基于開環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器性能的改善

電力電子行業(yè)的市場發(fā)展趨勢對應(yīng)用特殊元部件提出了要求。對于電流測量也是如此。從基本上來說，若要獲得一定的測量精度，就要求元部件具有相對應(yīng)的尺寸以及投入相應(yīng)的成本。本文介紹了一款新一代電流傳感器，該傳感器主要通過一種特別開發(fā)的ASIC技術(shù)來實現(xiàn)基于開環(huán)霍爾效應(yīng)的電流傳感器性能改善。

目前在市場上我們可以采購到很多霍爾-ASIC傳感器，我們可以用這些傳感器來測量位置、磁場以及電流。所有這些ASIC傳感器大多用于進行精確快速的電流測量，比如電力電子行業(yè)，對于電磁干擾具有高抗干擾性的優(yōu)點。 這一基礎(chǔ)已經(jīng)使得新集成元件得到了開發(fā)，這些元件特別適合這些需求（圖1）。該新型集成元部件基于CMOS技術(shù)，將開環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器結(jié)構(gòu)的所有元件綜合在了一個單片上。霍爾陣列作為測量元件，后面跟著放大級以及擴展編程單元和一個穩(wěn)定的帶隙基準(zhǔn)電壓。

該元部件具有以下特點：

5V 電源

從0.5到4毫伏/高斯的大測量范圍

可以對偏差和增益進行編程（比例或固定）

基準(zhǔn)輸入/輸出

可編程溫度補償

接線管腳具有短路和靜電放電（ESD）保護

溫度范圍從 -40°C到+ 125°C。

基準(zhǔn)電壓作為測量的零點可以在生產(chǎn)過程中進行編程。可以提供一半的供電電壓或固定的2.5V電壓。外部管腳上也可以提供基準(zhǔn)電壓。例如，該基準(zhǔn)電壓隨時都可以通過一個來自A/D轉(zhuǎn)換器的當(dāng)前外部基準(zhǔn)電壓經(jīng)一個200Ω的內(nèi)部載荷阻抗進行作用。

參數(shù)

與傳統(tǒng)霍爾元件相比，瞬態(tài)電流的速度幾乎沒有變化。具有100A/＊s電流變化率（di/dt）的瞬態(tài)電流后的延遲時間大約為4μs，如圖2所示。對于電流電路短路切斷和調(diào)節(jié)來說，這個延遲時間該足夠。有點長些的延遲時間可以通過霍爾芯片的斬波技術(shù)來進行說明，該技術(shù)用于改善漂移參數(shù)。

對于在高EMC環(huán)境所使用的傳感器來說，其中一個關(guān)鍵參數(shù)是在電壓跳變（共模）之后的性能。圖3記錄了6 KV/＊s電流變化率（dV/dt）的情況，同時給出了當(dāng)輸出為大約20mV時跳過一個偏差之后的狀態(tài)，這一結(jié)果與3%標(biāo)稱值的漂移相一致。性能是平衡的，因此在不產(chǎn)生偏差的情況下可以對其進行外部或內(nèi)部過濾。

由于斬波的穩(wěn)定性，與傳統(tǒng)霍爾元件相比，感應(yīng)器輸出處的噪音增加了三倍。一般情況下，該噪音大約為10m/Vpp，與大約1.4%的輸出標(biāo)稱電流相對應(yīng)。由于500KHz的高噪音頻率，該噪音并不會對通常的應(yīng)用產(chǎn)生影響。對于具有高帶寬的超快電流調(diào)節(jié)電路來說，應(yīng)將該參數(shù)考慮進去。

在溫度漂移（對于電流傳感器來說是一個最基本的參數(shù)）方面，可以通過與傳統(tǒng)解決方案相比較來實現(xiàn)最大程度的改善。與傳統(tǒng)傳感器相比，偏差漂移和增益漂移已經(jīng)通過一個超過2的因數(shù)進行了改善。當(dāng)溫度升高50°C時，偏差漂移達到最大值，為1.6%最大標(biāo)稱值。增益漂移，定義為測量值的百分比值，在最差的情況下可達到2%。這些值對開環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器來說是極好的值。

安裝在印刷電路板上的傳感器應(yīng)盡可能與解耦電容緊密地連接在一起。這些電容對EMC特性的改善作用顯著。圖4給出了布線圖，該布線具有在測量過程中實際發(fā)現(xiàn)的值。但是，這種布線會根據(jù)不同的應(yīng)用場合而略有不同。

該基準(zhǔn)電壓應(yīng)該具有與供電電壓相同的值。

各種適用設(shè)計方案

憑借該項ASIC技術(shù)，我們已經(jīng)開發(fā)了四個新型號范圍的開環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器，這些傳感器適用于各種不同場合。在傳感器的開發(fā)過程中，我們特別注意了所涵蓋應(yīng)用場合的要求、對于力學(xué)方面以及對于電力部件與電子元件分離絕緣方面的要求。比如安裝在電池驅(qū)動的車輛內(nèi)，我們還首次開發(fā)了適合低電壓高達100V應(yīng)用場合的特殊傳感器。

HXS

用于測量從50A標(biāo)稱值到150A測量范圍電流的最小設(shè)計型號。該型號的傳感器具有4排主要總線條，這些總線條可以通過并聯(lián)或串聯(lián)連接，并且能夠使該元件能夠涵蓋3個測量范圍。

該型號范圍包含用于各種應(yīng)用場合的6種不同傳感器，這些傳感器區(qū)別在于電流范圍、各種溫度范圍以及核心材料。其中特別開發(fā)了一種用于長屏蔽導(dǎo)線和與這些導(dǎo)線有關(guān)的電容性電流的傳感器。因此消除了由于高頻率損失而產(chǎn)生的磁芯發(fā)熱。該傳感器特別適合于變頻器、電源和小型UPS裝置。

HAIS

該型號涵蓋50-400A（600A）的電流范圍。符合在高達600V標(biāo)稱電壓值時進行安全操作的要求（超電壓類別III、污染度2）。主要開孔可以容納橫截面高達15 x 8 mm的總線條。對于固定到印刷電路板上，則提供兩個另外的焊針，在接地時也可以用于改善EMC特性。

HTFS

由于具有22mm的開孔，該傳感器可適用于電纜和總線條。也可能提供高達1200A的測量范圍。傳感器具有極其穩(wěn)固的機械特性，可以用焊針或者螺釘固定到印刷電路板上。該傳感器特別適合于電池驅(qū)動的車輛，比如叉車或混合挖掘機。其首次使通過該小型設(shè)計記錄超過1000A的電流成為可能。

HFIS

從目前電流傳感器用于各種場合的汽車領(lǐng)域研發(fā)開始，這些傳感器就被進一步用于工業(yè)領(lǐng)域。為了實現(xiàn)緊湊設(shè)計，將主要開孔設(shè)置得非常小。因此該類型傳感器主要適用于具有低恒流和高測量范圍的各種應(yīng)用場合。而且，該類型傳感器符合僅高達100V的安全隔離要求。應(yīng)用范圍包括具有低峰值電流的切換網(wǎng)絡(luò)和電池驅(qū)動車輛部件，比如輪椅和高爾夫球棒車。

結(jié)論

根據(jù)應(yīng)用場合的要求，我們?yōu)榭蛻籼峁追N設(shè)計型號。由于只使用一個單獨的元件，因此這些設(shè)計型號有一個共同點，那就是具有很好平均故障間隔時間（MTBF）的高工作利用率。為了在生產(chǎn)中消除最終可能已經(jīng)存在的誤差源，在開發(fā)過程中使用了6西格瑪工具。

根據(jù)歐洲EMC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，所有的元部件都具有EC標(biāo)識并進行了安全隔離。所有類型的傳感器都將進行UL認(rèn)證。