淺談霍爾電流傳感器ACS785ACS712系列電流檢測方式

1、淺談霍爾電流傳感器ACS785/ACS712系列電流檢測方式淺談電流檢測方式一、檢測電阻+運放 優(yōu)勢： 成本低、精度較高、體積小 劣勢： 溫漂較大，精密電阻的選擇較難，無隔離效果。分析： 這兩種拓撲結構，都存在一定的風險性，低端檢測電路易對地線造成干擾；高端檢測，電阻與運放的選擇要求高。檢測電阻，成本低廉的一般精度較低，溫漂大，而如果要選用精度高的，溫漂小的，則需要用到合金電阻，成本將大大提高。運放成本低的，鉗位電壓低，而特殊工藝的，則成本上升很多。二、電流互感器CT/電壓互感器PT 在變壓器理論中，一、二次電壓比等于匝數(shù)比，電流比為匝數(shù)比的倒數(shù)。而CT 和PT 就是特殊的變壓器?；緲嬙焐?，

2、CT 的一次側匝數(shù)少，二次側匝數(shù)多，如果二次開路，則二次側電壓很高，會擊穿繞阻和回路的絕緣，傷及設備和人身。PT 相反，一次側匝數(shù)多，二次側匝數(shù)少，如果二次短路，則二次側電流很大，使回路發(fā)熱，燒毀繞阻及負載回路電氣。 CT,電流互感器，英文拼寫Current Transformer，是將一次側的大電流，按比例變?yōu)檫m合通過儀表或繼電器使用的，額定電流為5A 或1A 的變換設備。它的工作原理和變壓器相似。也稱作TA 或LH（舊符號）. 工作特點和要求：1、一次繞組與高壓回路串聯(lián)，只取決于所在高壓回路電流，而與二次負荷大小無關。2、二次回路不允許開路，否則會產(chǎn)生危險的高電壓，危及人身及設備安全。3、

3、CT 二次回路必須有一點直接接地，防止一、二次繞組絕緣擊穿后產(chǎn)生對地高電壓，但僅一點接地。4、變換的準確性。 PT，電壓互感器，英文拼寫Phase voltage Transformers，是將一次側的高電壓按比例變?yōu)檫m合儀表或繼電器使用的額定電壓為100V 的變換設備。電磁式電壓互感器的工作原理和變壓器相同。也稱作TV 或YH（舊符號）。工作特點和要求：1、一次繞組與高壓電路并聯(lián)。2、二次繞組不允許短路（短路電流燒毀PT）,裝有熔斷器。3、二次繞組有一點直接接地。4、變換的準確性三、模塊型霍爾電流傳感器 模塊型霍爾電流傳感器分開環(huán)模式與閉環(huán)模式。開環(huán)模式又稱為直接測量式霍爾電流傳感器，輸入為

4、電流，輸出為電壓。這種方式的優(yōu)點是結構簡單，測量結果的精度和線性度都較高?？蓽y直流、交流和各種波形的電流。但它的測量范圍、帶寬等受到一定的限制。在這種應用中，霍爾器件是磁場檢測器，它檢測的是磁芯氣隙中的磁感應強度。電流增大后，磁芯可能達到飽和；隨著頻率升高，磁芯中的渦流損耗、磁滯損耗等也會隨之升高。這些都會對測量精度產(chǎn)生影響。當然，也可采取一些改進措施來降低這些影響，例如選擇飽和磁感應強度高的磁芯材料；制成多層磁芯；采用多個霍爾元件來進行檢測等等。開環(huán)模式的結構原理見下圖根據(jù)檢測量程的需求，一般分為以下兩種繞線模式，左圖為小量程的結構圖，右圖為大量程的結構圖。閉環(huán)模式又稱為零磁通模式或磁平衡模

5、式，其輸入與輸出端均為電流信號。原理見下圖將霍爾器件的輸出電壓進行放大，再經(jīng)電流放大后，讓這個電流通過補償線圈，并令補償線圈產(chǎn)生的磁場和被測電流產(chǎn)生的磁場方向相反，最終達到磁平衡。這個平衡過程是自動建立的，是一個動態(tài)平衡。建立平衡所需的時間極短。平衡時，霍爾器件處于零磁通狀態(tài)。磁芯中的磁感應強度極低（理想狀態(tài)應為0），不會使磁芯飽和，也不會產(chǎn)生大的磁滯損耗和渦流損耗。恰當?shù)剡x擇磁芯材料和線路元件，可做出性能優(yōu)良的零磁通電流傳感器?，F(xiàn)在市場上的模塊霍爾電流傳感器，一般體積較大，為雙電源供電，價格較高，閉環(huán)模式的霍爾電流傳感器其性能要比開環(huán)模式好，但價格也比開環(huán)模式的貴許多。四、其他的電流檢測器件

6、。除以上介紹的幾種電流檢測方式外，還有其他幾種測量方式，分別為：AVAGO 的光耦隔離放大器。TI 的電容式隔離放大器ADI 的西格瑪?shù)聽査礁綦x放大器。這三種電流檢測方式，芯片內部結構，原理是不一樣的，但外圍電路有許多共同點。 1、三種方式均是通過檢測精密電阻兩端的電壓來判定其被檢測電流的大小。 2、原邊與負邊均需加電源供電。 3、輸出為差分輸出，需考慮共模抑制比，可做到零基準電壓。 4、響應時間與精度差不多，均為us 級，精度界于1%5%。五、Allegro電流傳感器 介紹完了其他的電流檢測方式，接下來，重點介紹一下Allegro 的電流傳感器。鄙人代理此條線的產(chǎn)品。Allegro 電流傳

7、感器的共同點： 1 芯片級霍爾電流傳感器，串聯(lián)在電流回路中，外圍電路簡單。 2. 開環(huán)模式的霍爾電流傳感器（因體積問題，芯片級霍爾電流傳感器無法做到閉環(huán)模式。） 3. 可測交直流電流。 4. 無需檢測電阻，內置毫歐級路徑內阻。 5. 單電源供電，原邊無需供電。 6. 80120KHz 的帶寬，外圍濾波電容可調整帶寬與噪聲的關系。 7. 輸出加載于0.5Vcc 上，非常穩(wěn)定的斬波輸出。 8. us 級響應速度，精度在-4085時小于2% 9. 帶抑制干擾的特殊封裝工藝。 10. 非常好的一致性與可靠性。年出廠不合格率小于1PPM。常推的幾顆Allegro 霍爾電流傳感器為： ACS712.從AC

8、S712 的內部框圖與封裝解剖圖可以看出，原邊電流只是從芯片內部流過，與副邊電路并沒有接觸，原邊與副邊是隔離的，因為封裝小，所以ACS712 的隔離電壓為2100V。因為電流的流過會產(chǎn)生一個磁場，霍爾元件根據(jù)磁場感應出一個線性的電壓信號，經(jīng)過內部的放大、濾波、與斬波電路，輸出一個電壓信號。ACS712 根據(jù)尾綴的不一樣，量程分為三個規(guī)格：5A、20A、30A，溫度等級均為E 級（-4085）。輸入與輸出在量程范圍內為良好的線性關系，其系數(shù)Sensitivity 分別為，185、100、66mV/A。因為斬波電路的原因，其輸出將加載于0.5Vcc 上。ACS712 的Vcc 電源一般建議采用5V

9、。輸出與輸入的關系為Vout=0.5Vcc+Ip*Sensitivity。一般輸出的電壓信號介于0.5V4.5V之間。Ip+與Ip-之間流經(jīng)芯片內部的那一部份，我們稱之為內置路徑內阻，其阻值為1.2m.當大電流流經(jīng)它時，所產(chǎn)生的功耗很小，如30A 滿量程的電流流經(jīng)它時，產(chǎn)生的功耗為P=30*30*1.2/1000=1.08W。ACS 712 的全溫度范圍的精度為1.5%。在2585時，精度特性更好。輸入與輸出之間的響應時間為5us。帶寬為80KHz，通過調整濾波腳與地之間的濾波電容，可根據(jù)客戶的要求來調整噪聲與帶寬的關系，電容取值大，帶寬小，噪聲小。ACS710與ACS712 相比，ACS71

10、0 多了一個過流保護功能。如上圖所示，藍色虛框為ACS710 的電流檢測回路，紅色虛框為ACS710 的過流保護回路。ACS710 與ACS712 的電流檢測原理是一樣的，所不同的有以下幾點：1. ACS710 因為封裝SOIC-16 體積比ACS712 稍大，所以原邊與副邊的隔離電壓也比ACS712 大，為3000V。2. 內置路徑內阻為1.0 m。3. 量程不一樣，根據(jù)尾綴不同，分12.5A 與25A 兩種量程。這里的12.5A 量程與25A量程指的是優(yōu)化量程，實際上，ACS710 有三倍過載能力，即，他們的實際量程分別為37.5A 與75A。但考慮到電流過大，溫升的效應，不建議將ACS7

11、10 長期工作于過載條件下。4. ACS710 Vcc 可選用5V 與3.3V 兩種。5V 與3.3V 時， 其輸入輸出的線性系數(shù)（Sensitivity）也為線性。如ACS710 25A 量程的IC，Vcc 為5V 時，Sensitivity為28mV/A. 3.3V 時，Sensitivity 為28*3.3/5=18.5mV。5. 溫度等級不一樣，ACS710 為K 級，-40125.6. ACS710 的帶寬為120KHZ，響應時間為4us，過流保護響應時間為2us。ACS710過流保護功能說明1. 16 管腳為使能腳。2. 調整15 腳外圍的兩個分壓電阻值， 可設定過流保護的門限值。

12、Vcc 為5V 時，ACS710KLATR-12CB-T（12.5A 量程的型號）其可設定的過流保護的門限范圍為22.3A35.7A；ACS710KLATR-25CB-T（25A 量程的型號）其可設定的過流保護的門限范圍為44.6A71.5A。3.13 管腳為Fault 輸出腳，過流條件出現(xiàn)時，13 管腳將在2us 內輸出一個低電平信號，其中外接電容Coc 為緩沖電容，以防止因干擾而產(chǎn)生的誤報情況。4. 下圖為過流保護過程的圖解說明。ACS758ACS758 的原理是一樣的。與ACS712、ACS710 相比，其特點是：1. 量程大，分為50A、100A、150A、200A 四個等級。2. 內

13、置路徑內阻小，為100u.3. 溫度等級，50A、100A 量程的等級為L 級，即-40150；150A 量程的為K 級，即-40125；200A 量程的為E 級，即-4085.4. 帶寬為120KHz，響應時間為4us。5. 25時，原邊1200A 大電流時，可承受時間為1 秒。85時，原邊900A 大電流時，可承受時間為1 秒。150時，原邊600A 大電流時，可承受時間為1 秒。以上介紹的為Allegro 的三顆代表型芯片級霍爾電流傳感器，我介紹的均為雙向的霍爾電流傳感器（可測交直流），輸出加載于0.5Vcc 上。Allegro 也有單向的霍爾傳感器，其單向的霍爾電流傳感器（可測正電流），輸出加載于0.1Vcc 上。芯片級的霍爾電流傳感器，目前其最大量程為200A，對于大于200A 的電流，可用Allegro 線性霍爾做成塻塊型霍爾電流傳感器。事實上，國內有部份品牌的模塊型霍爾電流傳感器，就是應用Allegro 的線性霍爾做為核心做成的。六小結各種電流檢測的方式原理各不同。檢測電阻+運放與電流互感器屬于低成本的方案，其可靠性與安全性較差，主要用于低端方案。模塊式霍爾電流傳感器，其體積較大，雙電源供電，成本較高。隔離放大器，其原邊，副邊均需電源供電，在消除干擾方面的設計難度更大，成本