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作者 Paul Emerald

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摘要

最新的功率半導(dǎo)體（IGBT、MCT 等）顯示了功率輸出限制方面的不斷進(jìn)步，隨著功率半導(dǎo)體系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的延伸和擴(kuò)展，感測(cè)這些不斷升級(jí)的電流電平成為越發(fā)明顯的先決（并行）需求。霍爾效應(yīng) IC 提供“非插入式”電流感測(cè)技術(shù)，能夠?qū)Ω唠娏麟娖竭M(jìn)行安全、隔離的檢測(cè)，而且不會(huì)耗散大量功率（和合成熱），而這是采用電阻式電流感測(cè)方法的弊端。此外，霍爾效應(yīng)電流感測(cè)為載流導(dǎo)體提供電氣絕緣；因此，能為電路系統(tǒng)、操作員等提供安全的環(huán)境。

針對(duì)霍爾效應(yīng) IC 的電流感測(cè)應(yīng)用持續(xù)激增，甚至變得更多樣化。在其他設(shè)計(jì)者殫精竭慮地保護(hù)系統(tǒng)時(shí)，霍爾效應(yīng) IC 應(yīng)用得到發(fā)展和增長(zhǎng)，并制造出更可靠“無(wú)瑕疵”設(shè)備，同時(shí)解決任何安全問(wèn)題。成本效益好的電流感測(cè)霍爾效應(yīng)傳感器 IC 的主要應(yīng)用包括：

• 電流不平衡

• 電流監(jiān)視

• 操作員/用戶安全和保安

• 過(guò)電流檢測(cè)/系統(tǒng)保護(hù)

• 系統(tǒng)診斷與故障檢測(cè)

• 測(cè)試與測(cè)量

背景與簡(jiǎn)介

人們?cè)?1879 年發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)；然而，在 1960 年代末期半導(dǎo)體集成的出現(xiàn)之前，人們未對(duì)埃德溫·霍爾的這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)行任何有意義的應(yīng)用。此后，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展（尤其是在 1990 年代），出現(xiàn)了功能更齊全、集成且系列更多的專用型霍爾傳感器 IC。磁傳感器電子學(xué)的不斷進(jìn)步，導(dǎo)致對(duì)低成本、可靠的“非接觸式”霍爾效應(yīng)電路系統(tǒng)的需求也在不斷增加，并且用于感測(cè)/檢測(cè)移動(dòng)、方向、位置，以及用于測(cè)量/監(jiān)測(cè)電流。

霍爾效應(yīng)傳感器 IC（尤其是比率線性類型）是用于“開(kāi)環(huán)”電流感測(cè)設(shè)計(jì)的極好器件。然而，在可實(shí)現(xiàn)工作范圍、準(zhǔn)確度和精度、頻率響應(yīng)等方面都有所限制。因?yàn)樵S多預(yù)期用戶不知道而且/或未覺(jué)察使用霍爾效應(yīng) IC 的電流感測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)或缺點(diǎn)，本文盡力對(duì)目前使用硅霍爾效應(yīng)器件的“非插入式”電流感測(cè)的基本技術(shù)進(jìn)行綜合討論。

如果不使用有槽環(huán)形線圈集中（并聚焦）感應(yīng)磁通場(chǎng)，霍爾效應(yīng)電流感測(cè)的大多數(shù)應(yīng)用要求不能形成足夠的磁場(chǎng)。低電流至適度電流（

對(duì)于需要寬（或連續(xù)）電流范圍的設(shè)計(jì)，需要使用線性霍爾效應(yīng)傳感器 IC。但是，可能需要數(shù)字式霍爾效應(yīng)器件對(duì)過(guò)電流保護(hù)和/或故障檢測(cè)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)節(jié)。這篇關(guān)于感測(cè)交流電流和直流電流所用的霍爾效應(yīng)器件的論文涵蓋了電流感測(cè)技術(shù)的實(shí)例和基本要素的詳細(xì)情況，以及器件參數(shù)、溫度穩(wěn)定性和霍爾效應(yīng)電流感測(cè)的其他相關(guān)問(wèn)題。

競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)

盡管現(xiàn)在有許多電流感測(cè)方法，但低成本、大批量應(yīng)用中常見(jiàn)的只有三種。其他是昂貴的實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)、新興技術(shù)（例如磁阻技術(shù)）或很少使用的技術(shù)。常用技術(shù)包括：（1） 電阻，（2） 霍爾效應(yīng)和（3） 電流互感器。

電阻感測(cè)使用很廣泛，成本低，易于理解。然而，這種技術(shù)的缺點(diǎn)是插入損耗（熱和耗散功率）以及沒(méi)有隔離。而且，許多功率電阻器的串聯(lián)電感約束了低成本部件的頻率范圍；因此，按照表 1 中的類別，將電阻感測(cè)歸為直流或交流應(yīng)用。用于高頻率的低電感、高功率電阻更昂貴，但是工作頻率可以超過(guò) 500 kHz。而且，電阻式電流感測(cè)技術(shù)（通常）需要信號(hào)放大（需要使用比較器或運(yùn)算放大器）。

霍爾效應(yīng)傳感器 IC（開(kāi)環(huán)和閉環(huán)）代表了另一層級(jí)的常見(jiàn)解決方案。插入損耗（和相關(guān)加熱等）不是障礙。然而，與電阻式感測(cè)方法相比，霍爾效應(yīng) IC 技術(shù)在頻率范圍、成本、直流偏移和外部電源方面具有潛在劣勢(shì)。

電流互感器是最后一代低成本技術(shù)的終結(jié)，但僅能用于交流電（正如術(shù)語(yǔ)互感器隱含的意思）。大多數(shù)低成本電流互感器針對(duì)窄頻率范圍設(shè)計(jì)，比電阻式或霍爾效應(yīng)技術(shù)更昂貴，而且不能用于直流電流。然而，電流互感器避免了插入損耗，提供電氣絕緣，不需要外部電源，在零位電流時(shí)無(wú)偏移電壓。

因?yàn)楸疚闹攸c(diǎn)探討霍爾效應(yīng) IC，理解比率線性測(cè)量霍爾效應(yīng)器件原理對(duì)開(kāi)環(huán)電流感測(cè)十分必要

線性霍爾效應(yīng)傳感器 IC

正如此術(shù)語(yǔ)所示，線性霍爾效應(yīng)傳感器 IC 產(chǎn)生一個(gè)與外加磁場(chǎng)成正比的輸出信號(hào)。通常，在任何電流感測(cè)應(yīng)用中，該磁場(chǎng)由一個(gè)“有槽”環(huán)形線圈聚焦，以便形成足夠的磁場(chǎng)強(qiáng)度，并且該磁場(chǎng)由導(dǎo)體中的電流感應(yīng)產(chǎn)生。“經(jīng)典”比率線性測(cè)量轉(zhuǎn)移曲線如圖 1 所示。請(qǐng)注意，在每個(gè)范圍的極限點(diǎn)，輸出達(dá)到飽和。

圖 1。線性霍爾效應(yīng)傳感器 IC 轉(zhuǎn)移曲線

最新的線性霍爾效應(yīng) IC 提供比率測(cè)量輸出電壓。靜態(tài)（即零位）電壓是外加穩(wěn)態(tài)標(biāo)稱電壓的 50%。此靜態(tài)輸出電壓信號(hào)相當(dāng)于無(wú)外加磁場(chǎng)，對(duì)于電流感測(cè)，相當(dāng)于 零位電流。南極磁場(chǎng)引起正電壓轉(zhuǎn)換（朝向 V_CC)，北極磁場(chǎng)導(dǎo)致朝向接地 (0 V) 轉(zhuǎn)換。輸出飽和電壓（典型值）為 0.3 V （高/拉）和 0.2 V （低/灌），并且在 ±1 mA 時(shí)測(cè)量。[編者注，輸出電壓目前在毫伏范圍內(nèi)。]

每個(gè)線性霍爾效應(yīng) IC 集成了一個(gè)敏感霍爾元件（也稱為“板”）、一個(gè)低噪音（雙極）放大器，以及灌/拉輸出級(jí)。磁性霍爾效應(yīng)元件、放大器、輸出和聯(lián)合信號(hào)處理電路的單片 IC 將低階信號(hào)和噪音相關(guān)的任何系統(tǒng)問(wèn)題降到最低程度。

現(xiàn)有很穩(wěn)定的線性霍爾效應(yīng)器件利用動(dòng)態(tài)正交偏移消除電路和電子開(kāi)關(guān)來(lái)改變霍爾元件中的電流路徑。以高重復(fù)率將電流路徑從 0° 切換至 90°，為長(zhǎng)時(shí)間影響線性傳感器 IC 運(yùn)行和穩(wěn)定性的（固有）直流偏移提供了新的解決方案。

利用取樣保持電路和低通濾波器對(duì)這些創(chuàng)新的線性霍爾效應(yīng)器件的內(nèi)部動(dòng)態(tài)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)還原。

線性霍爾效應(yīng) IC 可以探測(cè)通量強(qiáng)度的小變化，在電流感測(cè)方面，（通常）比數(shù)字式霍爾效應(yīng) IC 更有用。線性霍爾效應(yīng)器件經(jīng)常電容耦合至運(yùn)算放大器，或直流連接至比較器，以便達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)。另外，微控制器 (μC) 和微處理器 (μP) 用于探測(cè)線性霍爾效應(yīng) IC 的微弱信號(hào)變化，并且非常適合（與適當(dāng)?shù)能浖黄穑└袦y(cè)/測(cè)量交流或直流電流。

感應(yīng)磁場(chǎng)

如前所述，霍爾效應(yīng)電流感測(cè)通常需要使用有槽環(huán)形線圈（用鐵質(zhì)材料制造）。環(huán)形線圈在 IC 封裝中將感應(yīng)磁場(chǎng)向霍爾效應(yīng)元件的位置集中并聚焦。圖 2 是使用有槽環(huán)形線圈的“非插入式”電流感測(cè)的典型實(shí)例。導(dǎo)體電流流過(guò)纏繞在環(huán)形線圈上的線匝，感應(yīng)磁通場(chǎng)集中在環(huán)形線圈缺口（或槽）中的傳感器 IC 上。通常，此間隙與霍爾集成電路封裝厚度（約 0.060" 或 1.52mm）非常匹配，以提供最優(yōu)磁耦合。電流（在“緊密”磁耦合時(shí)）按照下述公式感應(yīng)通量強(qiáng)度：

B (高斯) ≈  N (匝數(shù))  ×  6.9 高斯/安培

[編者注：從之前的 6  高斯/安培更新為 6.9 高斯/安培。]

圖 2。使用帶缺口環(huán)形線圈的電流感測(cè)

加寬槽（缺口）會(huì)減少磁通耦合并增加電流上限，這是根據(jù)霍爾傳感器 IC 靈敏度進(jìn)行的預(yù)測(cè)（后面會(huì)介紹更多細(xì)節(jié)）。然而，將感應(yīng)磁場(chǎng)去耦以擴(kuò)展最大電流限制時(shí)，可能影響線性、可用范圍等。此“松散”耦合正處于評(píng)估階段，尚未完成；因此，沒(méi)有記錄在較大缺口條件下，針對(duì)磁通量和導(dǎo)體電流的新公式。

“校準(zhǔn)的”比率測(cè)量線性霍爾效應(yīng)器件

兩種最新的 [編者注：1997 年發(fā)表的文章] 線性霍爾傳感器（帶動(dòng)態(tài)直流偏移消除）為論述線性比率測(cè)量霍爾效應(yīng)器件和電流感測(cè)奠定了基礎(chǔ)。A3515 繪圖（圖 3）和相關(guān)數(shù)據(jù)（表 2）記錄了大多數(shù)靈敏線性霍爾效應(yīng)器件的重要特性；對(duì)應(yīng)的 A3516 特性見(jiàn)圖 4 和表 3。

圖 3。線性比率測(cè)量霍爾效應(yīng)器件特性（A3515 輸出）

圖 4.線性比率測(cè)量霍爾效應(yīng)器件特性（A3516 輸出） 

目前，盡管“校準(zhǔn)的”線性霍爾效應(yīng) IC 很少銷售，但仍然是建立和測(cè)量系統(tǒng)磁性參數(shù)的極好電路，并且是改善比率測(cè)量 IC 性能、特性和局限性的非凡切入點(diǎn)。

傳感器靈敏度

A3515 和 A3516 之間的主要差別是磁靈敏度。表 2 和表 3 列出了圖 3 和圖 4 中描繪的兩個(gè)特定傳感器 IC 的標(biāo)稱數(shù)據(jù)。靈敏度以每高斯的毫伏數(shù)（mV/G）表示。表中列出了三個(gè)電壓；然而，大多數(shù)設(shè)計(jì)采用固定的低成本 5 V 穩(wěn)壓芯片來(lái)保證穩(wěn)定性。兩個(gè)線性霍爾效應(yīng)器件的額定靈敏度（和可用范圍）如下 (V_CC = 5 V)：

• A3515

• 靈敏度：5.0 mV/G

• 范圍：≥±400 G (≥±2.0 V)

• A3516

• 靈敏度：2.5 mV/G

• 范圍：≥±800 G (≥±2.0 V)

線性度和對(duì)稱度

從這些繪圖（圖 3 和圖 4）上可以明顯看出：線性度和對(duì)稱度（靜態(tài)（或零位）電壓的斜率偏差）都不是至關(guān)重要的設(shè)計(jì)結(jié)果，因?yàn)閷?duì)于 A3515，二者都不超過(guò) 0.3%。這些繪圖記錄 ±400 G（A3515），以及±800 G（A3516），對(duì)于這兩類器件，輸出電壓擺幅為 ≥±2.0 V。

線性電流范圍

按照近似法，使用此范圍和前面公式中的每匝通量推導(dǎo)出實(shí)際電流極限值（“緊密”磁耦合最大值）：

• A3515：≥±400 G ÷6.9 G/A ≈  ±58 A

• A3516：≥±800 G ÷6.9 G/A ≈  ±116 A

按照之前的描述，電流值超過(guò) ≈ 115 安培時(shí)，需要降低磁耦合，分流較高的電流（也就是將總量的一部分穿過(guò)環(huán)形線圈），或者需要采取將電路有效“脫敏”的其他方法。對(duì)于“非插入式”電流感測(cè)，目前有許多不斷成長(zhǎng)壯大的應(yīng)用，尤其對(duì)于高強(qiáng)度電流 (>100 A)。在這些電流值條件下，超低值的電阻 (<1 mΩ) 消散相當(dāng)大的功率和熱，而且所需的“無(wú)感”電阻增加成本。I²R 損耗 不可 避免；500 mΩ 和 200 A 的檢測(cè)電阻產(chǎn)生 20 瓦的損耗。顯然，設(shè)計(jì)者想要避免發(fā)生這種情況。然而，低成本的選擇幾乎沒(méi)有（或者不存在）。[編者注：Allegro? ACS75x 電流傳感器 IC 系列現(xiàn)已推出，適用電流范圍達(dá) ±200 A。]

線性比率測(cè)量霍爾效應(yīng) IC

圖 5 顯示了包含動(dòng)態(tài)正交直流偏移消除的最新線性霍爾效應(yīng)器件。霍爾元件是一塊“單板”，用符號(hào) (Χ) 標(biāo)識(shí)。在 ≈ 170 kHz 頻率，將傳感器 IC 的電流從 0° 方向（向下）向 90° 的路徑切換（穿過(guò)霍爾板）。這就排除了大多數(shù)與初期偏移相關(guān)的因素（電阻梯度導(dǎo)致的直流不平衡、幾何差異、壓阻效應(yīng)等）。利用低通濾波器和取樣保持電路還原饋送至線性比率測(cè)量霍爾傳感器 IC 輸出的信號(hào)。

圖 5。帶有動(dòng)態(tài)正交偏移消除的線性霍爾效應(yīng)傳感器

為線性霍爾效應(yīng) IC 供電

盡管線性霍爾效應(yīng)器件的電源要求小，但是也需要外部電源。電源必須穩(wěn)定，穩(wěn)壓良好；并且?guī)в泄潭妷?IC 穩(wěn)壓器（通常為 5 V），此設(shè)計(jì)問(wèn)題容易解決（而且花費(fèi)不多）。線性傳感器 IC 規(guī)定的最大供電電流為 ≤10 mA，電壓 5 V （典型值 ≈ 7 mA）。低成本穩(wěn)壓芯片易于從系統(tǒng)電源進(jìn)行板上“向下”調(diào)節(jié)。

表 4 列出了新式線性比率測(cè)量傳感器 IC 的絕對(duì)最大絕對(duì)值。

超過(guò)上述規(guī)定極限的操作可能影響器件的運(yùn)行和性能，或者危害（犧牲）電路和/或系統(tǒng)可靠性，因而（絕對(duì)）不建議進(jìn)行這樣的操作。

最大電源電壓 ? 帶偏移消除的最新線性霍爾效應(yīng)器件可以按高于上一代的（A3506 等）電源電壓運(yùn)行。這些新的線性 IC 提高了最大限度，見(jiàn)表 4。

最大輸出電壓 ? 詳見(jiàn)表 4；然而，需要注意的是，輸出連接的電壓不可以高于電源電壓或低于 IC 接地電壓。這可能危害霍爾傳感器 IC 可靠性并/或影響系統(tǒng)可靠性。

最大輸出電流 ? 最新的線性霍爾效應(yīng)器件規(guī)定的電流比先前器件的電流高。然而，典型應(yīng)用很少涉及超過(guò)表 4 中所列最大值 10 mA 的情況，即使超出的百分比微不足道。對(duì)于當(dāng)今的模擬或轉(zhuǎn)換電路，其高阻抗輸入（通常）需要微安而非毫安級(jí)的霍爾傳感器 IC 輸出電流。

最大磁通密度 ? 超過(guò)這些霍爾效應(yīng) IC 線性范圍的磁場(chǎng)既不會(huì)損害也不會(huì)毀壞器件。然而，超過(guò)可用范圍的磁場(chǎng)會(huì)迫使輸出進(jìn)入飽和狀態(tài)（和非線性運(yùn)行），而不會(huì)損害霍爾效應(yīng)器件。

封裝功耗?最大封裝功耗極限基于安全、可靠接點(diǎn)溫度時(shí)的運(yùn)行情況。下面按照熱阻（和 T_A = +25°C 時(shí)的最大功率）對(duì)使用中的兩種封裝類型進(jìn)行了規(guī)定。

• “U”封裝：R_θJA = 183°C/W (P _D = 683 mW)
  [編者注：R_θJA 額定功率 184 是正確的。]

• “UA”封裝：R_θJA = 206°C/W (P _D = 606 mW)
  [編者注：R_θJA 額定功率 165 是正確的。]

建議最大接點(diǎn)溫度為 150° [編者注：現(xiàn)在高達(dá) 165°C。] 此溫度時(shí)的損耗等于零。然而，最新的線性器件允許高達(dá) 200°C 的非經(jīng)常性（即：瞬時(shí)）偏移（環(huán)境溫度 T_A ≤ 170°C）。

內(nèi)部功率 (P_D) 包含兩個(gè)因素：(a) 霍爾效應(yīng)器件電源 (I_CC × V_CC) 和 (b) IC 輸出功率 (I_OUT × V_OUT(SAT))。通常，電源 (a) 抑制輸出損耗 (b)，并且對(duì)于 5 V 的運(yùn)行情況，功率損耗通常為 ≤40 mW。功率損耗 ≤40 mW 時(shí)，器件的接點(diǎn)溫度可能比環(huán)境溫度 (T_J ≤ T_A + [P_D × R_θJA]) 升高 ≈ 8°C。

內(nèi)部功率（通常）不是霍爾效應(yīng)器件的限制因素，但設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)理解器件功率損耗的基本結(jié)果及其與評(píng)價(jià)傳感器 IC 接點(diǎn)溫度的關(guān)系。IC（和系統(tǒng)）的可靠性與所有系統(tǒng)部件的溫度具有反向相關(guān)性。周圍溫度和接點(diǎn)溫度越高，任何系統(tǒng)的預(yù)期壽命和可靠性越低。

特殊的線性霍爾效應(yīng)器件參數(shù)

電流感測(cè)應(yīng)用需要關(guān)注許多不同的線性霍爾效應(yīng)器件特性，后面會(huì)簡(jiǎn)要描述這些參數(shù)。隨后，將重點(diǎn)從準(zhǔn)確度、溫度效應(yīng)、線性度、對(duì)稱度等方面對(duì)許多特性和參數(shù)進(jìn)行具體表述。

電壓輸出 ? 如前所述，比率測(cè)量線性霍爾傳感器 IC 提供與電流感應(yīng)的外加磁場(chǎng)成正比的輸出電壓，如圖 2 所示。在保證極限值時(shí)，輸出規(guī)定為灌電流和拉電流 ±1 mA。根據(jù)圖 2、3 和 4，可用范圍為 ≥±2.0 V，電源 5 V。如前所述，沒(méi)有磁場(chǎng)（或感應(yīng)電流）時(shí)，靜態(tài)輸出電壓為 1 ? 2 電源電壓。穩(wěn)定且穩(wěn)壓良好的電源對(duì)于正常運(yùn)行至關(guān)重要，否則，輸出電壓會(huì)隨著供電的任何變化而波動(dòng)。[編者注：最新的性能特性見(jiàn) Allegro 選型指南。]

帶霍爾效應(yīng)傳感器 IC 的電路負(fù)載 ? 線性霍爾效應(yīng)器件對(duì)被感測(cè)導(dǎo)體不產(chǎn)生負(fù)載。“無(wú)斷開(kāi)”、“非插入”技術(shù)的基礎(chǔ)是，被感測(cè)導(dǎo)體周圍形成一個(gè)“環(huán)形線圈”。在導(dǎo)線周圍形成一個(gè)軟鐵圈，而不是將導(dǎo)線穿過(guò)環(huán)形線圈（圖 6A 和 6B）。這樣就可以在不需要斷開(kāi)電力系統(tǒng)中任何導(dǎo)體的情況下，進(jìn)行電流感測(cè)（“無(wú)斷開(kāi)”環(huán)形線圈如圖 6C 所示）。

圖 6A.環(huán)形電流感測(cè)應(yīng)用 (<15 A)

圖 6B.環(huán)形電流感測(cè)應(yīng)用 (>15 A)

圖 6C.“無(wú)斷開(kāi)”電流感測(cè)應(yīng)用

電流過(guò)載公差 ? 如前所述，超過(guò)線性霍爾效應(yīng) IC 范圍的導(dǎo)體電流迫使輸出進(jìn)入非線性飽和狀態(tài)。過(guò)大的電流不會(huì)損害或毀壞傳感器 IC。然而，如果導(dǎo)體過(guò)熱，持續(xù)的極端過(guò)載電流會(huì)導(dǎo)致起火或安全危害，并造成險(xiǎn)情。

霍爾效應(yīng)電流傳感器的響應(yīng)時(shí)間 ? 檢查使用霍爾效應(yīng)技術(shù)和環(huán)形線圈的一些電流感測(cè)器件，可以了解更廣范圍的傳感器 IC 響應(yīng)時(shí)間。這些響應(yīng)時(shí)間（包含放大器）大多在 ≈ 7 ms 至 ≈ 15 ms 范圍，其他的低于或高于這些限值。試驗(yàn)（通常）指定 di/dt = 100 A/ms；規(guī)定的線性電流范圍從相當(dāng)?shù)?(

霍爾效應(yīng)傳感器 IC 帶寬 ? 現(xiàn)今大多數(shù)線性霍爾效應(yīng) IC 的可用帶寬為 ≥ 20 kHz。在這一頻率之上，信號(hào)電壓變化很小。然而，頻率稍低時(shí)，顯而易見(jiàn)的相移變得明顯。不同 IC 和供應(yīng)商之間有一些明顯變化，但是超過(guò) ≈ 20 kHz 時(shí)的衰減很陡。盡管所有線性霍爾效應(yīng)器件的 ?3 dB 衰減截止頻率不一致，但 20 kHz 至 25 kHz 是有效的近似值。

具有代表性的示波器繪圖顯示了霍爾傳感器 IC 信號(hào)上的頻率效應(yīng)。從直流至 500 Hz（圖 7），沒(méi)有出現(xiàn)可識(shí)別的相移。頂部信號(hào)為霍爾效應(yīng)器件電壓，下部軌跡為繞組（線圈）電流。

圖 7。500 Hz 時(shí)的 V_OUT （上部）對(duì) I_IN （下部）

輸入速率為 10 kHz 時(shí)，相移變得相當(dāng)明顯（圖 8），在 20 kHz 時(shí)很明顯（圖 9）。注：在有缺口的環(huán)形線圈上用 20 匝進(jìn)行試驗(yàn)；三個(gè)繪圖的電壓比例不相同。其他中頻繪圖顯示相似相移，但是因空間限制而未包括。[編者注：限制指的是出版原圖狹窄。]

圖 8。10 kHz 時(shí)的 V_OUT （上部）對(duì) I_IN （下部）

圖 9。20 kHz 時(shí)的 V_OUT （上部）對(duì) I_IN （下部）

而且，需要注意的是，這一帶寬限制與線性傳感器 IC 相關(guān)。在此工作頻率范圍內(nèi)，磁學(xué)（和感應(yīng)耦合）絕對(duì)不是帶寬限制因素。

顯然，由于這些帶寬限制，霍爾傳感器 IC 不能在正常的、聽(tīng)不見(jiàn)的工作頻率 (>20 kHz) 下感測(cè)使用功率 OSFET 或 IGBT 的大功率 PWM 電路，但線性霍爾效應(yīng)器件對(duì)直流和主電源是可行的。

線性霍爾效應(yīng)器件對(duì)功率應(yīng)用的響應(yīng) ? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)者面臨越來(lái)越苛刻的功率“預(yù)算”，并且尋求保存電流和功率的技術(shù)。電池供電設(shè)計(jì)和電池“備用”設(shè)計(jì)是特別關(guān)注的方面，因而需要詳細(xì)檢查能夠縮減功率的任何方法。

有一種循環(huán)技術(shù)以短暫間隔接通電源，然后以較長(zhǎng)周期關(guān)閉電源，從而可以（定期）激活傳感器 IC。平均功率與工作周期有關(guān)。因此，對(duì)于低工作周期的應(yīng)用，消耗的功率可大幅減少。固定電壓 IC 穩(wěn)壓器（帶有“啟用”輸入）是切換霍爾效應(yīng)器件電源和降低平均功率的非常可行的電路技術(shù)。

顯然，線性霍爾效應(yīng) IC 提供穩(wěn)定可用信號(hào)所需的時(shí)間是非常重要的，因此對(duì)兩個(gè)不同的線性霍爾效應(yīng)器件進(jìn)行評(píng)價(jià)，以確定它們的加電響應(yīng)特性。這兩個(gè)器件顯示不同屬性，示波器圖形描繪了將功率施加到線性器件上時(shí)器件的動(dòng)態(tài)工作情況。這些繪圖包含 5% 的窗口，用于比較電壓達(dá)到最終數(shù)值時(shí)的信號(hào)設(shè)置。

與使用正交霍爾效應(yīng)元件的上一代器件相比，最新的線性霍爾效應(yīng)器件（帶有動(dòng)態(tài)正交偏移消除）響應(yīng)慢。早先的系列（A3506 等）在不到 1 ms 內(nèi)下降至最終電壓的 95%（見(jiàn)圖 10），需要約 15 ms （見(jiàn)圖 11）達(dá)到最終值。顯而易見(jiàn)的權(quán)衡選擇：速度相對(duì)于加電時(shí)信號(hào)電壓的準(zhǔn)確度和分辨率

圖 10。A3506 功率提高 (0.2 μs/div.) 

圖 11。A3506 功率提高 (2.0 μs/div.)

最新的器件（A3515 和 A3516）顯示響應(yīng)更慢（≈ 25 μs 至 ≥95%，對(duì)于最終的穩(wěn)定電壓電平，為 ≈ 40 μs）。這些繪圖揭示了性能相對(duì)于響應(yīng)速度和功率節(jié)省潛力的基本權(quán)衡。

圖 12。A3515 加電(5.0 μs/div.)

線性霍爾傳感器器件/環(huán)形線圈磁滯 ? 試驗(yàn)在 ±6 A 條件下進(jìn)行，感應(yīng)產(chǎn)生明顯的輸出電壓信號(hào)擺動(dòng)，這說(shuō)明涉及磁滯的任何誤差相當(dāng)少（≈ 對(duì)于線性霍爾效應(yīng)器件 (A3516) 和有缺口的環(huán)形線圈組合，誤差為 1%）。線性霍爾傳感器 IC 不顯示磁滯，這是其固有屬性。然而，不同的有槽環(huán)形線圈（和不同的磁性材料）可能具有不同磁滯性能。

實(shí)際測(cè)量的電壓差動(dòng)范圍為 ≈ 16 mV 至 ≈ 22 mV，變化 >2.1 V。使用鐵氧體磁芯時(shí)，磁滯是個(gè)小問(wèn)題，但是其他鐵芯（例如鐵粉）可能顯示不同特性。

因此，對(duì)具體的環(huán)形線圈和相關(guān)線性傳感器 IC 進(jìn)行全面、徹底評(píng)價(jià)是非常明智的建議，并且推薦進(jìn)行。

鐵芯（環(huán)形線圈）飽和 ? 鐵芯飽和通常不是問(wèn)題。對(duì)于使用足夠匝數(shù)將霍爾效應(yīng)器件輸出電壓驅(qū)至將近滿量程（最大設(shè)計(jì)電流）的電流傳感器應(yīng)用設(shè)計(jì)，首先將傳感器 IC 感應(yīng)成飽和狀態(tài)。為了獲得最佳準(zhǔn)確度，使用的匝數(shù)應(yīng)將輸出電壓過(guò)渡感應(yīng)至（正好）不使傳感器 IC 飽和（稍后詳述）。

零交越 ?  對(duì)于線性霍爾效應(yīng)傳感器 IC，零交越相當(dāng)于零磁場(chǎng)（ B = 0 且 0 A 時(shí)，沒(méi)有感應(yīng)磁通場(chǎng)）。零磁場(chǎng)時(shí)，霍爾效應(yīng)器件輸出電壓等于 1 ? 2 電源電壓（即靜態(tài)輸出電壓）。

線性霍爾效應(yīng)器件的寬帶輸出噪聲 ? 這些線性霍爾效應(yīng) IC 的寬帶噪聲無(wú)關(guān)緊要，其數(shù)值與所選器件有關(guān)。對(duì)于最新的穩(wěn)定線性霍爾效應(yīng) IC 系列，試驗(yàn)用的技術(shù)參數(shù)為：

• B = 0

• BW = 10 Hz 至 10 kHz

• I _OUT ≤1 mA

對(duì)于兩個(gè)系列的線性器件，典型的等效輸入噪聲電壓 (V_n) 數(shù)值為：

• A3506、A3507、A3508：125 mV

• A3515、A3516：400 mV

假定這些霍爾效應(yīng)器件的最低靈敏度為 2.5 mV/G，而且磁通強(qiáng)度很低時(shí)不可能進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量（稍后詳述），那么，寬帶噪聲的后果（通常）是非常小的問(wèn)題。其他因素（尤其是隨著溫度發(fā)生的靜態(tài)輸出電壓漂移）更重要。

系統(tǒng)溫度 ? 這是需要考慮的關(guān)鍵因素，必須很好地理解并正確規(guī)定溫度范圍（沒(méi)有很大的裕度）。控制此重要設(shè)計(jì)要素對(duì)實(shí)現(xiàn)合理準(zhǔn)確度大有裨益。注：開(kāi)環(huán)設(shè)計(jì)不能輕易解決小的電流變化。≈ 1% 的鐵芯磁滯可以排除此小電流變化，并且不需要考慮對(duì)線性霍爾效應(yīng)器件輸出參數(shù)及其與性能的關(guān)系所造成的其他（和更嚴(yán)重）溫度效應(yīng)。

靜態(tài)輸出電壓（直流偏移） ? 實(shí)質(zhì)上，比率測(cè)量線性霍爾 IC 的直流偏移與其從額定靜態(tài)輸出電壓（即 1 ? 2 電源電壓）的偏移有關(guān)。由于缺乏系統(tǒng)校準(zhǔn)或單獨(dú)“查找”表，此直流參數(shù)確實(shí)會(huì)影響使用線性霍爾 IC 的所有電流感測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。查看圖 3 和 4，以及表 2 和 3，直流偏移（ V _OQ 或靜態(tài)輸出電壓）的重要性不大。

最新的比率測(cè)量霍爾效應(yīng)傳感器 IC 規(guī)定直流靜態(tài)輸出電壓極限為 1 ? 2 電源電壓 ±0.2 V [編者注：見(jiàn)附錄。]。使用線性霍爾效應(yīng) IC 時(shí)，在霍爾效應(yīng)器件運(yùn)行溫度范圍內(nèi)的靜態(tài)輸出電壓漂移相當(dāng)于 ±10 高斯。

靜態(tài)電壓的一個(gè)重要方面是其公差極限。當(dāng)前規(guī)范給出的是 ±0.2 V [編者注：見(jiàn)附錄。] 從標(biāo)稱值來(lái)看，這會(huì)轉(zhuǎn)化為 ±8% 的最大誤差，而且沒(méi)有任何溫度造成的效應(yīng) (A3515/3516)。顯然，此潛在誤差因素是難以克服的約束條件，如果準(zhǔn)確的電壓是系統(tǒng)性能的先決條件，則必須認(rèn)真考慮這一因素。

調(diào)節(jié)供電電壓至 2.5 V 標(biāo)稱電壓，可以采用這種方式對(duì)靜態(tài)輸出電壓進(jìn)行直流補(bǔ)償，但是這樣會(huì)影響靈敏度，而且生產(chǎn)中不容許出現(xiàn)任何相關(guān)偏移。根據(jù)圖 3 和 4，升高供電電壓會(huì)補(bǔ)償?shù)挽o態(tài)輸出電壓，降低供電電壓會(huì)補(bǔ)償高靜態(tài)電壓。然而，這樣的補(bǔ)償對(duì)靈敏度產(chǎn)生負(fù)面影響，會(huì)抵消將靜態(tài)電壓“歸零”的積極方面。

因?yàn)樽钚碌木€性器件的靈敏度規(guī)范包含 ±10% 公差，并且沒(méi)有任何溫度效應(yīng)，因此“歸零”靜態(tài)輸出電壓（至 2.5 V）以避免靜態(tài)輸出電壓的 ±8% 誤差似乎相當(dāng)荒謬。

對(duì)于“優(yōu)質(zhì)”型初期線性器件，直流漂移等于 ±20 高斯，對(duì)于“有限”溫度元件，漂移范圍至 ±50 高斯。而且，先前 IC 的靜態(tài)輸出電壓的公差范圍比帶偏移消除的最新 IC 更寬。

這會(huì)妨礙設(shè)計(jì)在廣泛溫度范圍運(yùn)行的準(zhǔn)確、精密線性感測(cè)系統(tǒng)的能力。設(shè)計(jì)所需的電流感測(cè)緊密公差一定會(huì)遇到并要協(xié)調(diào)任何與靜態(tài)輸出電壓（數(shù)值和漂移）相關(guān)的問(wèn)題，這些問(wèn)題在章節(jié)“開(kāi)環(huán)線性霍爾傳感器 IC 的準(zhǔn)確度”中詳細(xì)討論。

采用上面提到的漂移關(guān)系，最大靜態(tài)輸出電壓漂移偏差可以非常近似。這些計(jì)算基于（標(biāo)稱）線性靈敏度：

 

• A3515：±10 G × 5.0 mV/G ≈ ±50 mV

• A3516：±10 G × 2.5 mV/G ≈ ±25 mV

• A3506：±20 G × 2.5 mV/G ≈ ±50 mV

• A3507：±35 G × 2.5 mV/G ≈ ±87 mV

• A3508：±50 G × 2.5 mV/G ≈ ±125 mV

實(shí)質(zhì)上，如果靜態(tài)電壓漂移是重要標(biāo)準(zhǔn)，而最大靈敏度不是首要考慮因素，此列表將 A3516 確立為首選線性器件。在電流感測(cè)應(yīng)用中，需要雙倍匝數(shù)（相對(duì)于 A3515）來(lái)獲得相同的電壓擺幅。

對(duì)于滿量程電壓擺幅 (≥±2.0 V)，A3516 的最大誤差是 ≤±1.3%，但是，靜態(tài)電壓漂移始終是 <±3 G（對(duì)于 A3516，為≈ ±7.5 mV）。該誤差因素取決于溫度；因此，應(yīng)采用足夠匝數(shù)將輸出驅(qū)至接近滿量程。這樣會(huì)將溫度相關(guān)靜態(tài)輸出電壓漂移的整體效應(yīng)減少到最低程度。因此，由于 ΔV_OQ 錯(cuò)誤百分比較低，強(qiáng)烈建議接近全范圍運(yùn)行。

對(duì)傳感器 IC 靈敏度的溫度影響 ? 前面已經(jīng)描述了兩類新線性器件的標(biāo)稱靈敏度（和范圍）。然而，沒(méi)有規(guī)定電路公差。IC 有不同的標(biāo)稱靈敏度；然而，溫度相關(guān)最大漂移是相同的。在此重述靈敏度和范圍，并增加公差，從而得出下述霍爾效應(yīng) IC 參數(shù)和器件溫度漂移：

• A3515：靈敏度，5.0 mV/G ±10%

• Δ靈敏度 (ΔT)，T_A= Max, -2.5% (min), +2.5% (typ), +7.5% (max)

• Δ靈敏度 (ΔT)，T_A= Min, -9.0% (min), -1.3% (typ), +1.0% (max)

• 磁場(chǎng)范圍，≥±400 G (≥±2.0 V)

• A3516：靈敏度，2.5 mV/G ±10%

• Δ靈敏度(ΔT)，T_A= Max,-2.5% (min), +2.5% (typ), +7.5% (max)

• Δ靈敏度(ΔT)，T_A= Min,-9.0% (min), -1.3% (typ), +1.0% (max)

• 磁場(chǎng)范圍，≥±800 G (≥±2.0 V)

• 溫度范圍：

• T_A(min)，-40°C

• T_A(max)，85°C 或 125°C

實(shí)質(zhì)上，開(kāi)環(huán)線性霍爾效應(yīng)器件可獲得的準(zhǔn)確度與直流偏移和靈敏度有關(guān)。

開(kāi)環(huán)線性霍爾傳感器 IC 的準(zhǔn)確度 ? 在任何古典推理中，涉及該節(jié)點(diǎn)的推斷都很復(fù)雜。由于精密、嚴(yán)格測(cè)量要求日益增加，接下來(lái)將簡(jiǎn)明解釋與獲得“準(zhǔn)確度”和可靠性相關(guān)的要素。準(zhǔn)確度、重復(fù)性、成本等因素相互關(guān)聯(lián)。

盡管可以定義參數(shù)最大值，但對(duì)準(zhǔn)確度的累積影響卻是非常模糊。而且，所有最壞情況下的誤差不可能同時(shí)發(fā)生。對(duì)成本敏感的設(shè)計(jì)越來(lái)越基于典型器件規(guī)格，這可能導(dǎo)致不能輕易降低的小故障率（盡管在允許范圍內(nèi)）。

準(zhǔn)確描述“開(kāi)環(huán)”電流感測(cè)的絕對(duì)準(zhǔn)確度不在本文范圍內(nèi)。然而，對(duì)要素進(jìn)行回顧可以為分析提供支撐。

• 磁滯 (hys)，≈ ±1%

• 輸出靜態(tài)電壓， V_OQ，±8% [編者注：見(jiàn)附錄。]

• A3515 或 A3516：2.5 V ±0.2 V

• 輸出靜態(tài)電壓漂移，ΔV_OQ，±10 G

• A3515：≤± 50 mV

• A3516：≤± 25 mV

• T_A = Max 時(shí)的靈敏度，±10%

• A3515：5.0 mV/G

• A3516：2.5 mV/G

• Δ以下情況時(shí)的靈敏度：

• T_A = Max，-2.5% 至 +7.5%

• T_A = Min，-9.0% 至 +1.0%

• 正/負(fù)線性度，≈ 99.7%

• 對(duì)稱度，≈ 99.7%

• 寬帶噪聲，e_n，400 μV

顯然，這些要素中的一部分對(duì)獲得準(zhǔn)確的電流感測(cè)至關(guān)重要，而另一些無(wú)關(guān)緊要。從根本上說(shuō)，與磁滯、線性度、對(duì)稱度和寬帶噪聲相關(guān)的誤差重要性不大。與靜態(tài)電壓和靈敏度有關(guān)的因素絕對(duì)對(duì)進(jìn)行任何準(zhǔn)確、精密電流感測(cè)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

與靜態(tài)輸出電壓漂移有關(guān)的誤差取決于范圍和器件。±10 G（通常為

靜態(tài)輸出電壓公差列為百分?jǐn)?shù)（≤±8% [編者注：見(jiàn)附錄。]）。這是根據(jù)標(biāo)稱比率測(cè)量（1 ? 2 電源電壓 = 2.5 V）和規(guī)定限值 ≤±0.2 V 預(yù)測(cè)的 [編者注：見(jiàn)附錄。]。由于大多數(shù)線性霍爾傳感器 IC 更接近標(biāo)稱值 (≤±0.1 V),因此 ±8% 公差代表一種“最壞情況下”的靜態(tài)輸出電壓情形。

靈敏度參數(shù)也會(huì)造成相當(dāng)大的潛在誤差。然而，這些列出內(nèi)容相當(dāng)于最壞情況分析。此外，靈敏度和溫度效應(yīng)之間的關(guān)系尚未完全確定。器件的靈敏度和溫度導(dǎo)致的漂移接近任何一個(gè)極限時(shí)，器件之間是否存在一致的相關(guān)性尚未確定。溫度相關(guān)的效應(yīng)可能為零，或者極小（溫度消除任何累積偏差），或者累積（溫度進(jìn)一步加劇公差）。

根據(jù)已經(jīng)發(fā)布的參數(shù)和限制，開(kāi)環(huán)電流感測(cè)設(shè)計(jì)的預(yù)期結(jié)果不容易低于 ≈ ±10% 至 ±15%。然而，在根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù) (A3515/16) 回顧最新的繪圖時(shí)，提高測(cè)量準(zhǔn)確度的預(yù)期（絕對(duì)）有所提高。

兩個(gè)繪圖（圖 13 和 15）描繪了 V_OQ 相對(duì)于溫度的情況。+25°C 的數(shù)據(jù)記錄 A3515 的最小值為 2.468 V；最大值為 2.512 V；A3516 的范圍為最小值 2.464 V 至最大值 2.501 V。這個(gè)范圍比規(guī)定范圍嚴(yán)格得多。IC 的 -3 西格瑪極限為：2.457 V (A3515) 和 2.462 V (A3516)。+3  西格瑪極限為 2.520 V (A3515) 和 2.509 V (A3516)，在這些線性器件靜態(tài)輸出電壓的發(fā)布公差 ±8% 范圍內(nèi)，這些電壓值可以很好地轉(zhuǎn)換 [編者注：見(jiàn)附錄。]。

A3515 的數(shù)據(jù)提供如下：

A3516 的數(shù)據(jù)提供如下：

ΔV_OQ 相對(duì)于溫度的數(shù)據(jù)和繪圖記錄顯示比規(guī)定限值 ±10% （之前以毫伏為單位列出）具有更好的性能。圖 14 和 16 顯示 V_OQ 漂移在范圍內(nèi)，并且在大約 +25°C 的任何溫度窄帶范圍內(nèi)，漂移非常小。顯然，溫度范圍影響輸出電壓漂移公差。

因?yàn)檫@些繪圖和數(shù)據(jù)需要特性在霍爾效應(yīng)器件技術(shù)參數(shù)范圍內(nèi)，因此強(qiáng)烈建議認(rèn)真考慮可以達(dá)到的準(zhǔn)確度（尤其是溫度范圍有限時(shí)）。從根本上說(shuō)，要想在不采用校準(zhǔn)和/或補(bǔ)充方法的情況下獲得個(gè)位數(shù) (<10%) 的精確度，溫度效應(yīng)是首要考慮因素。

圖 13。V_OQ 相對(duì)于溫度 (A3515)

圖 14。ΔV_OQ 相對(duì)于溫度 (A3515)

圖 15。V_OQ 相對(duì)于溫度 (A3516)

圖 16。ΔV_OQ 相對(duì)于溫度 (A3516)

靈敏度對(duì)準(zhǔn)確度的影響 ? 靈敏度的繪圖和數(shù)據(jù)證實(shí)新的線性霍爾效應(yīng)器件位于發(fā)布的限制范圍內(nèi)，并描繪了解決準(zhǔn)確度問(wèn)題的另一個(gè)因素（盡管是次要因素）。器件靈敏度及其隨溫度的相關(guān)變化比較保守，盡管沒(méi)有極端的試驗(yàn)裕度。圖 17 至 20 描繪了靈敏度數(shù)據(jù)。

A3515 的數(shù)據(jù)提供如下：

A3516 的數(shù)據(jù)顯示類似屬性：

圖 17。靈敏度相對(duì)于溫度 (A3515)

圖 18。Δ靈敏度相對(duì)于溫度 (A3515)

圖 19。靈敏度相對(duì)于溫度 (A3516)

圖 20。Δ靈敏度相對(duì)于溫度 (A3516)

顯然，數(shù)據(jù)和繪圖都沒(méi)反映比率測(cè)量線性霍爾傳感器 IC 的總體分布。對(duì)準(zhǔn)確度的深入了解是為了說(shuō)明基本必要條件，從而協(xié)調(diào)霍爾效應(yīng)器件進(jìn)行精確電流感測(cè)可達(dá)到的極限，但是這并暗示任何明確的約束條件。最終，應(yīng)用創(chuàng)新、考慮周到的電路設(shè)計(jì)技術(shù)決定開(kāi)環(huán)霍爾效應(yīng)電流感測(cè)的核心限制條件。

校準(zhǔn)和補(bǔ)償 ? 通過(guò)電流感測(cè)設(shè)計(jì)努力使開(kāi)環(huán)準(zhǔn)確度低于 ±10% 時(shí)，應(yīng)考慮替代選擇。進(jìn)行“硬件”校準(zhǔn)和/或補(bǔ)償是昂貴、復(fù)雜的選擇，因此對(duì)于大多數(shù)設(shè)計(jì)而言，應(yīng)予以忽略。

雖然使用一個(gè)比較器（或多個(gè)比較器）校準(zhǔn)或補(bǔ)償來(lái)建立跳變點(diǎn)是可行的，但對(duì)于溫度和靜態(tài)電壓而言，實(shí)現(xiàn)全范圍線性運(yùn)行依然是艱巨的任務(wù)。比較器可以提供離散電流信號(hào)（過(guò)電流、正常運(yùn)行等），并且具有實(shí)用的準(zhǔn)確度，但是它不能（輕易）區(qū)分小的電流變化。

軟件越來(lái)越成為擴(kuò)大霍爾效應(yīng)器件電流感測(cè)準(zhǔn)確度的解決方案。通常，軟件方案涉及微控制器、μPs 或計(jì)算機(jī)，以及軟件校準(zhǔn)/補(bǔ)償方案。

因?yàn)榫€性霍爾效應(yīng)器件的線性度、對(duì)稱度和比率測(cè)定為 ≈ 100%，所以這些誤差因素（在很大程度上）可以忽視。如果系統(tǒng)需要較寬的運(yùn)行范圍，則溫度范圍是確定因素。然而，溫度范圍窄的良性環(huán)境可以減輕設(shè)計(jì)困難。使用軟件（和 μC/μP）開(kāi)發(fā)查找表時(shí)，需要測(cè)量和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)點(diǎn)，用于為每一個(gè)電流傳感器 IC 提供可接受的（并且是單獨(dú)的）校準(zhǔn)技術(shù)。這（通常）涉及下述校準(zhǔn)/補(bǔ)償步驟：

• 測(cè)量和儲(chǔ)存 V_OQ（零電流），

• 測(cè)量和儲(chǔ)存（具體）電流點(diǎn)，

• 用 V_OQ 和數(shù)據(jù)計(jì)算靈敏度，以及

• 測(cè)量/儲(chǔ)存溫度漂移（如果需要）。

確定電流電平時(shí)，需要用到“查找”數(shù)據(jù)，以便使用儲(chǔ)存的 V_OQ 和靈敏度數(shù)據(jù)計(jì)算電流值。

• 測(cè)量 V_OUT 并計(jì)算電流值，以及

• 測(cè)量系統(tǒng)溫度并補(bǔ)償其漂移效應(yīng)（如果系統(tǒng)要求如此）。

實(shí)質(zhì)上，“查找”表對(duì)應(yīng)前面已經(jīng)提及的“校準(zhǔn)的”線性霍爾效應(yīng)器件。該軟件/查找表方法可以輕松達(dá)到 <±10% 準(zhǔn)確度，其極限值（大概 ≈ ±1%）可能受到各種因素的限制，其中涉及軟件開(kāi)發(fā)、必要校準(zhǔn)和補(bǔ)償（包括設(shè)備），以及增加準(zhǔn)確度相關(guān)的成本和時(shí)間。

顯然，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存需要非易失性存儲(chǔ)器進(jìn)行參數(shù)測(cè)定，也需要特殊的初始校準(zhǔn)程序。查找表補(bǔ)償靜態(tài)電壓、靈敏度和溫度效應(yīng)的變化因素。可以利用軟件校準(zhǔn)和補(bǔ)償技術(shù)，將與這些系統(tǒng)準(zhǔn)確度因素相關(guān)的潛在誤差降到最低。盡管這看上去復(fù)雜而且昂貴，但其他解決方案可能比使用低成本 8位 μC 的解決方案更復(fù)雜、更昂貴。

霍爾效應(yīng)傳感器 IC 分類 ? 盡管這一方法可能加強(qiáng)器件輸出參數(shù)；但目前只有符合已公布數(shù)據(jù)表限值的線性器件銷售。其他人提供一些“增值”分類方案，但是這一程序和服務(wù)既不常見(jiàn)也不便宜。盡管如此，一些客戶選擇通過(guò)外部檢測(cè)、分類和按照具體的嚴(yán)格器件限值選擇線性霍爾效應(yīng)器件來(lái)解決艱難的設(shè)計(jì)問(wèn)題。顯然，預(yù)分類的霍爾效應(yīng)器件 IC 可用性的任何改善都能給電流感測(cè)設(shè)計(jì)帶來(lái)明確的優(yōu)勢(shì)，并且“分類的”霍爾效應(yīng)器件的可用性可能改變。

傳感器組件的尺寸和形式 ? 由于可以獲得各種尺寸的環(huán)形線圈選擇(Eastern Components, Inc. 提供)，因此我們不能確定典型尺寸。為了適合霍爾效應(yīng)器件封裝，線圈上帶有專門切割的槽。圖 21 展示了一個(gè)用于六個(gè)不同電流范圍的基本配置（感測(cè)的額定峰值電流為：1 A、3 A、5 A、8 A、10 A 和 100 A）。長(zhǎng)度、高度和寬度有些許變化，最大的版本測(cè)量結(jié)果是長(zhǎng)度 0.950"、高度 1.025"、寬度 0.500"；所有版本為 PCB 通孔形式。

圖 21。霍爾相應(yīng) IC 感測(cè)組件

電流感測(cè)“子系統(tǒng)”的成本 ? 確定以線性霍爾效應(yīng) IC 為基礎(chǔ)的電流傳感器的相關(guān)成本，幾乎與系統(tǒng)準(zhǔn)確度涉及的各類問(wèn)題一樣困難。必需部件（線性霍爾效應(yīng)器件和有槽環(huán)形線圈）的成本容易確定，圖 21 中描繪的完整組件的起始價(jià)格為 ≈ $8.00 （數(shù)量：1000 個(gè)）。[編者注：1997 年的美元估價(jià)。]

有槽鐵芯的成本通常為 <$1.00（即使數(shù)量適度時(shí)也不例外），線性霍爾效應(yīng)傳感器 IC 的成本范圍為 <$2.50 至 <$3.25 （1 000 件）。這個(gè)價(jià)格跨度反映了各類霍爾傳感器 IC 和不同溫度范圍。顯然，總量越高，單位成本減少，對(duì)于批量生產(chǎn)，傳感器 IC/環(huán)形線圈的綜合成本很容易降到低于 $3.00。從鐵芯轉(zhuǎn)換為帶“鑄造”缺口的鐵粉環(huán)形線圈，可以顯著降低總成本。與 $0.80 至 $0.85 的鐵芯不同，類似數(shù)量的鐵粉芯的成本為 ≈ $0.20 至 $0.25。

然而，根據(jù)各個(gè)單獨(dú)的設(shè)計(jì)要求，維修時(shí)間、軟件編程、裝配工作等其他因素會(huì)有較大的變化。顯然，每個(gè)系統(tǒng)的溫度、分辨率和準(zhǔn)確度是影響系統(tǒng)成本的先決條件。開(kāi)發(fā)和實(shí)施溫度范圍寬、分辨率高且非常精確的設(shè)計(jì)，所需要的費(fèi)用與僅僅感測(cè)過(guò)量電流的費(fèi)用有極大不同。過(guò)流故障檢測(cè)應(yīng)用的可用公差范圍非常大（大概 ±20%），但這并不能保證實(shí)現(xiàn)精確的全溫度范圍設(shè)計(jì)所要求的任何軟件“查找”、嚴(yán)格的器件和溫度評(píng)估。

因此，僅能識(shí)別核心部件（和圖 21 的組件）。與軟件創(chuàng)建、系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程等相關(guān)的費(fèi)用不在使用線性霍爾效應(yīng) IC 進(jìn)行電流感測(cè)的范圍內(nèi)。

保護(hù)大功率電子設(shè)備

圖 22 是大功率 IGBT 電流感測(cè)檢測(cè)和保護(hù)的經(jīng)典實(shí)例。對(duì)于交流感應(yīng)電機(jī)或需要全橋或三半橋傳動(dòng)（例如，三相永磁無(wú)刷直流電機(jī)）的其他功率電路，可將此圖與可調(diào)速傳動(dòng) (ASD)的單相聯(lián)系起來(lái)。這樣的配置可以檢測(cè)電源導(dǎo)軌（上部電流傳感器）中的過(guò)量電流。這種情況可能是因?yàn)樵诩せ顚?duì)應(yīng) IGBT 條件下，電源導(dǎo)軌對(duì)地短路，或輸出短路。短路低輸出或高輸出與同一“支腿”相反位置輸出的任意結(jié)合，可導(dǎo)致系統(tǒng)中產(chǎn)生（不安全）過(guò)電流故障。

圖 22。‘’ 帶電流傳感器 IC 的全橋

做為選擇，與繞組（中心傳感器）串聯(lián)的線性傳感器 IC 可以檢測(cè)短路負(fù)載,并監(jiān)控實(shí)際的線圈電流。兩個(gè)位置中的電流傳感器 IC 應(yīng)排除火災(zāi)和安全危害（并保護(hù)任何人員）；并且高速“關(guān)閉”電路可以防止危害到功率輸出（如果設(shè)備維修不當(dāng)?shù)韧獠抗收蠈?dǎo)致過(guò)流）。很明顯，整體電路響應(yīng)速度（關(guān)閉時(shí)間）對(duì)保護(hù)系統(tǒng)和提供安全至關(guān)重要。

總結(jié)和展望

用于開(kāi)環(huán)電流感測(cè)的線性霍爾效應(yīng)傳感器IC 不斷發(fā)展和擴(kuò)大。目前，可用的設(shè)備比之前所有的線性器件優(yōu)異很多，并且在設(shè)計(jì)、處理、封裝、測(cè)試等方面持續(xù)不斷地進(jìn)步。如前所述，如果要使設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和實(shí)施的系統(tǒng)在較寬的工作溫度范圍內(nèi)具有可靠的個(gè)位數(shù)準(zhǔn)確度，當(dāng)今的霍爾效應(yīng)器件的公差和溫度漂移給設(shè)計(jì)人員提出了艱巨的挑戰(zhàn)。

預(yù)計(jì)霍爾效應(yīng)器件性能和溫度穩(wěn)定性方面的進(jìn)展，以及集成更多功能和其他進(jìn)步，會(huì)使線性霍爾效應(yīng)器件更適合更高分辨率的電流感測(cè)。

未來(lái)的線性器件可能允許在霍爾效應(yīng)器件封裝后，對(duì)傳感器 IC 進(jìn)行編程。這將允許用戶調(diào)整增益（靈敏度），校準(zhǔn)輸出靜態(tài)電壓 (V_OQ) 并對(duì)溫度變化問(wèn)題進(jìn)行補(bǔ)償。顯然，這涉及電路設(shè)計(jì)和測(cè)試方面的更復(fù)雜的創(chuàng)新技術(shù)。然而，應(yīng)用此類霍爾傳感器 IC 的機(jī)會(huì)以幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。

自 1960 年代末期實(shí)現(xiàn)集成以后，霍爾效應(yīng)傳感器 IC 經(jīng)歷了革命性的變化。隨著進(jìn)一步發(fā)展和改進(jìn)，對(duì)于新的線性霍爾效應(yīng)器件的應(yīng)用預(yù)期會(huì)擴(kuò)大和增加，以滿足未來(lái)動(dòng)力電子設(shè)備系統(tǒng)的許多新興需求。

致謝

線性霍爾效應(yīng)電流傳感器的標(biāo)志 [編者注：如圖 22 中的應(yīng)用。Χ 標(biāo)志是磁驅(qū)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)表示。] 由 Allegro MicroSystems 公司的前雇員 Raymond Dewey 創(chuàng)造。目前，對(duì)于使用霍爾效應(yīng)技術(shù)的電流傳感器，沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)或公認(rèn)的圖解符號(hào)。

參考資料

課程：P. Emerald，馬里蘭州巴爾的摩，1997 年電力系統(tǒng)世界，第六章，PCIM （電力轉(zhuǎn)換與智能運(yùn)動(dòng)）電力電子研究院，電流感測(cè)原理中的“用于功率轉(zhuǎn)換和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用的開(kāi)環(huán)電流感測(cè)”；以及此為期一天的職業(yè)進(jìn)展課程各章節(jié)的編著者。

研討會(huì)：P. Emerald 和 Joe Gilbert，加州長(zhǎng)灘，1995 年電力系統(tǒng)世界，“用于運(yùn)動(dòng)控制和定位應(yīng)用的集成式霍爾效應(yīng)傳感器”。

附錄

由于本文寫于 1997 年 12 月，目前 A3515 和 A3516 比率測(cè)量線性霍爾效應(yīng)傳感器 IC 已被 A132x 系列取代。可以從 Allegro 網(wǎng)站 A1324-5-6獲取關(guān)于新系列的信息。

另外，初次出版之后，對(duì) A3515 和 A3516 比率測(cè)量線性霍爾效應(yīng)傳感器 IC 的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了更改。1998 年 4 月，新的嚴(yán)格靜態(tài)輸出電壓極限從最初的 2.5 V ±0.2 V 更改為 2.5 V ±0.075 V。除了靜態(tài)輸出電壓極限升級(jí)，有效的線性電流范圍可以通過(guò)加寬環(huán)形線圈缺口（槽）的方式進(jìn)行拓展，從而將“磁耦合”脫敏。

根據(jù)名為“靜態(tài)輸出電壓（直流偏移）”的章節(jié)所述，技術(shù)參數(shù)最初通常將比率測(cè)量輸出列為 2.5 V。極限值為 2.3 V （最小值）和 2.7 V （最大值），器件工作溫度范圍內(nèi) V_CC = 5 V。此改善影響使用比率測(cè)量線性霍爾效應(yīng)傳感器 IC 的系統(tǒng)能達(dá)到的準(zhǔn)確度（見(jiàn)名為“開(kāi)環(huán)線性霍爾傳感器 IC 準(zhǔn)確度”的章節(jié)）。

如前所述，本文給出了下述輸出靜態(tài)電壓極限：

V_OQ ..................................2.48 V 至 2.52 V (±8%)

升級(jí)的技術(shù)參數(shù)顯示輸出靜態(tài)電壓極限如下：

V_OQ ..............................2.425 V 至 2.575 V (±3%)

此嚴(yán)格的技術(shù)規(guī)格顯著提高了通過(guò)這些線性比率測(cè)量霍爾效應(yīng)傳感器 IC 實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確測(cè)量的能力。這意味著個(gè)位數(shù)準(zhǔn)確度對(duì)于一些設(shè)計(jì)成為現(xiàn)實(shí)（尤其是那些溫度波動(dòng)受限的設(shè)計(jì)）。

線性電流范圍 ? 根據(jù)關(guān)于線性電流范圍的初始材料（第 5 頁(yè)），帶有“緊密”磁耦合(?60 毫安差距，以匹配傳感器封裝）的范圍不變：

A3515：≥±400 G ÷ 6.9 G/A ? ±58 A

A3516：≥±800 G ÷ 6.9 G/A ? ±116 A

通過(guò)擴(kuò)展（加寬）環(huán)形線圈的槽可以輕松實(shí)現(xiàn)磁耦合“脫敏”。磁耦合脫敏首先要把槽增加至 3 mm （≈  封裝體的兩倍），這樣就降低了磁通耦合，并增加了電流上限，如下：

A3516：≥±800 G ÷ 3.85 G/A ? ±210 A

試驗(yàn)表明，傳感器 IC 殼體布置對(duì)磁耦合沒(méi)有影響。將“校準(zhǔn)的”線性霍爾效應(yīng)傳感器 IC 殼體置于中心，輸出信號(hào)與將殼體置于槽面上時(shí)的輸出信號(hào)相同。因?yàn)樵S多用戶努力想獲得更高的電流范圍，所以我們進(jìn)行了另一次評(píng)估（從 Eastern Components, Inc. 獲得新的鐵氧體環(huán)形線圈之后）。

將環(huán)形線圈缺口擴(kuò)大至 6 mm （即：比封裝厚度尺寸多 4×)，將電流范圍極限再次擴(kuò)展。這一“脫敏”的磁耦合增加了最大電流極限，按照下述計(jì)算：

A3516：≥±800 G ÷ 1.7 G/A ? ±470 A

在可以獲得不同尺寸缺口的環(huán)形線圈后，需要進(jìn)一步評(píng)估。這樣應(yīng)該能提供更完整（盡管有重疊）電流范圍集（上限還未知）。另外，其他環(huán)形線圈材料（尤其是鐵粉）有待評(píng)估。

總結(jié)

嚴(yán)格的靜態(tài)輸出電壓公差使比率測(cè)量線性霍爾效應(yīng)器件的準(zhǔn)確度更好，加寬環(huán)形線圈槽可以增加這些器件的最大電流極限。

本文于 1998 年 5 月 6 日發(fā)表在俄亥俄州立大學(xué)召開(kāi)的國(guó)際家電技術(shù)大會(huì)上。轉(zhuǎn)載需經(jīng)許可。

STP98-1