基于线性霍尔套磁环的电流传感模块设计考量
---自带温漂补偿的高性能霍尔传感器CC652x/651x系列的应用
关键词：非接触式，传感器，电流传感模块，线性霍尔，磁环
在遍及工业与生活的各大领域中，电流检测是不容忽视的一个重要市场门类。传统上，常见到的检测技术包括电阻采样式（Shunt），电流互感器式（Current Transformer），罗戈夫斯基线圈式（Rogowski Coil），磁阻式（xMR），以及本文会着重分析到的霍尔式（Hall）。
霍尔式能检测的范围涵盖DC和AC，电流从A级到kA级，灵敏度适中。它具有当今业界技术最成熟和性价比最高等特点，因而广受行业内人士的喜爱。
霍尔式又可以分为闭环式和开环式。从构造复杂度和性价比而言，开环式结构有着更高的综合效益。开环霍尔检测，主要有单芯片检测技术，和霍尔检测模块技术两种。单芯片技术对于小电流范围和低功耗应用最佳。
而霍尔检测模块技术，具有对更大电流、大功耗的应用具有更广阔的适应空间。直接购买检测模块，对快速切入很有利，然而，模块核心技术依然主要受制于LEM（莱姆），Yazaki等国际上的电流模块生产大厂。而研制检测模块，虽然更耗费开发时间和精力，对于拥有自研技术而言，大有裨益。
本文将针对霍尔电流模块，着重探讨其中的磁场学考量和电子设计因素，以帮助您进行模块设计。
我们知道，霍尔效应利用垂直磁场中的霍尔板，感应出与磁场成正比的电压（即霍尔电压）的原理，进行磁场测量。现实世界中的磁场源无非三种，磁铁是其中一种，而导体流过的电流，也是重要的一种。根据安培右手螺旋定则，直导线电流，产生环绕导线方向的磁场。
但是，当单纯依靠电流产生磁场时，由于相对*的散布在空间，非常容易受到外在杂散磁场影响。比如，其他通电导线，或者附近电机的磁场都有可能完全混淆到磁场中，使原本的待测电流信号不可辨分。
图1 以检测磁铁为例的霍尔效应示意图
(图片来自知乎)
图2 一种磁环材料（带气隙）
（图片来自google）
作为基本的磁学原理，所有各条磁感线具有永不相交和各自闭合的特性。当使用带气隙（airgap）的磁环时，由于磁环本身为软磁（Soft Iron）材料的导磁（magnetic conduction）特性，使电流产生的磁场汇聚到磁环中，并在气隙中产生均匀磁场（homogeneousfield）。由此，很容易直观理解其结构的两大优点，即，外在杂散磁场对气隙中的磁场影响小到可以忽略，并且在气隙中磁场因获得额外增益而得以加强。
图3 线性霍尔模块方案检测电流示意图（左原理示意；右外形示例）
在气隙狭小的空间中，磁环方案的电流检测获得出色的抗干扰、抗共模特性。
图4 气隙内均匀磁场区域放大图
假设气隙的大小是g（mm)，如图所示。而导线通过的电流为I（A），则磁感强度B（mT）可以由以下经验公式计算出
以电流为400A、气隙大小是2.5mm为例，在气隙内的区域，可以产生200mT(即2000Gauss)的磁场。
这时候，为了检测该磁场，气隙中需要一颗能够处理200mT磁感应强度的线性霍尔传感器芯片放置在气隙中，它可以用来反映被检测的电流。
CC652x/651x系列芯片就是这样的高性能线性霍尔传感器芯片，是由成都芯进电子有限公司自主研发的高性能线性霍尔传感器。该系列芯片是原厂可编程的单片传感器IC，采用标准SIP封装。该系列传感器支持的输出采样频率高达200kHz，高速输出正比于磁感强度的模拟信号。CC652x系列更是令用户获得3.7μs快速响应时间的精密传感器。CC652x通过MTP（多次编程）技术，提供灵敏度、失调量等基本参数的多次可编程特性。出厂芯片皆通过片内温度补偿获得高品质的温度特性和参数一致性。
仍以刚才的条件为例，如果采用CC652x芯片默认的灵敏度值SENS=0.9mV/Gs=9mV /mT，则0~400A的电流范围将产生2.5V+-1.8V的输出电压范围，支持峰-峰值3.6V的高速输出。
在实际设计中，上面的经验公式结果一般具有非常准确。当然同时，设计中需要留意的电磁因素，主要是磁环和芯片应用两方面。
图5 磁饱和示意图 (电流磁场达到足够大，磁材料饱和，不再明显增加)
磁环方面涉及：磁饱和(saturation)，磁环的磁温度漂移(magnetic temperaturedrift)，层压（lamination），边缘效应（fringing effect)，机械固定与应力(housing and strain)，散热(thermal heating)等。
磁饱和，普遍存在于所有磁材料，无论软磁(soft iron)、硬磁（hard magnet），而磁环材料属于软磁。其机理是超过磁材的磁饱和阈值后，内部可极化的微粒已经几乎极化迨尽。因此，使用前请认真查阅磁环材料规格书，了解其饱和极限。正如示例图中所示，超过磁饱和的阈值使用，会大幅度降低系统的电流检测精度。
磁环的磁温度漂移，即环境温度的不同，会导致其磁性强度随着温度改变。在磁环的规格书中也有对温度漂移系数的明确说明，需要查明。
层压，即厂家所生产的磁环材料直接成形为平行独立片层。这样有什么好处呢？可以衰减趋肤效应（skin effect）的影响。
磁环材料具有趋肤效应，并且越强磁场的趋肤效应越明显。尤其是，当其所汇聚的磁场由几百A以上这样的大电流产生，那么严重的趋肤效应会导致，大部分磁场主要聚集在临近磁环表面的物质区域，导致磁通密度的严重不均，严重影响传感精度。通过磁感线方向的层压生产技术，可以削弱该影响到可以忽略不计的程度。
边缘效应是指：越靠近磁环气隙边缘处，磁感线变得越发弯曲。而且更容易受外界干扰影响，所以使用中需要避免将传感器芯片放置于太靠边的位置。
图6 磁环边缘效应
（气隙*区均匀，而越靠近红色位置的磁感线越弯曲）
磁环直径的考虑，要为磁环与被测的通电导体之间留出充足的间隙，以利于电气安全和散热效率。
另外，磁环在受到机械应力作用下时，其磁场性质也会有所改变，因此，在保证磁环方便固定的前提下，尽可能避免受强压力/强应力碰撞、挤压。
芯片应用方面，CC652x/651x系列IC， VCC对GND端需要外挂去耦电容。芯进经过严格的测试验证，选取100nF电容值，可以确保电源电气品质。
安全可靠使用方面，使用芯片元件，需遵守防静电（ESD）可靠性要求。芯片为精密微电子元件，切不可超越极限参数使用，否则可能会造成不可逆的损坏。
避免芯片受到极端的管脚应力和塑料封装应力，否则甚至可能完全破坏芯片功能。
总体上，线性霍尔搭配磁环的方案，由于性价比、以及非接触式的优点，加上电气安全能力、散热好等优势，在非常多的应用领域中非常受欢迎，诸如：电力配电柜，大型通信机柜，电池管理，大功率智能储电设备，分布式电源系统组元（PDU），大电流焊机、电机等系统中皆可用于感测电流。
图7 来自客户的应用示例
图8 芯进电子基于线性霍尔的经济型电流测量演示板
结论：
基于CC6521配合磁环方案，非常适合搭建电流传感器应用。传感器IC置于环形软铁磁芯精巧的气隙中，电流导体穿过铁磁环的内部，磁环汇集并放大磁通密度，均匀磁场线由此垂直穿过传感器IC的传感元，从而产生与电流成比例的输出电压。依据此原理，组建电流测量系统，典型的精确测量范围从100A~1000A，广泛适用于工业与生活的方方面面。
附表：成都芯进电子-可编程线性霍尔IC系列