测量的性能达到预期水平，并增加了应用范围，这可以通过开环传感器来解决，而不是更复杂的解决方案。gydF4y2Ba
具有近闭环性能的新型开环电流传感器gydF4y2Ba
大卫·乔布林|gydF4y2Ba登月舱gydF4y2Ba
使用硅霍尔效应器件的开环电流传感器基于简单的设计概念，制造成本低廉，但其简单性带来了一些性能限制。这些限制可以通过在某些电流范围内使用闭环架构来克服，但缺点是成本更高，设计体积更大。本文介绍了使用专用专用集成电路(ASIC)的新型开环传感器，该电路弥补了当今开环和闭环传感器之间的性能差距。gydF4y2Ba
图1:开环(左)和闭环传感器gydF4y2Ba
简介gydF4y2Ba
图1显示了使用被测电流磁场的开闭环电流传感器的工作原理。两者都可以使用集成在ASIC中的霍尔电池作为磁敏感元件，两者都具有隔离被测电流和包括直流在内的宽频率范围的优点。gydF4y2Ba
在开环换能器中，霍尔电池电压输出被放大以输出测量电流的副本。然而，霍尔电池灵敏度的任何变化，如温度变化，都会产生误差。霍尔单元的电信号非常低，因此对快速响应时间的渴望往往会给出有噪声的输出，因为信号带宽必须很宽。通常，ASIC信号带宽必须大于被测电流的带宽，因为为了克服霍尔单元的偏置和1/f噪声，必须将其输出调制到高频。这是通过在四个正交方向上依次偏压细胞(“旋转”1)，然后放大后解调来完成的。gydF4y2Ba
在闭环结构中，由被测(一次)电流诱导的磁场完全被二次电流抵消，其值小于一次:二次匝数比，并且易于在精确电阻RM处测量。霍尔细胞的确切灵敏度已不再重要。此外，来自霍尔单元的信号带宽及其噪声可以保持较低，因为在频率高于几千赫时，RM中的电流直接来自一次:二次变压器效应。然而，这些改进需要一个更昂贵的传感器结构，这限制了它可以做得多小。此外，可测量的最大一次电流受到二次电流和二次绕组匝数的实际限制。gydF4y2Ba
本文中描述的换能器使用ASIC，其性能接近闭环换能器，但其设计复杂性在于ASIC，而不是换能器。一旦设计完成，该ASIC可用于一系列具有不同功能的廉价开环传感器。gydF4y2Ba
ASIC和换能器细节gydF4y2Ba
八个霍尔单元被用来缓解信号开始时的差信噪比。在1.5 MHz旋转消除霍尔单元偏移。在信号电平较低的情况下，使用差分结构来避免外部dv/dt干扰。在将信号从差分转换为单端以节省模具面积后，在关键节点上进行一些选择性筛选，而不使用额外的金属层来维持dv/dt免疫。在旋转频率的带通滤波器通过将噪声带宽限制到响应时间所需的带宽，并通过停止高频噪声成分混叠到信号频率范围来保持整体噪声水平较低。(ASIC框图如图2所示)gydF4y2Ba
图2:用于新型开环传感器的专用集成电路框图gydF4y2Ba
汽车和越来越多的工业市场的质量标准要求ASIC在包装后在两种或最好是三种温度下进行全面测试。我们利用这一点来测量开环架构中固有的误差，并将修正存储在片上EEPROM中。用这种方法对解调后的霍尔单元温度依赖性和放大器的偏置进行了校正。gydF4y2Ba
EEPROM存储器也意味着传感器可以根据用户的喜好进行配置。例如，可以选择不同的参考电压，并且可以将输出滤波器变窄以减少噪声，或加宽以减少响应时间。gydF4y2Ba
该ASIC的一个新特性是从信号链的中间点提供数字过流检测(OCD)输出。因此，阈值水平可以高于饱和常规模拟输出的水平。同样，可以根据不同的应用需求选择准确的阈值水平并存储在EEPROM中。gydF4y2Ba
与EEPROM的通信是通过单线总线到ASIC输出引脚。这可能是方便的，甚至在最终用户的最终应用，因为这个引脚可能连接到一个微处理器进行信号处理。gydF4y2Ba
表1总结了新型25安培传感器与其他开闭环传感器的一些关键性能参数。在每种情况下，霍尔效应都被用作磁探测器。结果表明，新型开环传感器的性能接近并在某些情况下超过了闭环器件。在特定的应用中，变频器的最终选择取决于对其最重要的参数。gydF4y2Ba
图3:强迫症反应包络gydF4y2Ba
图3显示了数字OCD对换能器输入电流阶跃的响应。大约2µs的响应时间部分是由于传感器磁路的延迟，部分是由于电路验证过电流的存在至少1µs，以避免在短尖峰上触发OCD。由于当前步长没有与ASIC的内部1.5 MHz时钟同步，因此响应的包络约为600ns宽。gydF4y2Ba
图4:旧的Open loopt传感器dv/dt响应包络图(左)gydF4y2Ba
和新型换能器(右)gydF4y2Ba
图4显示了新换能器对dv/dt干扰的抗扰度，与旧设计相比，旧设计需要外部屏蔽或磁路接地才能获得等效性能。dv/dt信号的斜率为5 kV/µs，振幅为1 kV。dv/ dt信号及其对输出的影响之间的延迟是由于内部采样和保持函数和滤波器块。gydF4y2Ba
图5:对di/dt输入的响应gydF4y2Ba
图5显示了新换能器对初级电流阶跃的阶跃响应。响应时间低于2µs。然而，二阶输出滤波器的带宽可以减少到其最大值的1/6，这增加了响应时间，但输出噪声也相应减少。gydF4y2Ba
图6:传感器gydF4y2Ba
图6显示了使用本文描述的ASIC的两种不同电流传感器的示例。除ASIC外不需要任何电子元件，因此它们的物理体积非常小。将磁场集中在ASIC的磁路由低成本的铁氧体制成，由于ASIC设计中固有的dv/dt免疫，铁氧体可能会漂浮。两个换能器使用相同的ASIC，由于EEPROM定义的配置以及主路和磁路的安排，它们的性能可能有很大不同。gydF4y2Ba
结论gydF4y2Ba
提出了一种性能接近闭环电流传感器的新型开环电流传感器。良好性能的关键是专门针对这些改进而开发的ASIC。测量的性能达到预期水平，并增加了应用范围，这可以通过开环传感器来解决，而不是更复杂的解决方案。LEM是电力电子领域的核心，是为测量电气参数提供创新和高质量解决方案的市场领导者。其核心产品-电流和电压传感器-广泛应用于驱动和焊接，可再生能源和电源，牵引，高精度，传统和绿色汽车业务。LEM的战略是利用其核心业务的内在优势，并利用新应用开发现有和新市场的机会。莱姆是一家中等规模的全球性公司。它在日内瓦(瑞士)、索菲亚(保加利亚)、北京(中国)和町田(日本)都有生产工厂。由于其区域销售办事处靠近客户的位置，该公司在全球范围内提供无缝服务。gydF4y2Ba
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LEM是提供创新和高质量的电气参数测量解决方案的市场领导者。其核心产品-电流和电压传感器-广泛应用于驱动和焊接，可再生能源和电源，牵引，高精度，传统和绿色汽车业务。LEM的战略是利用其核心业务的内在优势，并利用新应用开发现有和新市场的机会。莱姆是一家中等规模的全球性公司。它在日内瓦(瑞士)、索菲亚(保加利亚)、北京(中国)和町田(日本)都有生产工厂。由于其区域销售办事处靠近客户的位置，该公司在全球范围内提供无缝服务。gydF4y2Ba
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