闭环霍尔传感器设计与优化

 闭环霍尔传感器设计与优化

刘本阳,王茜,刘刚艳

单位名称：陕西长岭迈腾电子股份有限公司 单位省市：陕西省宝鸡市 单位邮编：721006

摘要：电流传感器陆续出现因静磁场干扰导致输出异常的问题。本文介绍闭环传感器的同时介绍一种传感器优化设计，优化设计基于增加屏蔽罩，提出了一种异变形式屏蔽方案，利用铁芯和空气磁导率的差别，在铁芯上下两部分设计不同长度的气隙，使铁芯上下两部分具有不同的磁阻，这种设计方案省去了屏蔽罩，有效的对静磁场进行屏蔽，也能避免引入绝缘问题和减小产品体积，是一种较好的传感器改进设计。

关键词：闭环霍尔传感器；设计；优化

一、引言

近年来，电流传感器陆续在变流系统中出现因静磁场干扰导致输出异常的问题。对于静磁场干扰，一般采用高磁导率材料包裹受干扰对象进行屏蔽。由于霍尔传感器本身需要通过聚磁来测量信号，若使用高磁导率屏蔽材料包裹霍尔传感器磁部件可能会影响测量精度，同时也会增加绝缘设计的难度。所以目前能有效解决静磁场干扰的方案并不多，主要有：1、更换方案，采用其他测磁芯片（TI的DRV系列、TMR等）进行尝试，但目前还没有很好的效果；2、增加屏蔽罩，结合仿真进行屏蔽设计，尽可能减小屏蔽对测量的影响。本文基于方案2的启发，结合仿真建模和实际测试，提出了屏蔽方案的一种异变形式，利用铁芯和空气磁导率的差别，在铁芯上下两部分设计不同长度的气隙，使得铁芯上下两部分具有不同的磁阻，从而使磁场主要从低磁阻的部分通过，同时由于闭环霍尔电流传感器的气隙通常较小，使得高磁阻部分气隙内仍具有相当的磁感应强度。这种设计方案省去了屏蔽罩，能有效的对静磁场进行屏蔽，同时也能避免引入绝缘问题和减小产品体积，对应用而言是一种很好的改进设计。

二、闭环霍尔传感器原理

闭环霍尔传感器的工作原理如图1所示。

三、闭环霍尔传感器的铁芯设计

1、铁芯材料选择

霍尔传感器的铁芯一般采用软磁材料，常用的软磁材料有铁氧体、硅钢、坡莫合金和非晶等。铁氧体物理性质硬且脆，磁导率相对较低，饱和磁感应强度约0.5T左右，温度稳定性也较差[3-5]，而霍尔传感器要求铁芯工作在线性区域且有较高的温度稳定性要求，因此铁氧体不适合用作霍尔传感器的铁芯材料。非晶的物理性质也有类似的问题，在振动要求较为严苛的轨道交通领域，非晶材料尚未得到大量的应用验证，出于可靠性考虑，一般不选用非晶材料。

基于以上原因，目前霍尔传感器的铁芯材料主要是硅钢和坡莫合金。硅钢的饱和磁感应强度能达到2T左右，比较适用于大电流测量，坡莫合金的饱和磁感应强度约0.75T，具有很高的磁导率，比较适合小电流测量和闭环霍尔传感器。

本文设计目标为额定测量1000A的闭环霍尔电流传感器，因而选择牌号23JGDS085的硅钢片作为铁芯材料。

（3）铁芯高度分析

已确定铁芯的内径63mm、外径73mm、气隙长度1.2mm，仿真显示当铁芯高度太小时，气隙内均匀磁场区域极小，已不适合霍尔的测磁，因而设置铁芯的高度从4mm开始，步进2mm，最大14mm，一次绕组安匝数为100A。仿真显示，当铁芯高度在8mm以下时，增大铁芯高度，对漏磁现象有一定的改善；当铁芯厚度在8mm以上时，漏磁基本趋于稳定，继续增大铁芯的高度意义不大。综合考虑，将铁芯的高度设计为8mm。

（4）铁芯气隙优化设计

铁芯的磁导率远高于空气磁导率，因而决定磁路磁阻的主要是气隙长度。根据安培环路定理，当气隙长度接近，铁芯形状、尺寸、截面积设计合理时，不同的铁芯气隙内的磁感应强度是接近的。基于以上分析，可设计一种半气隙铁芯，气隙上半部分为正常气隙，下半部分仅断开铁芯，霍尔元件置于上半部分气隙内。由于铁芯上下半部分气隙长度不一样，可将铁芯等效为两个相同厚度、不同气隙长度的铁芯。当有被测电流通过时，霍尔元件感应的磁感应强度主要由上半部分气隙长度决定；当存在环境磁场时，由于下半部分磁阻远小于上半部分，环境磁场会主要聚集在气隙下半部分，极大减小环境磁场对霍尔元件的干扰。

四、电路设计

闭环霍尔电流传感器的电路设计已趋于成熟，其电路框图大同小异，本文设计的传感器电路框图如图2所示，分为供电电路、霍尔元件、信号放大电路和补偿线圈[7]。

1、供电电路

实际应用中，传感器的供电电源范围较宽，不能满足传感器内部部分IC的供电要求，且外部电源波动较大，不采取稳压措施可能会影响器件的寿命，因而在空间允许的前提下，传感器内部一般会采用稳压电路为内部IC供电。本文设计一种扩流型稳压二极管电路，由两个环节构成：

（1）稳压二极管工作在稳压状态，作为电压基准；

（2）三极管工作在线性放大区域，为调整环节。同并联式稳压电路相比，负载能力强，输出电流大，负载电流的变化量可以比稳压管工作电流的变化量扩大（1+β）倍。

2、信号放大电路

霍尔元件的输出电压通常只有数毫伏至数百毫伏，不利于后端采集，因而需要放大电路。本文设计的闭环霍尔电流传感器放大电路又分为PI调节电路、推挽放大电路和功率放大电路[8]，霍尔输出信号经三级处理后作为输出电流Is流经补偿线圈最终输出。

五、结论

本文系统地对闭环霍尔电流传感器的原理、铁芯设计、电路设计等进行了说明分析。通过仿真工具和实际应用对铁芯的材料、尺寸、气隙长度等方面进行了较为详细的设计思路阐述。然后结合理论和仿真分析，提出了一种具有较强抗磁场干扰能力的半气隙式铁芯设计方案，该方案在实际应用中得到了一定的证明。伴随着系统产品集成化、小型化的趋势，更强的抗干扰能力有助于电流传感器适应系统产品的发展。

参考文献

[1]曲品,刘志强,刘宗新,周俊.一种基于温度补偿的小型磁平衡电压传感器设计[J].电子设计工程,2017,25(2):105-109.

[2]宋世千.牵引变流器电磁干扰测试及其线缆敷设优化[D].南京:东南大学,2015.

[3]郑剑斌.霍尔传感器磁系统优化设计[D].福州:福州大学,2014.