電流傳感器廣泛應用于各種場合。常見的技術是電阻式電流傳感，即測量分流電阻上的電壓降來確定未知電流。基于分流電阻的解決方案不提供電氣隔離，并且在測量大電流時功率效率較低。

另一種廣泛使用的技術基于霍爾效應。霍爾效應電流傳感器由于其傳感器與待測電流之間的電氣隔離，提供了更高的安全性。它還避免了電阻式電流傳感方法中使用的分流電阻產生的高功耗。

在本文中，我們將了解霍爾效應電流傳感器的基礎知識。

開環電流傳感

基于霍爾效應的開環電流傳感器的結構如圖1所示。

待測電流通過置于磁芯內的導體流動。這樣，電流就在芯內產生了磁場。這個磁場由放置在核心氣隙中的霍爾效應傳感器測量。

霍爾傳感器的輸出是與芯磁場成比例的電壓，而磁場又與輸入電流成比例。霍爾元件產生的信號通常由信號調理電路處理。信號調理電路可以是簡單的放大級，或者是更復雜的電路，旨在消除霍爾元件的漂移誤差等。

為什么我們需要磁芯?

假設沒有磁芯。在距離無限長直導體 r 的地方，攜帶電流 I 的磁場由以下公式給出：

這里的 μ0 是自由空間的磁導率。對于 I=1 A，r=1 cm，我們得到：

為了感受這個磁場有多小，注意到地球的磁場約為 0.5 Gauss。因此，通過感測其在自由空間中產生的磁場來測量 1 A 電流是非常具有挑戰性的。為了解決這個問題，我們可以使用磁芯來限制和引導電流產生的磁場。磁芯為磁場提供了高磁導率的路徑，并充當了場集中器。磁芯內部的磁場可以比電流在自由空間中產生的磁場大數百或數千倍。

空氣間隙

如圖1所示，磁芯設計有一個氣隙，霍爾傳感器就放置在這個氣隙中。氣隙可能導致渦流效應現象，其中一些磁通線偏離其直線路徑，從而沒有按照預期通過傳感器。圖2顯示了這種渦流效應。

由于渦流效應，霍爾元件感測到的磁通密度可能小于磁芯內部的磁通密度。換句話說，氣隙可能降低磁芯將初級電流轉化為強磁場的有效性。然而，如果氣隙長度相對于橫截面積較小，則渦流效應的影響可以相對較小。

我們需要氣隙以測量磁芯內部的磁場。此外，氣隙使我們可以修改磁芯的整體磁阻。請注意，高電流可以在磁芯內部產生較大的磁場并使其飽和。這可能限制可測量的最大電流。通過調整氣隙長度，我們可以改變磁芯的飽和水平。圖3顯示了對于給定磁芯，感測到的磁通密度如何隨氣隙長度變化。

在較小的氣隙下，我們可以實現更大的磁增益(高斯每安培增益)。然而，較小的氣隙可能使磁芯在相對較小的電流下飽和。因此，氣隙的長度直接影響可測量的最大電流。除了氣隙長度，還有其他因素，例如磁芯材料、磁芯尺寸和磁芯幾何形狀，決定了磁芯的效率。有關適合高電流應用(>200 A)的磁芯的更多信息，請參考Allegro的應用說明。

開環電流傳感的局限性

在開環配置中，非理想效應，例如線性和增益誤差，可能影響測量準確性。例如，如果傳感器的靈敏度隨著溫度變化，則輸出將出現溫度相關的誤差。此外，在開環電流傳感中，磁芯易于飽和。此外，霍爾傳感器的偏移以及磁芯的矯頑力可能會導致誤差。

閉環電流傳感

閉環霍爾效應電流傳感技術如圖4所示。

顧名思義，這種技術基于負反饋概念。在這種情況下，存在一個由反饋路徑輸出驅動的次級繞組。反饋路徑感測磁芯內部的磁場，并調整次級繞組中的電流，使得磁芯的總磁場變為零。讓我們看看這個電路是如何工作的。

待測電流通過主導體流動并在磁芯內部產生一個磁場。這個磁場由放置在核心氣隙中的霍爾效應傳感器測量。霍爾傳感器的輸出是與核心磁場成比例的電壓，該電壓被放大并轉換為通過次級繞組的電流信號。系統設計成次級繞組中的電流產生一個與主電流磁場相反的磁場。總磁場為零時，我們應有：

其中 Np 和 Ns 分別是主繞組和次級繞組的匝數;Ip 和 Is 是主電流和次級電流。在圖4中，我們有 Np = 1 和

。因此，我們得到：

這給了我們一個與主電流成比例的電壓。注意，比例因子

是匝數和分流電阻值的函數。匝數是一個常數，電阻也非常線性。

開環與閉環電流傳感的比較

閉環架構中采用的負反饋使我們能夠減少非理想效應，例如線性和增益誤差。這就是為什么與開環配置不同，閉環架構不會受到傳感器靈敏度漂移的影響。因此，閉環配置提供了更高的準確性。閉環電流傳感器對磁芯飽和的魯棒性更強，因為磁芯內部的磁通密度非常小。

在閉環傳感中，次級繞組由高功率放大器主動驅動。在閉環架構中使用的額外組件導致更大的電路板面積、更高的功耗以及更高的價格。

穩定性問題是閉環電流傳感器的另一個缺點。在閉環配置中，我們需要推導系統傳遞函數，并確保系統穩定。一個不穩定的系統可能會在輸入電流快速變化時表現出超調或振鈴。為了使閉環系統穩定，我們通常需要限制其帶寬。然而，降低系統帶寬可能會增加響應時間，使系統無法對輸入的快速變化做出反應。開環配置通常期望表現出更快的響應時間。

請注意，無論是在閉環還是開環配置中，霍爾傳感器的偏移都可能導致誤差。優質的銻化銦(InSb)霍爾元件的偏移通常為 ±7 mV。

現代集成解決方案

值得一提的是，現代基于霍爾效應的電流傳感器采用創新技術來解決上述一些限制。例如，TI 的 DRV411 是一個信號調理集成電路，專為閉環電流傳感應用設計，使用電流旋轉技術消除霍爾元件的偏移和漂移誤差。該技術如圖5所示。

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