一款基于磁通門芯片的開環電流傳感器

徐東海，朱勝平，王臻，李敏，任浩，倪大成

（寧波中車時代傳感技術有限公司浙江寧波315021）

傳統的霍爾直放式電流傳感器是應用霍爾原理的開環電流傳感器，適合于對交流、直流和脈動電流的隔離精確測量。具有精度高、線性好、反應時間快、電流過載能力強等特點，廣泛應用于城軌地鐵、鐵路機車、風電、光伏、變頻器、UPS等電流精密檢測應用領域[1-2]。

隨著軌道交通行業等領域的發展程度不斷提高，對傳感器的要求也在不斷提高，小型化、智能化、低成本、安裝維護方便是傳感器以后的主流發展方向，這就對傳感器設計開發提出了更高的要求[3]。

文中介紹了一款新型的高靈敏度磁通門芯片[4-6]的新型開環式電流傳感器，它具有體積小，重量輕，成本低，安裝維護方便等優點。本文簡要介紹了該電流傳感器工作原理以及與傳統霍爾電流傳感器的比較，對其設計方案進行了著重闡述，通過理論分析、仿真計算以及結合實際樣機測試數據，對傳感器的測試誤差進行了簡要分析。

1 傳感器工作原理介紹

1.1 傳感器工作原理

本開環電流傳感器主要由原邊母排，磁通門芯片以及印制板電路組成，其中磁通門芯片以及印制板電路被密封在外殼之中，原邊母排中開有一定直徑大小的圓孔，磁通門芯片位于圓孔中心兩側，如圖1所示。

圖1 磁通門芯片位置示意圖

當原邊母排通入一定電流時，磁通門感應芯片會感受其中磁感應強度大小，并轉化成電流信號Iout輸出，該電流信號經過采樣電阻Rm轉化成電壓信號Vm，并最終經過運算放大器放大輸出相應電壓Vout，如圖2所示，其中

GFlux：磁通門芯片增益，12.2 mA/mT；

Rm：增益電阻，可根據實際需求調整；

Gamp：磁通門芯片內部運放增益，4 V/V；

圖2 工作原理

1.2 與開環霍爾電流傳感器比較

與傳統的開環式霍爾電流傳感器相比，本電流傳感器所采用的磁通門感應芯片飽和磁感應強度Bm≤±2 mT，相較于普通霍爾元件幾百mT飽和磁感應強度值，其感應精度較高，能對微弱磁場進行感應并輸出相應信號，不需要軟磁材料進行聚磁，因此，本開環電流傳感器可以有效去除鐵芯可能帶來的影響：

1）鐵芯剩磁影響

傳統的開環式電流傳感器鐵芯剩磁較大，磁滯回差較大（≤1%），影響傳感器過程調試及測量精度，本方案電流傳感器無鐵芯，影響傳感器磁滯回差的只有芯片本身的磁滯，由芯片手冊知，其回差≤0.2%

2）鐵芯飽和影響

傳統開環式電流傳感器鐵芯存在飽和現象，當原邊電流增大到一定程度時，鐵芯磁感應強度不在增大，因此傳感器測量范圍主要受限于鐵芯，本方案電流傳感器無鐵芯，影響傳感器測量范圍的主要是芯片飽和磁感應強度。

3）鐵芯溫漂影響

傳統開環式電流傳感器鐵芯氣隙直接影響傳感器測量范圍及精度，鐵芯本身性能受溫漂影響較大，且鐵芯氣隙受溫度變化影響較大，因此電流傳感器溫漂性能較差，而本方案無鐵芯，芯片本身溫漂性能較高（7ppm/℃）。

2 傳感器設計方案

2.1 原邊母排設計

本開環電流傳感器實際使用的感應芯片精度較高，能對微弱磁場[7-11]進行感應并輸出相應信號，無需采用其他軟磁材料進行聚磁，故本方案主要采用在母排中心開孔，通過高靈敏度感應芯片直接感應母排中心孔附近磁場強度并輸出相應信號，如圖1所示。

2.2 磁場分布研究

母排的孔徑以及厚度大小直接影響母排中心處磁感應強度的大小，從而影響傳感器測量范圍，故不同的電流測量范圍對應不同母排厚度及孔徑大小，本電流傳感器測量范圍在0～±1000 A，母排厚度在6 mm，寬度在50 mm。

由電磁場理論可知，圖1處母排中心區域的磁場分布如圖3所示。

圖3 母排中心磁場分布

由上圖易知，母排中心處其左邊母排產生的磁場與右邊母排產生的磁場大小相等，方向相反，故其磁場大小為0，在中心左側區域，左邊母排產生的磁場較右邊母排產生的磁場大，其整體磁感應強度方向朝上，在中心右側區域，右邊母排產生的磁場較左邊母排產生的磁場大，其整體磁感應強度方向朝下，距離中心位置相等的左右兩側位置，其磁感應強度大小相等，方向相反。

如圖4所示為磁通門芯片處的磁感應強度分布，由電磁場理論可知，此時左側芯片磁感應強度大小：

右側芯片磁感應強度大小：

r：母排中心孔半徑；

Δr:母排中心到芯片距離；

圖4 芯片磁感應強度分布

因兩芯片其方向相反，故其合磁場：

由上式可知，磁通門芯片感應的磁感應強度大小與原邊電流I成正比，與母排中心孔半徑r成反比，與母排到芯片距離Δr成正比，即原邊電流越大，母排中心孔半徑越小，母排到芯片距離Δr越大，則磁通門感應的磁感應強度越大。

2.3 仿真分析

為了確定傳感器母排中心孔直徑大小，采用Maxwell仿真軟件對母排中心孔磁場分布進行仿真分析[12-14]。

仿真模型按照實際母排尺寸進行建模，其主要尺寸為80mm×50mm×6mm，仿真模型如圖5所示。

圖5 仿真模型

實際原邊母排在通入電流時磁場分布示意圖如圖6所示。

圖6 仿真磁場分布示意圖

為了更加量化實際感應芯片處磁感應強度，在孔中心兩側各2 mm處設置一點用于檢測仿真時該位置處磁感應強度大小（模擬實際傳感器感應芯片的位置），同時，設置了4組孔直徑大小用于觀測在該孔徑下感應芯片處的磁感應強度大小，分別為15 mm，17 mm，20 mm和25 mm，數據如表1所示：

表1 芯片處磁感應強度大小

通過仿真分析，實際開發設計時，孔徑選擇D=17 mm。

2.4 電路設計

本電流傳感器方案采用+15 V單極性電源供電，主電路由電源防護電路、電壓轉換電路、精密磁通門芯片、信號處理電路等構成。傳感器封裝后通過靈活的機械安裝接口設計，貼于母排表面，實現產品小型化。

2.4.1 電源防護電路

本電流傳感器電源防護電路如圖7所示，采用壓敏電阻，電感，TVS管等常規防護器件，來提高傳感器的電磁兼容性能[15-16]，壓敏電阻RV1主要用于防護浪涌電壓，提高傳感器抗浪涌電壓的能力，電感L1主要用于提高傳感器傳導抗擾能力，VD1為整流二極管，主要用于防止電源電壓反接而損壞產品內部其他器件，VS1為TVS二極管，其主要作用為提高傳感器抵抗浪涌電壓以及電快速瞬變脈沖群的能力，電容C1及C2為濾波電容，主要用于濾除電源端干擾信號。

圖7 電源防護電路

2.4.2 電壓轉換電路

本電流傳感器使用的感應芯片其供電電源要求為+5 V，傳感器基準電壓要求+2.5 V，客戶端實際無+5 V供電電源端口，只有+15 V供電電源端口，為滿足客戶使用要求，傳感器必須自帶電壓轉換功能。

本電流傳感器電壓轉換電路主要采用TI公司TPS7B6950-Q1以及REF5025A兩款電壓基準芯片，其中電壓基準芯片TPS7B6950-Q1主要用于將+15 V電源電壓轉換為+5 V輸出，提供后續芯片及傳感器其他電路供電，其通流能力最大能達到150 mA，可以滿足全范圍內電流傳感器使用要求[17]，電壓基準芯片REF5025A芯片主要將+5 V電壓轉換為+2.5 V電壓輸出，為傳感器提供輸出基準電位，因該基準電位直接關聯傳感器輸出性能，故對其精度要求非常高，REF5025A具有高精度（0.1%），低溫漂（8 ppm/℃），低噪聲（3uVpp/V）的優點，可以滿足實際傳感器的要求。

2.4.3 芯片處理電路

本電流傳感器芯片處理電路采用雙感應芯片差分設計方式，不僅可以做到對有用進行放大輸出，同時還可以對外界干擾信號進行濾除，有效提高了傳感器抗干擾能力，提高了傳感器信噪比。

芯片處理電路如圖8所示。

圖8 芯片處理電路

由上圖可知：

VDIFF為傳感器差分輸出信號，其大小與原邊母排電流大小成正比，VCM為產品共模輸出信號，其主要用于校正傳感器安裝位置偏差。

2.5 誤差分析計算

取Δr為兩芯片之間的距離；

為了衡量外部干擾磁場對于傳感器所需有用信號的干擾情況，取母排中心孔徑為r0，母排通過電流為I0，則有：

當傳感器外部干擾電流源與原邊母排垂直時[18]，顯然其產生的磁感線不穿過感應芯片感應面，對感應芯片而言，此時干擾磁感應強度B=0。

3 傳感器樣機測試

為了衡量本開環式電流傳感器技術指標，對傳感器進行了基本性能測試，主要從精度，線性度，回差等相關指標來進行初步衡量，測試數據如表2及表3所示。

表2 傳感器正向基本性能測試數據

表3 傳感器反向基本性能測試數據

由上表可知，本開環式電流傳感器其基本誤差，線性度誤差，回差以及重復性誤差均可以達到0.5%要求以內。

傳感器樣機實物如圖9所示。

圖9 傳感器樣機

4 結束語

本電流傳感器相比傳統霍爾式電流傳感器，體積減小約20%，重量降低約50%，精度及線性度較高（0.5%），抗外界干擾能力強。該傳感器內部簡單，只有外殼與印制板，過程組裝便利，通過采用高精度電壓基準芯片，無需進行零點調試，生產效率較高。此外，傳感器通過直接嵌入母排中心孔方式進行固定，安裝以及后續拆卸時極為方便，無需影響周圍其他電氣設備。目前該電流傳感器已成功在客戶端進行實際裝車考核。