一种霍尔电流传感器的电路设计

  设计了一种零磁通型霍尔电流传感器，可大范围的应用于交流变频驱动、焊接电源、开关电源、不间断电源等领域。该零磁通型霍尔电流传感器通过砷化镓霍尔元件检测由通电电流产生的磁场，继而有效地检测被测电流。

  由于霍尔元件产生的霍尔电势很微弱，而且还存在比较大的失调电压，因此对霍尔电压的放大和对不等位电势的补偿是该设计的两个主要要解决的问题，而且霍尔元件中载流子浓度等随气温变化而变化，因此还需用温度补偿电路对其温度补偿。

  系统分为4个部分：1)霍尔元件的供电电路，由电压基准(电流基准)芯片为霍尔片提供工作电流；2)霍尔元件及磁芯，将感应片感应的磁场(该磁场由通电电流产生)转化为霍尔电压；3)放大电路，将微弱的霍尔电压进行放大；4)反馈部分，利用了磁平衡原理：一次侧电流所产生的磁场，通过二次线圈电流进行补偿，使磁芯始终处于零磁通工作状态。其系统总流程图如图1所示。

  系统由5 V的稳压源供电。用一片电压基准芯片REF3012为砷化镓系列的霍尔元件HW300B提供基准电压。HW300B是一款可采用电压模式供电和电流模式供电的霍尔元件，HW300B放在开有气隙的集磁环的气隙里，并用胶水加以固定(霍尔元件和集磁环相对位置如果发生明显的变化，会影响产生的霍尔电势的大小)。霍尔元件的输出接至仪器放大器AD620，作为放大器的差模出入端和共模输入端。放大器的增益可通过调节1、8引脚之间的10 k的电位器改变。放大器的输出接反馈线圈，该反馈线圈绕在集磁环上，其绕线方向能使通过它的电流产生的磁场与集磁环收集到的磁场方向相反。反馈线 k的精阻接地，能够最终靠测量精阻两端的电压，计算反馈线圈中的电流，进而推算穿过集磁环中心的被测电流的大小。其具体电路图如图2所示。

  以SOT23-3封装的REF3012是一个高精度、低功耗、低电压差电压参考系列芯片。REF3012小尺寸和低功耗(最大50A)非常适用于便携式和电池供电。它不需要负载电容，但对任何容性负载很稳定。因磁敏型霍尔元件很容易受温度的影响，能够使用恒流源供电以减小其温度系数。在该系统模块设计中，REF3012的输入引脚1接+5 V电源，并接10F的旁路电容至地，该旁路电容对电源进行滤波，提高电源稳定性。而其输出引脚2接到HW300B的引脚1，并且也接1O F的旁路电容至地，GND(地)引脚3接地。由于系统模块设计要求REF3012为HW300B提供2．5 V的基准电压，根据REF3012的数据资料可知，当输入电压为5 V时，输出电压为2．5 V，所以REF3012引脚1接+5 V电压。

  本设计采用砷化镓系列的HW300B型霍尔元件，输出霍尔电压范围122～204mV，输入、输出阻抗为240～550 ，补偿电压为-7～7 mV，温度系数为-1．8％／℃。其输入可采用电压模式供电，也可采用电流模式供电。这里采用电压模式供电，即就是HW300B的引脚1、3为控制输入端，而引脚2、4为霍尔电压输出端。

  式中，S为乘积灵敏度，mV／(mTmA)；Ic为工作电流，mA；B为磁感应强度，mT。

  本设计中，将霍尔元件放进开有气隙的集磁环的气隙里，并将霍尔元件和集磁环固定，这样做才能够感应出更大、更稳定的霍尔电势。式(1)中，当S与Ic一定，则Vh与B有直接线性关系。通电导体周围必然产生磁场，根据安培定律，电流与磁场的关系式∮BdI=0I0得：

  由式(6)可知，根据霍尔元件的乘积灵敏度S，工作电流Ic，线，便可计算出霍尔电压Vh。而且可知，气隙长度l2越小，霍尔电压Vh越大，所以气隙应以刚好卡住霍尔元件为宜。

  由磁敏霍尔元件将集磁环收集到的磁场转换为弱电信号，输出一般为几毫伏的电压，需对其进行放大。这里采用AD620型仪器放大器，它通过改变电阻而改变放大倍数(1～1000)。AD620的1、8引脚之间通过跨接1只10 k的电位器和1只75 的电阻来调整放大倍数。若要改变放大倍数，可调节电位器AD620的引脚7、4分别接+5 V、-5 V的工作电压，并且分别接0．01 F的旁路电容至地，用来滤除交流成分，使输出的直流更平滑；而其引脚3、2分别接霍尔元件的引脚2、4，其引脚6输出放大后的电压值，接反馈线，作为总系统的地接。

  仪器放大器电路由3个放大器共同组成，其中电阻R和RG需要在放大器的电阻应用限制范围内(1～10k)，根据固定的电阻R调整其放大倍数，关系式如下：(必须要格外注意每个放大器的饱和现象，放大器的最大输出电压为其工作电压Vc)。AD620的输出电压Vo与输入电压V1、V2关系式如式(7)所示：