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1、霍尔电流传感器电源消耗电流计算方案霍尔电流传感器由于具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载力量强和无插入损耗等诸多优点，因而被广泛应用于变频器、逆变器、电源、电焊机、变电站、电解电镀、数控机床、微机监测系统、电网监控系统和需要隔离检测的大电流、电压等各个领域中。霍尔传感器需用到直流电源供电才可正常工作，在做产品设计时需要考虑其功率消耗，本文基于传统的霍尔电流传感器，准确计算其电流消耗，并利用 LTspice 软件进展仿真，所推导的理论计算公式可为产品设计供给参考。霍尔电流传感器工作原理从工作原理上，霍尔电流传感器可以分为霍尔开环电流传感器和霍尔闭环电流传感器。霍尔开环电流传感器图 1 霍尔开
2、环电压传感器的工作原理霍尔传感器的磁芯使用软磁材料，原边电流产生磁场通过磁芯聚磁，在磁芯切开一个均匀的切口，磁芯气隙处磁感应强度与原边电流成正比，霍尔元件两端感应到的霍尔电压的大小与原边电流及流过霍尔元件电流的乘积成正比，霍尔电压经过放大后作为传感器的输出。其输出关系式满足：VOUT=K*IP*IHall其中 K 为固定的常数，其大小通常与磁芯的尺寸，材料性质，气隙开口的宽度，以及处理电路的放大倍数有关。霍尔闭环电流传感器的工作原理：闭环电流传感器在开环的根底上增加了反响线圈，霍尔元件两端感应到的霍尔电流经过放大后掌握后端的三极管电路产生补偿电流，补偿电路流过缠绕在磁芯上的线圈，产生的磁场与原
3、边电流产生的磁场方向相反，当磁芯气隙处的磁场强度补偿为 0 时，传感器的输出满足 IS=IP/KN,其中 KN 为补偿线圈的匝数。传感器的功耗计算图 2 霍尔闭环电压传感器的工作原理开环电流传感器的功耗计算对于开环电流传感器，由于其输出信号为电压，所以其功耗相对较为稳定。通常霍尔电流传感器的电流设计为承受正负电源供电，其额定输出电压一般为几伏，一般不超过 10 伏。输出端对负载的要求一般为大于 10K，所以流过负载的电流一般小于 1 个 mA。通常开环传感器的电流消耗小于 15mA。电流消耗主要是霍尔元件消耗的电流，流入霍尔元件两端的电流通常要求小于 20mA，LEM 的产品霍尔电流通常在 1
4、0mA 左右。另外在调压支路还有几mA 的电流消耗。这样开环传感器的电流消耗可以维持在十几 mA 的水平内，通常说明书上标的都是不超过 15mA。闭环电流传感器的功耗计算闭环传感器输出信号为电流，其功耗相对于开环传感器多很多，下面以 LF 205-S 为例来分析闭环电流传感器的电流消耗。图 3 为 LF 205-S 的原理示意图 4 为 LF205-S 原理图从图中可以看出闭环电流传感器的主要电路包括几局部：首先是霍尔元件的驱动电路，传感器可以测量准确的前提是首先要给霍尔元件供给一个稳定的电 流，通常在10mA 左右。一般可通过稳压二极管和三极管来实现。这一局部的电流消耗主要集中在霍尔元件，依
5、据通常的设计流过霍尔元件的电流掌握在 10mA 以内。其次是补偿电流驱动电路，对于输出电流较小的传感器，补偿电流驱动电路可只由运放组成。而对于需要输出较大电流的传感器，补偿电流驱动电路通常由运放和一对串联的三极管电路组成。此局部消耗的电流通常很小，一般为几个mA。补偿电流产生电路，在前面补偿电流驱动电路的驱动作用下，三极管输出补偿电流。三极管补偿电流即是传感器的输出电流，其大小取决于原边被测电流。在静态即无被测电流的状况下，无补偿电流输出。所以对于闭环电流传感器，其静态电流主要是霍尔驱动电流和补偿电流驱动电路电流两局部的总和。由于此时输出电流为零，所以传感器从+VC 和-VC 消耗的电流相等。
6、即 IC0(+VC)=IC0(-VC) 图 4?闭环电流传感器静态消耗电流流向而在动态状况下，即在测量电流的状况下，传感器输出电流不为零，IC0 (+VC)和 IC0 (-VC)的大小取决于被测电流的大小和方向。假设被测电流为直流，假设其方向和传感器的正方向全都。此时补偿电流完全由上半部的三极管产生，也就是说此时输出电流完全由+VC 供给。而-VC 的电流大小仍旧为 IC0 (-VC)。IC(+VC)= IC0 (+VC)+ IS图 5 闭环电流传感器测量直流电流时消耗电流流向假设被测电流为沟通，则上半局部和下半局部的三极管轮番导通来产生补偿电流。假设被测电流为正弦波，其电流的有效值为 IP，
7、则输出电流同样也为正弦沟通，其有效值为 IS=IP/KN。由于三极管轮番导通，所以补偿电流是轮番从+VC 和-VC 输出的，当被测电流方向为正，即和传感器的正方向全都时补偿电流完全由上半部的三极管产生；当被测流方向为负，即和传感器的负方向全都时补偿电流完全由下半部的三极管产生。此时消耗电流的波形为始终流叠加了半个周期的正弦波，整个电流的波形峰值为Icpeak=Ic0(+VC)+ 2 IS 则此时的电流有效值为 ICrms(+VC)=/ 2 222) (020 S CI IsI VCcI ? + + +平均值为 Cave(+VC)=IC0+ / 2SI同理-VC 端消耗电流的有效值和平均值与+V
8、C 端的一样。图 6 闭环电流传感器测量沟通电流时消耗电流流向传感器电流消耗的 LTspice 仿真使用 LTspice 对传感器的电流消耗进展仿真，依据图 4 的电路分别对静态、测量直流和测量沟通电流的状况进展仿真。从图 7 中可以看出，静态时+VC 的消耗电流为 15.33mA，-VC 的静态消耗电流为 15.27mA，此处正负电源的消耗不完全相等，主要是由于零点的存在，此时传感器的零点为 0.06mA。其中流过霍尔元件的电流为 8.83mA，补偿电路驱动电路消耗电流为5.24mA，从数据中可以看出，这两局部电流加起来为 14.07mA，约占整个+VC 消耗电流的 91.8%图 7 闭环电
9、流传感器 IP=0 时的输出电流及消耗电流当施加 200ADC 原边电流后，传感器的输出为100.06mA，此时+VC 端的消耗电流为 116.21mA，-VC 端的消耗电流为 16.15mA图 8 闭环电流传感器测量 200ADC 时的输出电流及消耗电流当在原边施加有效值 200Arms 的正弦沟通电后，传感器的输出为正弦沟通， 由于上下三极管轮番导通，补偿电流依据半个周期的间隔分别叠加到+VC 和-VC的消耗电流上。此时传感器输出电流的有效值为 100.00mA。+VC 端的消耗电流波形如下图，依据仿真的结果，VC 的消耗电流有效值为 81.99mA，平均电流为 60.96mA，-VC 端
10、消耗电流的有效值为 81.72mA，平均值为 60.90mA。而依据前面的公式，在不考虑零点的状况下计算出的+VC 理论消耗电流为 81.33mA，平均值为 60.34mA，-VC 端的消耗电流为 81.29mA，平均值为 60.28mA，与仿真结果全都。图 9? 环电流传感器测量 200A?AC 时的输出电流及消耗电流对于电源消耗功率的计算，由于传感器承受直流电源供电，电压稳定不变， 所以传感器的平均功耗功率为 VC*IVCave。依据前面的推导，使用开环电流传感器时+VC 和-VC 消耗电流根本相等。可依据说明书上给出的 IC 值来选择电源功率。而使用闭环电流传感器时，由于+VC 和-VC
11、 消耗电流的大小取决于被测电流方向和幅值。测量直流时假设方向不变，则+VC 和-VC 消耗电流会相差较大，具体可依据上面的推导方法来分别计算+VC 和-VC 平均消耗的功率。测量沟通时，消耗电流的波形为始终流叠加了半个周期的正弦波，准确的计算可依据上面推导的公式来计算。因上面的推导公式需要较多计算，简便的算法可依据 I0+IS 来估算。总结本文在介绍霍尔电流传感器工作原理的根底上，分析了霍尔电流传感器的电流消耗组成，并推导了传感器+VC 和-VC 在静态及在测试直流和沟通电流时的消耗电流，并利用 LTspice 软件进展了仿真模拟，仿真结果与理论推导的结果全都。主要结论有：对于霍尔开环电流传感
12、器，由于其输出信号为电压，所以其功耗相对较为稳定。通常开环传感器的电流消耗小于 15mA。其中主要电流消耗在霍尔元件的驱动电流上。对于霍尔闭环电流感器，其电流消耗主要分为静态消耗电流和动态消耗电流：静态消耗电流主要包括两局部：一局部是霍尔元件的驱动电路，在 10mA左右；另外一局部为补偿电流驱动电路，约为 5mA 左右。当施加原边电流进展测试时，I0(+VC)和 I0(-VC)的大小取决于被测电流的大小和方向：在被测电流为直流，消耗电流的大小取决于被测电流的方向和幅值。假设其方向和传感器的正方向全都。此时补偿电流完全由上半部的三极管产生，也就是说此时输出电流完全由+VC 供给，此时+VC 的消
13、耗电流为 IC(+VC)= IC0 (+VC)+ IS， 而-VC 的电流大小仍旧为 I0(-VC)。当被测电流方向与传感器的负方向全都时，IS 叠加到-VC 上，其大小与 IC(-VC)= IC0 (-VC)+ IS在被测电流为沟通的状况下，则上半局部和下半局部的三极管轮番导通来产生补偿电流，所以补偿电流是轮番从+VC 和-VC 输出的， 当被测电流方向为正，即和传感器的正方向全都时补偿电流完全由上半部的三极管产生；当被测电流方向为负方向时，即和传感器的负方向全都时补偿电流完全由下半部的三极管产生。此时消耗电流的波形为始终流叠加了半个周期的正弦 波，整个电流的波形峰值为 Icpeak=Ic0
14、 (+VC)+，则此时的电流有效值为。-VC 的消耗与+VC 一样，可依据上面的两个公式来计算。开环式霍尔传感器的工作过程：原边电流(Ip)通过一根导线时，在导线四周将会产生一个磁场，这一磁场的大小与流过导线的电流成正比，它能通过磁芯聚拢感应到霍尔器件上并使其有一信号输出。这一信号经信号放大器放大后直接输出，霍尔器件输出的信号准确反映了原边电流的输出状况。优点：封装尺寸小 ，测量范围广 ，重量轻，低电源损耗，无插损闭环霍尔电流传感器的工作过程：当原边电流 IP 产生的磁通通过磁芯集中在磁路中，霍尔器件固定在气隙中检测磁通，通过绕在磁芯上的多匝线圈输出反向的补偿电流，用于抵消原边电流(IP)产生的磁通，使得磁路中磁通始终保持为零。霍尔器件和关心电路产生的副边补偿电流准确反映了原边电流的大小。经过特别电路的处理，传感器的输出端能够输出准确反映原边电流的电流变化。