電流傳感器在各類應用場景中廣泛使用。傳統電阻式電流檢測技術通過測量分流電阻兩端的壓降來推算電流值，但這類方案無法實現電氣隔離，且在測量大電流時能效較低。

另一種主流技術基于霍爾效應原理。霍爾電流傳感器通過感應被測電流產生的磁場進行非接觸測量，其電氣隔離特性可提供更高的安全性，同時避免了分流電阻方案中的功率損耗問題。本文將深入解析霍爾電流傳感器的基本原理。

開環電流檢測技術

圖1展示了開環式霍爾電流傳感器的典型結構。被測電流流經磁芯內部的導體，在磁環內產生感應磁場。置于磁芯氣隙中的霍爾元件將檢測該磁場強度，并輸出與輸入電流成正比的電壓信號。該信號通常需要經過調理電路處理，可能包含簡單放大或復雜的漂移補償等功能。

磁芯的必要性分析

假設取消磁芯結構，根據畢奧-薩伐爾定律，1A電流在1cm距離處產生的磁場僅為0.2高斯(地磁場約0.5高斯)。顯然，自由空間中的弱磁場難以精確測量。磁芯的高磁導率特性可將磁場強度提升數百至數千倍，其本質是充當磁場匯聚器。

氣隙設計的影響

如圖1所示，磁芯設計包含安置霍爾元件的氣隙。該結構會導致磁力線邊緣擴散效應(圖2)，使部分磁通偏離預期路徑，降低霍爾元件的實際感應強度。但當氣隙截面積遠大于長度時，這種影響可控制在較小范圍內。

氣隙長度直接影響兩大關鍵參數：磁增益(高斯/安培比)和最大可測電流。較小氣隙能提高靈敏度，但會降低磁芯飽和閾值(圖3)。除氣隙外，磁芯材料、尺寸及幾何形狀同樣影響性能。針對200A以上大電流應用的磁芯選型，可參考Allegro的應用指南。

開環方案的局限性

開環結構易受線性度誤差、增益漂移等非理想因素影響。例如傳感器溫漂會直接反映在輸出端，且磁芯飽和效應會限制測量范圍。此外，霍爾元件失調電壓和磁芯矯頑力也會引入誤差。

閉環電流檢測技術

如圖4所示，閉環方案基于負反饋原理工作。次級繞組中的補償電流由反饋環路調節，始終維持磁芯凈磁通為零。根據安匝平衡原理可得：

Np×Ip = Ns×Is

當Np=1時，輸出電壓Vout=Rm×Is，最終推導出：

Vout = Rm×(Ip/Ns)

該結構中，比例系數僅與匝數比和采樣電阻相關，二者均具有極佳線性度。

開環與閉環方案對比

閉環架構通過負反饋有效抑制線性度和增益誤差，不受傳感器靈敏度漂移影響，精度顯著提升。其磁芯始終工作在近零磁通狀態，抗飽和能力更強。但閉環方案需要驅動功率放大器，導致PCB面積、功耗及成本增加。

穩定性是閉環傳感器的另一挑戰，需通過系統傳遞函數分析確保穩定性。帶寬限制雖可避免振蕩，但會延長響應時間。而開環結構通常具有更快動態響應。

需注意的是，兩種方案均受霍爾元件失調電壓影響(典型InSb元件失調約±7mV)。