CN112147393A - 一种闭环电流传感器的设计方法 - Google Patents

Abstract

一种闭环电流传感器的设计方法，所述闭环电流传感器包括感磁芯片、磁路、反馈线圈和信号处理电路，所述磁路由沿圆周方向间隔布置的铁芯段组成或为全空心磁路，电流传感器的设计方法包括以下步骤：确定传感器的结构；确定二次电流的大小；根据二次电流及线圈匝数确定传感器的标准反馈量，进而确定传感器的设计反馈量；计算电流到磁场的转化函数的值；计算信号处理电路的放大倍数K，确定信号处理电路的放大倍数后即可确定信号处理电路，从而完成闭环电流传感器的整体设计。本发明可以有效的降低传感器的功耗，降低成本，平衡电流传感器中遇到的精度与功耗问题，尤其适用于高精度大量程、低功耗的闭环电流传感器的设计。

Description

一种闭环电流传感器的设计方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，尤指涉及一种基于磁电阻的闭环电流传感器的设计方法。

背景技术

近年来智能电网的浪潮席卷全球，已成为当前低碳、高效经济时代全球能源发展和变革的重大研究课题。为实现智能电网的实时监测和控制，先进的传感和测量技术亟待开发。智能电网的核心是电力能量流和信息流的深度融合，是基于信息技术对电网事态的深度感知和掌控。智能电网可以监测各个关键节点和设备的实时信息，通过先进的控制决策技术，实现电网的实时优化和调度，提高资源的优化配置和利用效率，通过快速智能故障辨别技术，预测电网故障行为，快速定位故障位置，判断故障发生原因，提高电网的自愈能力。

电流传感器是构成智能电网的关键设备之一，电流传感器主要分为开环电流传感器和闭环电流传感器。开环电流传感器具有结构简单，功耗低，成本低的优点。开环电流传感器的信号传递函数为U(s)＝(I(s)+N(s))S_HK，式中的I(s)为被测电流，N(s)为干扰信号，S_H为感磁芯片的灵敏度，K为信号处理电路的放大倍数。图1为开环电流传感器的原理框图，结合图1可以看出，在开环电流传感器中，感磁芯片检测到信号，检测信号会经信号处理电路放大输出，与此同时，干扰信号(磁场)也会一起被信号处理电路放大，而感磁芯片自身的非线性以及后级电路造成的误差也会直接作用在输出信号上，因此，开环电流传感器的精度通常较低。

闭环电流传感器加入了反馈系统，因此相对于开环电流传感器来说，具有抑制干扰信号的能力，精度较高。闭环电流传感器信号传递函数为i(s)＝(I(s)+N(s)-i(s)W)vS_HK/R，式中的I(s)为被测电流，N(s)为干扰信号，i(s)为输出电流信号，W为传感器的线圈总匝数，v为电流到磁场的转化函数，S_H为感磁芯片的灵敏度，K为信号处理电路的放大倍数，R为二次电阻的阻值，U(s)＝i(s)*R'，R’为采样电阻。图2为闭环电流传感器的原理框图，结合图2可以看出，闭环电流传感器加入了反馈系统，在对检测到的信号进行处理后会提供一个反馈信号，反馈系统根据前一级提供的信号，将电压信号转换为电流信号，并通过磁路中的磁场作用于传感器的输入端，由此提高了传感器的精度。闭环电流传感器中的比较环节是在磁路中将一、二次电流产生的磁场进行对抵，以达到零磁通状态，而反馈的二次电流由传感器提供，因此相对于开环电流传感器而言，功耗会增大很多，尤其对于大电流的测量。而且闭环电流传感器由于加入了反馈系统，电路更加复杂，也会提高成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以降低传感器功耗的闭环电流传感器的设计方法。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

一种闭环电流传感器的设计方法，所述闭环电流传感器包括感磁芯片、磁路、反馈线圈和信号处理电路，所述磁路设置于一骨架外壳中，所述反馈线圈绕设于所述骨架外壳的外围，所述感磁芯片设置于所述磁路的开口处，所述信号处理电路与所述感磁芯片和所述反馈线圈相连；所述磁路由沿圆周方向间隔布置的铁芯段组成，或者所述磁路为全空心磁路，并且通过所述反馈线圈形成闭环响应的电流传感方式，所述闭环电流传感器的设计方法包括以下步骤：

S1、确定传感器的结构，包括确定传感器的尺寸、磁路的结构、线圈总匝数、磁感芯片的类型；

S2、根据传感器功耗要求确定二次电流的大小；

S3、根据二次电流及线圈匝数确定传感器的标准反馈量，进而根据标准反馈量确定传感器的设计反馈量，设计反馈量小于等于标准反馈量；

S4、计算电流到磁场的转化函数v的值，

式中的H表示感磁芯片所在位置的磁场，I表示被测电流；

S5、计算信号处理电路的放大倍数K，放大倍数K根据

计算，式中的S_H为感磁芯片的灵敏度，v为电流到磁场的转化函数值，R为二次电阻的阻值，A为开环放大倍数，确定信号处理电路的放大倍数后即可确定信号处理电路，从而完成闭环电流传感器的整体设计。

更具体的，所述磁路由沿圆周方向间隔布置的铁芯段组成时，磁路结构包括铁芯段的数量，相邻铁芯段之间的间距、铁芯的尺寸。

更具体的，步骤S2中二次电流的大小根据P＝UI计算，式中的P为传感器功耗，U为传感器供电电压，I为二次电流。

更具体的，步骤S3中传感器的标准反馈量1+AW根据下式计算：

式中的I(s)为被测电流，N(s)为干扰信号，W为线圈总匝数，A为开环放大倍数，i(s)为输出电流信号。

更具体的，所述感磁芯片为隧道磁电阻芯片。

由以上技术方案可知，本发明通过增大电流信号对磁场的转化率和降低闭环系统的反馈深度相结合的方法来控制传感器的精度、功耗、饱和等参量，一方面通过磁路的设计来降低反馈电流，进而降低功耗；另一方面根据功耗等参数需求来调节信号处理电路的参数，也就是在一定程度上限制下一级中的反馈信号大小，使整个闭环系统处于不完全反馈状态，即通过调节后级电路的参数控制传感器反馈深度，从而控制功耗和精度。通过以上手段，本发明可以有效的降低传感器的功耗，降低成本，平衡电流传感器中遇到的精度与功耗问题，尤其适用于高精度大量程、低功耗的闭环电流传感器的设计。而且，在磁路设计上，本发明使用不完整的铁芯，甚至不使用铁芯，可以有效的解决在大电流测试中遇到的铁芯饱和以及铁芯工艺造成的漏磁问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为开环电流传感器的原理框图；

图2为闭环电流传感器的原理框图；

图3为本发明实施例的结构示意图；

图4为空心磁路的骨架外壳的结构示意图；

图5为分段铁芯磁路的结构示意图；

图6为分段铁芯设置于骨架外壳内的结构示意图。

具体实施方式

为了让本发明的上述和其它目的、特征及优点能更明显，下文特举本发明实施例，并配合所附图示，做详细说明如下。在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。需要说明的是，附图采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。

根据传统的闭环电流传感器的调制机制，电流传感器中的闭环磁路要求达到零磁通，因此一二次安匝比

趋于1。对于闭环电流传感器而言，其功耗主要有两部分：一部分是电路板的消耗；另一部分为反馈电流(二次电流)的消耗。电路板中的电流消耗一般在微安级，而反馈电流则与被测电流相关，通常达到毫安级，因此闭环电流传感器的功耗主要由反馈电流决定。

通过对闭环电流传感器的信号传递函数进一步整理，得到：

式中的A为开环放大倍数，

1+AW为闭环电流传感器的反馈量，反馈量在一定程度上决定了闭环电流传感器系统的反馈深度，等式左边的第二项为系统的误差来源。由上式可以看出，对于传统闭环电流传感器来说，在磁路达到零磁通的状态下，为了最大程度地降低干扰，可以提高线圈匝数和/或开环放大倍数，因此A、W>>1。

为了平衡功耗与精度，本发明的基本思路是：通过调整信号检测部分电流对磁场转化率以及控制信号处理部分闭环系统的反馈量，使最终的比较环节安匝比小于1，且闭环系统处于一种动态稳定中，从而控制电流传感器的功耗和精度。要降低信号检测部分电流对磁场的转化率，可以通过增大信号检测部分磁路的磁阻，相同电流下降低磁场强度，使得电流对磁场的转化率降低，达到减小反馈电流的效果，从而降低功耗。在确定信号检测部分的结构后，还可以进一步通过调节信号处理部分的参数来控制系统的反馈深度，从而降低功耗。

根据磁路定理，磁通势/磁动势ζ＝Wi，式中的W为线圈匝数，i为线圈电流；

磁阻

式中的l_i为磁路长度，μ₀为真空磁导率，μ₁为相对磁导率，S_i为磁路的横截面积；

对于电流传感器的磁芯，

μ₀为真空磁导率，μ₁为铁芯的相对磁导率，S₁＝S₀，l₀为空气磁路长度，l₁为铁芯磁路长度，根据高斯定理，Φ₁＝Φ₀＝B*S；从而可将磁阻公式

整理为

由于铁芯磁导率远大于空气，即μ₁＞＞1，因此上式可进一步整理为

由

可知，磁路磁阻主要是由磁路中空气间隙的磁阻决定，通过增大空气磁路的长度，可以增大磁路的磁阻，因此本发明采用在传感器的铁芯(磁芯)上设置开口(气隙)的方式来增大磁路磁阻，铁芯上开口的数量增多，或开口长度增大都可以增大信号检测部分磁路的磁阻，以此降低被测位置的磁场强度，以及降低电流到磁场再到电压转化过程的增益。

根据磁介质的磁荷理论，当介质(铁芯)被电流产生的磁场H₀磁化后，在介质两端会出现N、S磁极，它们将在介质内外产生一个附加磁场H’，H’的方向与外磁场的方向相反，也称H’为退磁场，退磁场的存在增加了介质的磁场难度。H’＝NJ/μ₀，式中的N为退磁因子，J为磁极化强度，J/μ₀的量纲与磁场量纲相同，因此退磁因子为纯数，退磁因子由磁介质的形状和磁化方向决定。

退磁因子的存在意义是建立于介质被均匀磁化的基础上，理论证明，只有椭球形的磁介质才能在均匀外磁场中均匀磁化，因而对于退磁因子的研究可以沿椭球形的三个主轴分为N_a、N_b、N_c，N_a+N_b+N_c＝1。球体、细长圆柱体、无限大薄片为三种特殊的椭球体，对于球体，三个轴退磁因子相等，即N_a＝N_b＝N_c＝1/3；对于细长圆柱体，N_a≈0，N_b＝N_c＝1/2；对于无限大薄片，N_a＝1，N_b＝N_c＝0。电流传感器中通常使用环形铁芯绕制线圈来进行磁化，闭合铁芯由于导线产生的磁场是圆形闭合的线，它在铁芯上不会遇到垂直的端面，从而任何地方也不会出现磁荷，因而退磁因子为0，最易被磁化；而开口铁芯由于具有气隙，和闭合铁芯不同，开口铁芯由若干段沿圆周方向均匀间隔设置的铁芯组成，每一段铁芯的大小以及与相邻铁芯间的间距相同。由于电流磁场的方向沿圆周方向闭合，因此铁芯磁化后的磁荷主要分布于铁芯的截面上，近似于圆柱形的磁介质的磁化情况，在磁介质棒的磁化中，介质的退磁因子N由几何因素l/d决定，l为磁介质棒的轴向长度，d为磁介质帮的端面直径，l/d越大N越小，l/d越小N越大。磁介质棒的端面上的磁荷面密度为±σ_m＝±J，它们相当于一对彼此相距l、直径为d的均匀磁荷面。根据库伦定律和叠加原理，它们在中心处产生的退磁场为：

由此退磁因子N＝1-(l/d)(1+(l/d)^1/2)^-1/2。类比可以得到，若干分段铁芯的端面磁荷也是由端面大小与铁芯弧长来决定，本发明增大铁芯间隙或增大间隙数量都在一定程度上减小了铁芯的弧长，在铁芯端面(截面)大小不变的情况下弧长的减小可以增大退磁因子，增加铁芯介质被磁化的难度，同样的条件下，铁芯回路的抗饱和能力也会增强。在铁芯上设置开口还存在一种极端的特殊情况，即开口长度等于铁芯长度的情况下，也就是无铁芯(全空心磁路)的情况，全空心磁路除了可以抗饱和之外，还能避免漏磁对传感器精度的影响。

如图3所示，本实施例的闭环电流传感器包括感磁芯片1、铁芯2、反馈线圈3以及信号处理电路4，感磁芯片1、铁芯2和反馈线圈3组成闭环电流传感器的信号检测部分，铁芯2构成闭环电流传感器中的磁路，通过反馈线圈(即反馈电路)形成闭环响应的电流传感方式。信号处理电路4包括信号调制电路和电压输出电路。铁芯2由若干段沿圆周间隔布置的铁芯段组成，感磁芯片1设置于铁芯2的开口处，对于本发明来説，任意相邻的铁芯段之间的间隙都可以作为放置感磁芯片1的开口，铁芯段可以是均匀间隔布置，也可以是非均匀间隔布置，每段铁芯段的大小可以相同，也可以不同。感磁芯片1用于感应被测电流产生的磁场并输出电压信号，为后级信号调制电路提供相对于被测电流的参考电压。反馈线圈3用于提供反馈电流，在感磁芯片1所在位置产生与被测电流相差π相位的磁场，同时为电压输出电路提供信号。信号调制电路用于将上一级电压信号进行放大、滤波、整流等处理，为反馈线圈3提供可靠的反馈信号。电压输出电路用于将信号调制电路提供的电流信号转化为电压信号输出。

本发明的电流传感器的设计方法包括以下步骤：

S1、确定传感器的结构，包括确定传感器的尺寸、磁路的结构、线圈总匝数、磁感芯片的类型，当磁路由分段铁芯组成时，磁路结构包括铁芯段的数量，相邻铁芯段之间的间距、铁芯的尺寸；确定传感器尺寸后可通过仿真确定铁芯结构；

S2、根据传感器功耗要求确定二次电流的大小，二次电流的大小根据下式计算：P＝UI，式中的P为传感器功耗，U为传感器供电电压，I为二次电流；

S3、根据二次电流及线圈匝数确定传感器的标准反馈量，进而根据标准反馈量确定传感器的设计反馈量，设计反馈量只要小于标准反馈量即可；

传感器的标准反馈量1+AW根据下式计算：

式中的I(s)为被测电流，N(s)为干扰信号，W为线圈总匝数，A为开环放大倍数，i(s)为输出电流信号，I(s)和i(s)为已知量，N(s)在设计过程中可忽略；

S4、计算电流到磁场的转化函数v的值，

式中的H表示感磁芯片所在位置的磁场，I表示被测电流，也就是I(s)；I(s)已知，H可通过仿真计算得到；

S5、根据所确定的传感器结构，计算信号处理电路的放大倍数K，放大倍数K根据

计算，式中的S_H为感磁芯片的灵敏度，R为二次电阻的阻值，开环放大倍数A可由步骤S3计算得到的标准反馈量1+AW确定，确定信号处理电路的放大倍数后即可根据需求(放大倍数)确定信号处理电路，从而完成闭环电流传感器的整体设计。信号处理电路的设计为电路设计领域常规的方法，不是本发明的创新之处，此处不做赘述。

下面以两个具体的实施例来对本发明做详细的说明。

实施例1

设计100A～4V输出的闭环电流传感器，精度要求：0.5％，功耗要求：1W。

首先根据传感器的使用需求确定传感器结构，传感器采用35×27×4的骨架外壳，线圈总匝数根据骨架外壳尺寸及被测电流大小决定，由于传感器的外径要求＜40mm，内径＞25mm，因此将线圈总匝数设计为1000匝；本实施例采用全空心磁路，即骨架外壳内不设置铁芯，骨架外壳的作用是为了绕制反馈线圈以及固定感磁芯片(图4)，感磁芯片采用隧道磁电阻芯片；

根据传感器功耗确定二次电流的大小，传感器的功耗要求为1W，供电电压为12V，则根据P＝UI计算，得到二次电流的最大值为83mA；

根据二次电流及线圈总匝数计算出传感器的标准反馈量1+AW，本实施例的i(s)为50mA，I(s)为100A，W为1000，根据

计算，得到的标准反馈量1+AW为5.88，设计反馈量不超过标准反馈量，本实施例将设计反馈量定为2；

根据所设计的传感器结构进行仿真，当一次电流(被测电流I(s))为100A时，感磁芯片所在位置的磁场为8.8273Oe，根据

计算电流到磁场的转化函数v的值，计算得到的v值为0.088；

根据

确定信号处理电路的放大倍数K，本实施例所采用的感磁芯片的灵敏度为40mV/Oe，vS_H＝3.53*10^-3V/A，二次电阻的阻值R为40Ω，A为2*10^-3，经计算得到信号处理系统的放大倍数K为22.66。本实施例设计的传感器的电压到电流的转化率为0.025。

实施例2

设计100A～4V输出的闭环电流传感器，精度要求：0.5％，功耗要求：1W。

首先根据传感器的使用需求确定传感器结构，传感器采用35×27×4的骨架外壳，线圈总匝数根据骨架外壳尺寸及被测电流大小决定，由于传感器的外径要求＜40mm，内径＞25mm，因此将线圈总匝数设计为1000匝；本实施例的铁芯由12段沿圆周均匀间隔布置的铁芯段组成(图5)，将12段铁芯段及感磁芯片设置于骨架外壳中(图6)，感磁芯片采用隧道磁电阻芯片；

根据传感器功耗确定二次电流的大小，传感器的功耗要求为1W，供电电压为12V，则根据P＝UI计算，得到二次电流的最大值为83mA；

根据二次电流及线圈总匝数计算出传感器的标准反馈量，本实施例的i(s)为50mA，I(s)为100A，W为1000，计算得到的标准反馈量为5.88，将设计反馈量定为2；

根据所设计的传感器结构进行仿真，当一次电流(被测电流)为100A时，感磁芯片所在位置的磁场为17.165Oe，根据

计算电流到磁场的转化函数v的值，计算得到的v值为0.172；

根据

确定信号处理电路的放大倍数K，本实施例所采用的感磁芯片的灵敏度为40mV/Oe，则vS_H＝6.6*10^-3V/A，二次电阻的阻值R为40Ω，A为2*10^-3，经计算得到信号处理系统的放大倍数K为12.12。电压到电流的转化率为0.025。

传统的闭环电流传感器要求电路在开环情况下打满，将检测到的信号转化为电流完全反馈到输入端，使磁路达到零磁通状态，由于传统闭环电流传感器要求磁路达到零磁通，即

因此要达到同样的功耗，线圈总匝数要增加一倍，这无疑会增加传感器的体积、重量及制作成本，而且在大量限测量时受尺寸、重量、功耗等条件限制，将很难完成闭环设计，且传感器过大或过重也会带来一定的安全隐患。

本发明通过增大电流信号对磁场的转化率和降低闭环系统的反馈深度相结合的方法来控制传感器的精度、功耗、饱和等参量，一方面通过磁路的设计来降低反馈电流，进而降低功耗；另一方面根据功耗等参数需求来调节信号处理电路的参数，也就是在一定程度上限制下一级反馈信号的大小，使整个闭环系统处于不完全反馈状态，即通过调节后级电路的参数控制传感器反馈深度，从而控制功耗和精度。而且全空心磁路的方案中，完全由空气磁路组成，避免了大电流情况下铁芯完全磁化达到饱和磁通时对于传感器测试的影响可以有效解决电流传感器中遇到的铁芯饱和问题，同时也避免了开口铁芯的漏磁现象。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (5)

1.一种闭环电流传感器的设计方法，所述闭环电流传感器包括感磁芯片、磁路、反馈线圈和信号处理电路，所述磁路设置于一骨架外壳中，所述反馈线圈绕设于所述骨架外壳的外围，所述感磁芯片设置于所述磁路的开口处，所述信号处理电路与所述感磁芯片和所述反馈线圈相连；

其特征在于：所述磁路由沿圆周方向间隔布置的铁芯段组成，或者所述磁路为全空心磁路，并且通过所述反馈线圈形成闭环响应的电流传感方式，所述闭环电流传感器的设计方法包括以下步骤：

S1、确定传感器的结构，包括确定传感器的尺寸、磁路的结构、线圈总匝数以及磁感芯片的类型；

S2、根据传感器功耗要求确定二次电流的大小；

S3、根据二次电流及线圈匝数确定传感器的标准反馈量，进而根据标准反馈量确定传感器的设计反馈量，设计反馈量小于等于标准反馈量；

S4、计算电流到磁场的转化函数v的值，

式中的H表示感磁芯片所在位置的磁场，I表示被测电流；

S5、计算信号处理电路的放大倍数K，放大倍数K根据

计算，式中的S_H为感磁芯片的灵敏度，v为电流到磁场的转化函数值，R为二次电阻的阻值，A为开环放大倍数，确定信号处理电路的放大倍数后即可确定信号处理电路，从而完成闭环电流传感器的整体设计。

2.如权利要求1所述的闭环电流传感器的设计方法，其特征在于：所述磁路由沿圆周方向间隔布置的铁芯段组成时，磁路结构包括铁芯段的数量，相邻铁芯段之间的间距、铁芯的尺寸。

3.如权利要求1所述的闭环电流传感器的设计方法，其特征在于：步骤S2中二次电流的大小根据P＝UI计算，式中的P为传感器功耗，U为传感器供电电压，I为二次电流。

4.如权利要求1所述的闭环电流传感器的设计方法，其特征在于：步骤S3中传感器的标准反馈量1+AW根据下式计算：

式中的I(s)为被测电流，N(s)为干扰信号，W为线圈总匝数，A为开环放大倍数，i(s)为输出电流信号。

5.如权利要求1所述的闭环电流传感器的设计方法，其特征在于：所述感磁芯片为隧道磁电阻芯片。

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