有限流保護功能的霍爾電流傳感器

王 勇，王 威，蔣 華

（中國網安-新欣神風電子科技有限公司，四川 成都 611731）

0 引 言

近年來，霍爾電流傳感器產品因其良好的精度及線性度、檢測電壓與輸出信號高度隔離、高可靠性、低功耗及維修更換方便等優點[1]，廣泛應用于航空、航天、通信、儀表、冶金及鐵路等軍品、民品領域。在很多應用中，要求霍爾電流傳感器具有過載保護功能，即初級電流超過額定值時，其輸出電流可以限制在某一固定值，不再隨初級電流的增大而增大，進而保護聚磁線圈繞組不被燒壞，同時不會將傳感器供電電壓拉低進而影響其他電路正常工作[2]。

本文簡單介紹了閉環霍爾電流傳感器的工作原理，并根據其過載應用設計了一個結構簡單、成本低、體積小的電路，用于霍爾電流傳感器的限流保護，即當初級電流過載時將輸出電流鉗位在某設定值，保護霍爾電流傳感器的聚磁線圈在過載時不被燒壞[3]。

1 閉環式霍爾電流傳感器

閉環式霍爾電流傳感器的工作原理如圖1所示。根據安培定律，原邊被測電流I1×N1將產生與電流成正比的磁場B1，開口磁環氣隙內的磁敏芯片直接測量B1的強弱，輸出霍爾電壓UH，UH經線性放大后產生一個補償電流I2，I2再通過次級多匝繞組產生磁場，該磁場與初級被測電流產生的磁場正好相反，從而對原磁場進行補償，磁補償后聚磁線圈內的磁場保持平衡狀態，即：

所以有：

故當N1/N2確定后，I2正比于I1。

當初級電流超過額定值甚至過載時，次級補償電流因線性關系將同比例增加甚至過載，過大的補償電流流經次級繞組，使得次級繞組功率損耗增大，發熱嚴重，甚至會將繞組燒斷。此外，過大的電流亦會拉低傳感器供電電壓，進而影響其他電路的正常工作。

目前，尚無帶有限流保護功能的霍爾電流傳感器。常規的限流保護電路是將檢測電阻串聯在輸出電流回路中，將該檢測電阻兩端電壓與基準值進行比較。當電流超過設定值時，通過比較器輸出將供電電源關斷。該限流保護電路相對復雜，需要基準源電路與比較器，限流電阻要消耗能量。

2 限流保護電路設計

本設計在原霍爾電流傳感器電路的基礎上增加一個限流電路，使其對供電電源的電流進行限制。當初級電流超過額定值或者過載時，供電電源的電流會增大，通過限制供電電源的電流，使得電流傳感器的輸出電流被限制在一個設定值，圖2為原理圖。

本文提出的電流保護電路由集成芯片和電阻組成，電路原理如圖3所示。

圖3中，Ucc為外部供電電壓，用于給霍爾電流傳感器供電，一般為+15 V。Uc1為三端可調節輸出正電壓穩壓器，為德州儀器（TI）公司的LM317，但不僅限于此芯片。該穩壓器輸出電壓可調，最大輸出電流達1.5 A，內部有電流限制及熱過載保護功能。Uccc1為經過穩壓器的電壓，用于給后級原霍爾電流傳感器供電。R1為限制電流調節電阻，可用于調節電流限值。電流限值可以表達為：

當霍爾電流傳感器的初級電流逐漸增大時，由式（2）可知，次級線圈的電流I2亦同比例線性增大。當流經限流電阻R1的電流I2增大到一定值，使得R1兩端的電壓超過1.25 V時，即LM317的1腳與2腳之間的電壓差超過1.25 V時，LM317將調整內部開關管的工作狀態，將流經的電流嵌位住，從而限制了次級繞組電流I2，保護次級繞組避免因過熱而燒壞。

需要注意R1的選值與封裝，應考慮其功耗。R1的最大電流為ILIMIT，最大功耗為：

應保證其最大功耗不超過其允許值，且預留余量，一般選擇多個電阻并聯。

3 試驗驗證

基于本發明設計的DC300 A轉DC100 mA直流霍爾電流傳感器，內部設置次級電流限制為250 mA（R1為5個20 Ω電阻并聯），可以滿足4倍甚至更高倍過載保護，其測試數據如表1所示。

表1 測試結果

由結果可以看出，該霍爾電流傳感器在3倍及4倍過載時，限流保護功能過載正常，次級輸出電流被嵌位在250 mA左右。

4 結 論

本文通過使用簡單的電路結構限制供電電源的電流，進而限制傳感器次級輸出電流，從而保護次級繞組線圈，避免其因功耗過大而損壞，且避免供電電源因輸出大電流而被拉低進而影響其他電路正常工作。