，得到标准的4～20 mA直流信号，其工作框图如图2所示。

图2 电流检测电路

电路结构框图如图3所示，主要分为电源转换部分、信号采集部分和信号处理部分，其中电源部分需要给不同芯片供电，需要转换为+15 Vdc、+5 Vdc和-5 Vdc直流电压。信号采集是电流通过铁芯产生磁场，霍尔元件产生感应电压，差分放大后历经放大、缩小、有效值转换、V/I转换后输出。整个电路中设计有3个可调电阻，分为调零点（霍尔元件无磁场测量，上电时，会有空载霍尔电势，称为霍尔零点）、调增益、调偏置，用来提高电路的精度。

图3 电路设计结构框图

2 电源供电设计

电源设计是整个电路设计的核心，与传感器不同之处是采用单电源供电，并且供电电压最高达到50 Vdc，产品功耗最大只有2.4 W，而同样是电流输出的磁平衡电流传感器供电为±24 Vdc，功耗最大可以达到8 W[4]。

该电源供电电路不仅要满足电路的各部分供电，而且要满足相对应产品的EMC试验和器件散热的要求。电源电路的供电范围应满足20～50 Vdc供电，其宽范围的供电一般可以采用DC-DC来降压，但是2.5～3 W的DC-DC的体积和价格并无优势，故采用低成本的LDO搭建电源模块是设计的首选。如图4所示，宽压范围供电和较大电流输出使得LDO功耗较大，因此采用两个晶体管并联的方式分压分流，形成多个供电电平，通过晶体管和线性稳压器来分担功耗。如此方法设计，可以采用板级散热代替散热器散热。对于传感器紧凑的空间来讲，这种设计更有优势。

图4 电源部分电路设计

3 信号处理部分设计

3.1 霍尔驱动部分

霍尔元件有恒流与恒压两种驱动方式。恒流驱动是流过元件输入端电流保持恒定的电路，恒压驱动是元件输入端的电压保持恒定的电路，如图5所示。

图5 霍尔驱动电路

恒压驱动的主要特点：施加在霍尔元件输入端的电压Eb恒定不变，但霍尔电流Ic发生变化，霍尔电压VH的温度变化大。

恒流驱动的主要特点：霍尔串联电阻 R＞＞Rin时，霍尔电流Ic恒定，当元件间电压发生变化时，霍尔电压VH变化大[5]。

本产品设计原理为开环原理，霍尔工作电流的变化会直接影响输出电压，从而导致产品输出的变化，所以我们选择恒流驱动模式来设计。

霍尔是采集电流信号的源头，通过感应磁场的变化产生电桥的失衡，从而与内部驱动电流结合产生差分电压，正是电路需要采集的动态信号。霍尔元件有不同的连线方式，我们采用GaAs（砷化镓）材料的霍尔元件以THS119为例来说明[6]，如表1和表2所示。

从以上技术参数可以看出，霍尔电流建议10 mA以下，我们设计霍尔驱动电路保证霍尔能够正常工作即可。

表1 极限参数（TA＝+25℃）

表2 主要技术参数（TA＝+25℃）

3.2 放大及信号处理模块之放大部分

信号处理部分是本设计的特殊部分，与常用电流传感器有很大区别，传感器的零点偏移是影响传感器精度的重要因素。零点偏正或偏负都会影响产品的精度，需要精确的调零是基本工作。本设计更改了传感器零点的传统调零方式，同时优化了微弱信号放大之后的精度。

霍尔元件的输出电压通常只有数毫伏至数百毫伏，因而需要有放大电路。为了消除非磁场因素引入同向电压的影响，必须差分放大电路[7]。在用单运算放大器进行差分放大时，如果不将放大器的输入电阻增加到大于霍尔元件输出电阻的程度，误差就会变大。从这个角度来说，似乎放大器的输入电阻越大越好，但是输入电阻太大，后续运放的输入偏置电流引起的偏置误差就会变大[8]，所以考虑到以上因素，此模块设计为N1A单运放组成的减法电路，如图6所示，设R9前端为Vi1，R10前端为Vi2，运放N1A输出电压为Vo，则

R13、R15、R14、R16、RP1组成调零调整电路，将信号电平抬高5 V来设计单电源基准VCC2，把电路中器件引起的误差先放大进行调零，这样器件本身的偏置电压引起的误差减小，后面电路中加入比例缩小电路配合，可以极大优化由于器件偏置引起的误差，调零便可以一次完成，后续不需要再进行调零[9]。而常用电流传感器是双电平调零，电源波动影响大，无法抵消器件本身输出偏置电压，调零需要多次，而且精度不高[10]。

图6 信号放大调零

如N1A的放大电路，由于运放零点时有偏移电压存在，经过放大

按电压偏移典型值 0.25 mV计算，Vos=0.25× 390/8.2=11.89 mV，N1B也有同样的问题，通过调零模块补偿掉。

零点时，通过RP1调节零点，运放 V6PIN=V5PIN，放大后输出为VO1，理想的零点时VO1为零。

NIB同时组成放大电路，VO1与Vo的关系为：

3.3 放大及信号处理模块之真有效值转换部分

信号的转化也是本设计独特之处，其功能是将直流电压信号和交流电压信号都转化成为统一的直流电流输出。

NA3搭建一个带增益的反向滤波器，其增益绝对值是小于1的，根据N4芯片输入范围要求，差模信号峰值不得超过1Vp-p，频率范围为DC或小于6 kHz，故前端设计带增益的低通滤波电路如图7所示。

图7 信号有效值转换

其截止频率的计算方法如下:

设（R18+RP2+R19）为RCOM，令

在足够低的频率上|ZC14|远远大于Rcom，可以略去|ZC14|，因此可以看做增益为H=H0=-Rcom/R17的反向放大器，在足够高的频率上，可以略去Rcom，可以看做一个积分器，对于ω/ω0=1可以得到，或者等效为|H|dB=|H0|dB-3 dB。因此为频率为截止频率[11]。

N4为真有效值转换芯片，在50 Hz到1 kHz具有0.25%的整体误差，真实的RMS AC+DC的测量。其主要管脚作用和接线方法如下[12]：

①IN1和IN2:输入脚，差动输入DC耦合且与极性无关；

②Vout：输出电压，该引脚为高阻抗，RMS的均值是通过该节点与 RTN之间的一个分流电容来实现的，其转移函数为[13]

芯片输出为高阻抗，考虑加入高阻抗同相放大器N3B来匹配；

③RTN：该引脚为输出回流，输出电压时相对该引脚建立起来的，该引脚接地即可；

⑤电源VDD接+5 V，VSS接-5 V。

图8 V/I转换电路

采用的是N3B运放电源轨的限压方式，运放采用±5 V供电，信号被5 V电源轨限制，则输出被限制在安全范围之内，最高最终输出不会超过22 mA。

文中的设计需要磁路设计搭配来使用，磁路的设计会直接影响电路的输入输出。所以，本文电路设计仅可以作为设计电流变送器电路部分的参考。

4 结 论

基于目前电流传感器和互感器的应用背景，设计一种输出信号为标准直流信号的电流变送器电路，文中对电流变送器电路的设计进行了简要的描述，与电流传感器相比，更广范围的单电源供电、任意波形信号测量和4～20 mA标准信号输出的电流变送器方便后续采样与控制，可广泛应用于工业控制领域。

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The electric circuit design of Hall current sensor

GUAN Ke，MI Zhe-tao，HU Dong-qing
（Ningbo CSR Times Transducer Technique Co.，Ltd.，Ningbo 315021，China）

Presently，current sensor or transformer always be used in measurement field，but all they do have operation limitations.Generally，current sensors always detect DC、AC current signal，then output same waveform of DC and AC signal.The transformers detect AC current signal only.So，the output waveform of current sensors or transformers is relatively complex that result in a high error of signal sampling on the terminal.In this paper，based on the above background，the design of current transformation circuit is used to detect any current signal and output pure DC current signal to reflect the condition of primary current.Via to do the math of parameters，adjusting the size of magnet core cap or amplification factor to implement any current value measurement.

Hall effect；current detection；analog signals processing；TRMS

TN98

：A

：1674－6236（2017）06-0132-04

2016-02-27稿件编号：201602168

关 克（1986—），男，满族，陕西铜川人，硕士，中级工程师。研究方向：电流电压传感器。