CN110398628A - 一种霍尔电流传感器温度补偿电路设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种协同补偿的霍尔电流传感器温度补偿电路设计方法，根据补偿电路和器件特性参数建立了协同补偿的数学模型。引入了稳压管输出参考电压温漂系数项，利用二极管和稳压管的温漂特性共同实现对霍尔元件进行温度补偿，解决了传统设计方法中忽略稳压管输出参考电压温漂系数项，只能选用低温漂稳压管的缺点。通过该模型能够精确地算出补偿所需的电路参数，实现补偿电路性能的提高和成本的降低。该方法数学模型精确度高、通用性强。

Description

一种霍尔电流传感器温度补偿电路设计方法

技术领域

本发明涉及开环霍尔电流传感设计领域，采用稳压管和PN结器件进行温度补偿的设计， 特别涉及一种霍尔电流传感器温度补偿电路设计方法。

背景技术

半导体材料受温度改变输出变化明显，成为影响霍尔传感器精度的主要方面，因此，温 度补偿电路是霍尔电流传感器的必要部分。

目前，常采用不等位电势补偿、恒流补偿和恒压补偿等方式对输出进行补偿，但民用市 场上的霍尔传感器普遍存在输出温漂过大问题。军用霍尔电流传感器温度特性好，但价格昂 贵。军用霍尔电流传感器中，由稳压管和PN结器件组成的恒流补偿电路，其结构简单、电 路可靠和性能优异而常被采用，但对稳压管的温漂特性要求较高，造成成本较高，不利于市 场推广。如何利用低性能的器件实现与高性能器件相同效果的温度补偿，降低成本，成为军 转民需要解决的一大难题。

传统的设计方法都是建立在忽略稳压管的温漂特性基础上的，不适用于稳压管温度特性 较差的场合。查阅相关文献发现，王进,阳桂蓉.直测式5V供电霍尔电流传感器设计[J].仪 表技术,2016(12):42-45.提出了利用高温票稳压管进行补偿的概念，但未给出实际实用的模型 与设计方法。

发明内容

本发明提出了一种霍尔电流传感器温度补偿电路设计方法，具体提出了协同补偿法，建 立了一个关于温度补偿设计的数学模型，利用三端稳压管和二极管的温漂特性协同为霍尔元 件进行补偿，用于降低霍尔电流传感器的成本。

为实现上述目的与其他相关目的，本发明提供一种协同补偿法的数学模型，该模型主要 由以下参数组成：稳压管偏置电流I_BIAS、稳压管输出参考电压E、稳压管参考电压E的温度 漂移系数β、二极管的正向导通压降V_on、二极管的正向导通压降V_on的温度漂移系数γ、霍 尔元件的驱动电流I_C、霍尔元件输出电压V_H、霍尔元件输出电压V_H的温度漂移系数α、霍 尔元件的霍尔系数K_H、霍尔元件不等位电势V_os、磁通密度B、电阻R1、电阻R2。包括以 下几个步骤：S1：根据霍尔元件输出电压V_H公式和输出电压温度漂移系数α的定义推导出 霍尔元件霍尔系数K_H的温度漂移系数；S2：根据霍尔元件输出电压V_H温度漂移系数α的定 义，结和霍尔系数K_H的温度漂移系数，建立温度漂移补偿后输出电压V_H温度漂移系数α′的 公式；S3：对建立的温度漂移系数α′的公式进行变换、化简，在α′＝0的目标函数约束条件下，求出温度补偿参数方程组；S4：对方程组进行求解，求出电路所需的补偿参数。

该数学关系模型中，通过稳压管参考电压E的温度漂移系数β和二极管正向导通压降V_on的温度漂移系数γ共同实现对霍尔元件输出电压V_H温度漂移系数α的补偿，电阻R1和R2 用来设置β与γ的补偿比例。相较于传统采取单一温度漂移系数γ进行补偿设计方法，协同 补偿法具有通用性强、准确度高、设计灵活的优点，同时，在硬件电路的选择上，不局限于 高性能等级的器件，适用于低成本、高性能霍尔电流传感器的设计。

附图说明

图1是本发明提出的数学模型硬件电路示意图。

具体实施方式

以下通过特定的实例说明本发明的具体实施方式，本技术领域技术人员可由本说明书所 揭露的内容轻易地了解本发明的优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加 以实施和应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同的应用场合和需求，在没有背离本发 明的精神下进行各种修饰和改变。

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配 合附图予以详细说明。

请参阅图1，本发明提出一种协同补偿法数学模型所采用的硬件电路，由三端稳压管、 电阻和二极管组成。稳压管3输出参考电压的两端并联两路恒流补偿电路，恒流补偿电路1 由电阻1组成，恒流补偿电路2由二极管2-1与电阻2-2串联组成，两并联恒流电路与三端 稳压管偏置电流I_BIAS共同形成霍尔元件4的驱动电流I_C，如公式(1)所示：

根据霍尔效应原理，霍尔元件的输出电压V_H可近似由公式(2)表示：

V_H＝K_HI_CB+V_OS (2)

由霍尔元件数据表可得霍尔元件输出电压的温度漂移系数α的定义如公式(3)所示：

其中，T1为25℃，T2为125℃，将公式(2)带入公式(3)，忽略磁通密度B、驱动电 流I_C、和不等位电势V_OS的温度漂移，可得公式(4)：

由公式(4)可得，霍尔元件的输出电压温度漂移主要由霍尔系数温漂引起，引入电流补 偿后，只需保证K_H·I_C恒定，即可保证输出电压V_H稳定，则引入电流补偿后输出电压温度 漂移系数如公式(5)所示：

对公式(5)进行变换、化简得公式(6)、(7)：

将公式(4)代入公式(7)得公式(8)：

令公式(8)中α′(V_H)＝0，即可实现电流补偿后霍尔元件输出电压V_H稳定，化简可得公 式(9)：

将公式(9)、公式(1)带入公式(8)化简可得方程组(A)：

通常，稳压管参考电压E的温度漂移系数β和二极管正向导通压降V_on的温度漂移系数 γ定义如式(10)、(11)所示:

查阅所选用器件的数据表和相关资料即可得到温漂系数β、γ、稳压管参考电压E(T1) 和二极管正向导通压降V_on(T1)；驱动电流I_C(T1)根据霍尔元件参数进行选择；稳压管偏置 电流可视为I_BIAS恒定值；将上述参数带入方程组A可化简可得方程组(B)：

方程组B是一个二元二次方程组，通过将次、消元即可求得电阻R1、R2解为(C)：

根据实际器件参数值，求得电阻R1、R2的值，即可实现对霍尔元件输出电压V_H的温度 补偿。

综上所述，本发明提出的一种协同补偿法的数学模型，相较于传统温度补偿的设计方法， 具有准确性高、通用性强的优点：

唯上所述，此数学模型能够克服传统温度补偿电路中只能选择高精密基准稳压源的缺点， 可作为高性能、低成本霍尔电流传感器温度补偿电路的设计参考。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技 术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡 所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等 效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种霍尔电流传感器温度补偿电路设计方法，其特征在于，定义参数：稳压管偏置电流I_BIAS、稳压管输出参考电压E、稳压管参考电压E的温度漂移系数β、二极管的正向导通压降V_on、二极管的正向导通压降V_on的温度漂移系数γ、霍尔元件的驱动电流I_C、霍尔元件输出电压V_H、霍尔元件输出电压V_H的温度漂移系数α、霍尔元件的霍尔系数K_H、霍尔元件不等位电势V_OS、磁通密度B、电阻R1、电阻R2；包括以下几个步骤：

S1：根据霍尔元件输出电压V_H公式和输出电压温度漂移系数α的定义推导出霍尔元件霍尔系数K_H的温度漂移系数；

S2：根据霍尔元件输出电压V_H温度漂移系数α的定义，结和霍尔系数K_H的温度漂移系数，建立温度漂移补偿后输出电压V_H温度漂移系数α′的公式；

S3：对建立的温度漂移系数α′的公式进行变换、化简，在α′＝0的目标函数约束条件下，求出温度补偿参数方程组；

S4：对方程组进行求解，求出电路所需的补偿参数。

2.根据权利要求1所述的一种霍尔电流传感器温度补偿电路设计方法，其特征在于，在步骤S1中，根据霍尔元件输出电压V_H公式和输出电压温度漂移系数α的定义，忽略不等位电势V_OS的影响，可得霍尔元件霍尔系数K_H的温度漂移系数为

3.根据权利要求1所述的一种霍尔电流传感器温度补偿电路设计方法，其特征在于，在步骤S2中，根据霍尔元件输出电压V_H温度漂移系数α的定义，建立温度漂移补偿后输出电压V_H温度漂移系数α′的公式为：

4.根据权利要求1所述的一种霍尔电流传感器温度补偿电路设计方法，其特征在于，在步骤S3中，对所建立的温度漂移系数α′的公式进行变换、化简，在α′＝0的目标函数约束条件下，求出补偿电流关系表达式和温度补偿参数R1、R2方程组为：

5.根据权利要求1所述的一种霍尔电流传感器温度补偿电路设计方法，其特征在于，在步骤S4中，对步骤S3求得的方程组进行求解，求出电路所需的补偿参数R1、R2为：