无磁芯霍尔效应电流传感器 IC的共模场抑制技术
2017-01-10
摘 要： 利用霍尔效应可以测量集成载流回路产生的磁场，这种技术有许多优势。如果不使用磁芯会产生一些问题，那就是传感器 IC 容易受到杂散磁场的影响，霍尔板会出现高电流载流体或螺线管产生的杂散场，进而可能在测量电流时产生误差。解决这一问题的根本方案是集成式差分电流传感技术。集成式差分电流传感可使杂散磁场产生的误差降低一到两个数量级。这样，此类传感器 IC 的用户就不必再担心杂散场干扰电流的测量，而且能简化 PCB 布局。
关键词： 霍尔效应；电流传感器；差分电流传感；共模场抑制；杂散磁场
1 技术背景
Allegro电流传感器IC利用霍尔效应测量集成载流回路产生的磁场，并能将磁场转换成与电流成正比的电压。这种技术有许多优势，包括电流隔离、低功率损耗和不同温度下的高精度。这种技术不使用磁芯来集中磁场，因而其磁滞几乎为零。但不使用磁芯也有缺点，那就是传感器IC容易受到杂散磁场的影响。使用磁芯时，可使杂散磁场在传感器IC周围分流，因为磁芯在传感器IC周围提供了一个低磁阻通路。不使用滤芯时，霍尔板会出现高电流载流体或螺线管产生的杂散场，进而可能在测量电流时产生误差。正确的电路板和系统设计能在电流测量时消除这些误差来源；但经优化的线迹布局也可能限制PCB和系统的设计。针对该问题的解决方案是集成式差分电流传感技术。ACS724集成式电流传感器IC如图1所示。
图 1 ACS724集成式电流传感器IC
2 差分电流传感的原理
差分电流传感的基本原理是载流导体的两侧产生的磁场具有相反的极性。这就是说，当使用图2所示的载流引脚框时，霍尔板1(H1)会出现所示电流产生的范围外磁场，霍尔板2(H2)会出现所示电流产生的范围内磁场。当电流传感器IC上存在共模场时，两个霍尔板会出现相同的磁场。通过减去两个霍尔板的输出，我们能抑制这些在外部产生的磁场。差分电流传感器IC的输出如式(1)所示：
VOUT=G×(B1-B2) (1)
其中，B1表示H1的磁场，B2表示 H2的磁场，G表示传感器IC的增益（单位：mV/G）。如果有电流通过引脚框(I)，并且传感器IC(BC)上存在共模场，则差分传感器IC的输出为：
VOUT=G×([C1×I+BC]-[-C2×I+BC]) (2)
其中，C1表示H1的耦合因数(单位：G/A)，C2表示H2的耦合因数(单位：G/A)。简化该等式后可得出：
VOUT=G×I×(C1+C2) (3)
共模场(BC)抵消，输出信号只与通过传感器IC的电流成正比。同样，由于霍尔板只能测量一种尺寸的磁场，所以传感器IC会忽略其他平面内的外部磁场。
图 2 采用差分霍尔板配置的集成式
电流传感器IC引脚框
3 差分电流传感的限制因素
差分电流传感的抑制能力有两种主要限制：
(1)霍尔板匹配：在共模场的作用下，两个霍尔板的不匹配会使差分传感器IC的输出产生一些变化。Allegro电流传感器IC是单片器件，所以两个霍尔板都在相同的芯片上，从而能产生名义上和超温状态下的高度匹配。单晶片上的霍尔板匹配通常高于1%。
(2)场梯度：如果通过两个霍尔板的外部干扰磁场不均匀，干扰磁场的差别就会传播到传感器IC的输出。要应对这种限制，可将两个霍尔板尽可能靠近放置，同时使其位于导体的另一侧。
4 均匀外部磁场的共模抑制
霍尔板在晶片上的匹配通常约为1%，这会将共模场的抑制限定在40 dB左右。在此均匀外部磁场(BC)的作用下，传感器IC的输出误差（单位：A）为：
其中CF表示通过传感器IC流向霍尔板的电流的耦合因数(单位：G/A)，它等于以上C1+C2之和。大多数Allegro集成式电流传感器IC的耦合因数约为10～15 G/A，这会产生图3所示的输出误差(单位：A)与外部磁场的比例关系。为便于理解怎样产生这类磁场，我们在距离传感器IC仅10 mm的导线内接通50 A电流，即可在传感器IC上产生10 G的磁场。霍尔板的匹配为1%时，由于该磁场的存在，传感器IC的输出只会产生约10 mA的误差，相比之下，未采用共模场抑制时，会产生1 A的误差。
图3 两个霍尔板1%不匹配时的
误差(单位：A)与共模场的对比CF=10 G/A
5 对邻近载流导体产生的磁场进行共模抑制
在电流传感器IC应用中，最常见的一种干扰磁场是邻近载流导体。这些可能是其他相位或接地回路。载流导体产生的磁场可能在两个霍尔板上产生不均匀场，具体取决于电流的方向。最坏的情况是电流方向与两个霍尔板垂直，如图4所示。
图4 与两个霍尔板垂直的外部电流
在此情况下，H1和H2的磁场为：
当
只使用一个霍尔板时，B1是所产生的磁场。当使用差分配置时，可使两个霍尔板(B1和B2)的磁场相减，从而可得出：
用这些磁场除以耦合因数CF(~10 to 15 G/A)，可将这些干扰磁场转换为误差（单位：A）。图5显示了只使用一个霍尔板时的误差与距离的关系。
图5 单独霍尔传感的载流导线的
误差(A)与距离的关系（d为0.8 mm）
图6 当电流方向与霍尔板
垂直时（d为0.8 mm），差分传感的
载流导线的误差(A)与距离的关系
图6显示了使用差分配置时的误差。图7显示了单独霍尔配置与差分霍尔配置之间的抑制比（单位：dB）。值得注意的关键点是在10X抑制时，抑制比为-20 dB，30X抑制时，抑制比为-30 dB。这些点取决于D和d的比率，如图8所示。图8中的所有D和d值保持不变，也就是说，减少霍尔板之间的距离，并增加霍尔板到外部载流导线的距离，会减少测量值的误差量。大多数Allegro集成式电流传感器IC的霍尔间距(d)约为0.6～1 mm。
图7 在外部导线与传感器IC的距离内，
单独霍尔配置与差分霍尔配置的抑制比。
外部导线的电流方向与两个霍尔板垂直。
d为0.8 mm
图8 在外部导线与磁传感器IC的
相对距离内，单独霍尔配置与差分
霍尔配置的抑制比(D/d) 。外部导线的
电流方向与两个霍尔板垂直
当邻近载流导体的电流方向与两个霍尔板平行时，会在两个霍尔板上产生相同的磁场。这是理论上抑制无限的理想情况。其中，抑制的限制因素是霍尔板的匹配，如上所述。当然，介于最坏情况（垂直配置）和理想情况（平行配置）之间的所有情况都可能出现。如图9所示，干扰磁场的计算方法如式(7)：
6 试验数据
利用差分电流传感的ACS724电流传感器IC可用于验证本文所述的分析。进行试验时，可将载流导线放在传感器IC附近，并使其与霍尔板垂直，然后以不同的距离和电流强度测量传感器IC输出的变化。为估算误差，ACS724采用的主要参数包括：
图9 邻近电流产生的离角磁场
(1)霍尔板之间的距离(d)为0.7 mm。
(2)与一个霍尔板的耦合是11 G/A，与另一个霍尔板的耦合是2.8 G/A，所以总耦合因数(CF)是13.8 G/A。
因此估计误差(A)是：
图10 差分霍尔传感载流导线
估计误差(A)与距离的关系
图10中的虚线表示使用此公式计算的估计误差，图中的点表示测量值。总之，试验数据与计算误差比较匹配。测量误差可能略小于计算误差，因为邻近导线未与霍尔板在同一平面，从而使传感器IC上的磁场减弱。
7 结论
总之，集成式差分电流传感使杂散磁场产生的误差降低了一到两个数量级。这样，此类传感器IC的用户就不必再担心杂散场干扰电流的测量，而且能简化PCB布局，并使用外形更精巧的系统。对于采用载流线迹或磁场发生器件(如螺线管)的高度压缩系统，可采用本文的分析，以快速估算这些杂散场产生的误差量。这样设计人员就能预见和改正可能在系统内引入过大误差的系统配置或 PCB 布局，从而显著减少设计迭代的次数。
参考文献
[1] R S.Popovic.霍尔效应器件，第二版.IoP Publishing Ltd.，2004.
[2] DC and Transient Current CapabilityCharacteristics.http：//www.allegromi-cro.com/en/Design-Center/Techni-cal-Documents/Hall-Effect-Sensor-IC-Publications/DC-and-Transient-Current-Capability-Fuse-Character-istics.aspx.
[3] Hysteresis Mitigation in Current Sen-sor ICs Using Ferromagnetic Cores.
http://www.allegromicro.com/en/De-sign-Center/Technical-Documents/Hall-Effect-Sensor-IC-Publications/Hysteresis-Mitigation-in-Current-Sensor-ICs-Using-Ferromagnetic-Cores.aspx.
[4] Allegro ACS724 Datasheet.http：//www.allegromicro.com/~/media/Files/Datasheets/ACS724-Datasheet.ashx.
[5] Juan Manuel Cesaretti.Mechanical Stress and Stress Compensation in Hall Sensors. Georgia Institute of Technology，2008.https://smartech.gatech.edu/bitstream/handle/1853/28202/cesaretti_juan_m_200805_mast.pdf.