CN113608002A - 降低磁平衡式霍尔电流传感器功耗的方法及传感器 - Google Patents

降低磁平衡式霍尔电流传感器功耗的方法及传感器 Download PDF

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Abstract

本发明申请提供了一种降低磁平衡式霍尔电流传感器功耗的方法及传感器，所述霍尔电流传感器包括：霍尔元件、磁回路、缠绕于所述磁回路上的反馈电流线圈、后级放大器以及开关控制信号模块；所述方法包括：所述霍尔元件置于所述磁回路中，检测所置环境的磁感应强度；所述霍尔元件检测出的电信号经所述放大后形成反馈控制信号；所述反馈控制信号输入所述开关控制信号模块进行离散化处理形成开关控制信号，驱动所述反馈电流线圈，实现对所述磁回路的磁平衡控制。本方法将所述磁回路和所述反馈电流线圈视为一个电感，用所述离散化的开关信号进行驱动，可以有效地降低所述传感器的功耗。

Description

降低磁平衡式霍尔电流传感器功耗的方法及传感器
技术领域
本发明涉及电子电路领域，具体而言，涉及一种降低磁平衡式霍尔电流传感器功耗的方法及传感器。
背景技术
经典霍尔效应是1879年由美国物理学家霍尔(E.H.Hall)发现的一种磁电效应，并以此命名的。在现代工业中，利用霍尔效应制成的半导体元件(称为霍尔元件)广泛的应用于自动化技术、检测技术及信息处理等方面。
利用霍尔效应，可以检测霍尔元件所处环境的磁感应强度，典型应用就是电流测量领域，相关产品就是霍尔电流传感器。霍尔传感器分为线型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。线性霍尔传感器又包括开环式电流传感器和闭环式电流传感器两种，霍尔闭环电流传感器又叫磁平衡式电流传感器。其中，线型霍尔传感器因拥有很宽的磁场工作范围，以及几乎不受振动、潮湿、灰尘、油膜或环境照明等环境因素的影响的特点受到了广泛应用，特别是磁平衡式电流传感器。
为了更好地为了更好地说明本发明的特点及优势，先对电子学中“线性变换”和“开关变换”的特点做一个简要说明。
假设有一个电压(或电流)变换器，其输入电压(通常就是电源电压)为VCC，输出电压为Vo，输出电流为IO。
1、如果该变换器是采用“线性变换”方案，则在理想情况下，电源消耗的功率(P)至少为：
P＝|VCC×Io| (1)
此时的转换效率(记为η)最多为：
Figure BDA0003156766920000021
2、如果该变换器是采用“开关变换”方案，则在理想情况下，转换效率最多为100％，电源消耗的功率(P)至少为：
P＝|Vo×Io| (3)
以上两种变换方案的特点在电子技术领域广为人知，在此不加以详细论证。两种变换方案的特点在电子技术领域有众多的应用和对比实例：例如在音频功率放大器中，A类、B类以及AB类功放就相当于“线性变换”，因此其效率远不如相当于“开关变换”的D类功放。
另外需要强调一点，在电子学中，所有的“开关变换”都需要至少一只“变换电感”；所有“开关变换”方案的高效能量转换，本质上都是基于所述“变换电感”对能量的储存特性而实现的。
图1是传统的磁平衡式霍尔电流传感器结构和原理示意图，如图所示，包括：磁回路11、霍尔元件12、后级放大器13和缠绕于所述磁回路11上的反馈电流线圈14。
其中，所述磁回路11用磁性材料构成，待测电流IX一般在所述磁回路11中单匝穿芯而过；所述霍尔元件12置于所述磁回路11中，所述霍尔元件12的输出信号由所述后级放大器13检测并放大，然后去驱动所述反馈电流线圈14，并在反馈电流线圈14中产生反馈电流IF。
此时，所述磁回路11中的磁感应强度是所述待测电流IX所产生磁感应强度与所述反馈电流IF所产生磁感应强度的叠加。通过负反馈控制，使得所述磁回路11中的磁感应强度始终为零(或一个定值)，则可以用所述反馈电流线圈中的电流IF来表征所述待测电流IX的值。该电流检测方法一般又称为“零磁通(或恒磁通)”控制式。
采用上述控制方法，则所述反馈电流线圈中的电流IF正比于待测电流IX，记所述反馈电流线圈的匝数为N，则有：
Figure BDA0003156766920000031
这里必须强调一点，在以上传统的控制方法中，所述反馈电流线圈14中的反馈电流IF的产生，都是用电子学中所谓“线性变换”的方法实现的，此时为提供所需的反馈电流IF，电源所消耗的功率为：
Figure BDA0003156766920000032
其中，VCC为电源电压；P为电源消耗的功率。
可见，此时的电源功耗与待测电流IX，反馈电流线圈匝数N以及电源电压VCC相关，特别是在进行大电流测量时，将会产生较大的功耗。
发明内容
有鉴于此，在传统控制方法的基础上，本发明提供了一种降低磁平衡式霍尔电流传感器功耗的方法，基本思想是就是采用“开关变换”的方法来产生反馈电流线圈中的电流IF；由于“开关变换”具有“线性变换”所不可比拟的高转换效率，因此可以有效地降低电路功耗。
在一中可能的实现方式中，所述电流传感器包括霍尔元件、磁回路、缠绕于所述磁回路上的反馈电流线圈、后级放大器以及开关控制信号模块；所述降低磁平衡式霍尔电流传感器功耗的方法，包括：
所述霍尔元件置于所述磁回路中，检测所置环境的磁感应强度；
所述霍尔元件检测出的电信号经所述后级放大器放大后形成反馈控制信号；
所述反馈控制信号输入所述开关控制信号模块，进行离散化处理，形成开关控制信号；
所述开关信号驱动所述反馈电流线圈，实现所述磁回路中的磁平衡控制。
在本发明所提出的方法中，对比于前文所述的传统方法，增加了一个开关控制信号模块；所述开关控制信号模块的作用是将所述后级放大器输出的反馈控制信号进行离散化处理，形成开关控制信号；再用所述开关信号驱动所述反馈电流线圈，并在所述反馈电流线圈中产生所需的反馈电流，实现所述磁回路中的磁平衡控制。
在这里，所述磁回路和所述反馈电流线圈则可以统一视为一个电感，直接相当于“开关变换”中所需要的“变换电感”，因此电路中并不需要真正增加额外的“变换电感”，因此也不需要增加过多的硬件成本。
根据以上特点，本发明采用“开关变换”的方法来产生所述反馈电流线圈中的电流，可以有效地降低电路功耗。
另外补充说明以下几点：
1.本发明所提出的降低磁平衡式霍尔电流传感器功耗的方法，包含至少一个霍尔芯片，用于检测所置环境的磁感应强度。在传统的技术方案中，可以将多个霍尔芯片置于磁回路中，并通过特定的连接方式，消除(或减小)所述霍尔芯片的失调电压，稳定测量。这种方案同样适用于本发明所提出的方法。
2.本发明所提出的降低磁平衡式霍尔电流传感器功耗的方法，包含至少一个磁回路，所述磁回路上至少缠绕一组反馈电流线圈。在传统的技术方案中，例如在单电源的应用场景下，可以在磁回路上缠绕多组反馈电流线圈，通过调节所述多组反馈电流线圈的缠绕方向，实现对反馈电流所产生的磁动势方向的控制。这种方案同样适用于本发明所提出的方法。
3.开关变换器的六种基本结构(Buck，Boost，Buck-Boost，Cuk，Sepic和Zeta)及其衍生结构，都适用于本发明。如果采用具有升压功能的电子开关组结构(Boost，Buck-Boost，Cuk，Sepic和Zeta及其衍生结构)，则本发明所提出的方法将相当于使得所述传感器的输出具有更大的动态电压输出范围；对比传统的控制方法，在需要产生相同的反馈电流IF情况下，此时所述传感器可以工作在更低的电源电压下。
在一种可能的实现方式中，磁平衡式霍尔电流传感器包括霍尔元件、磁回路、缠绕于所述磁回路上的反馈电流线圈、后级放大器以及开关控制信号模块；
待测电流在磁回路中穿芯而过；
霍尔元件置于磁回路中，用于检测所置环境的磁感应强度；
所述后级放大器，用于对所述霍尔元件检测出的电信号进行放大形成反馈控制信号；
所述开关控制信号模块，用于对所述反馈控制信号进行离散化处理，形成开关控制信号；
所述反馈电流线圈，用于基于所述开关控制信号的驱动实现所述磁回路中的磁平衡控制；所述反馈线圈中的电流大小，表征了所述待测电流值。
所述磁回路和所述反馈电流线圈统一视为一个电感，用所述开关控制信号进行驱动，相当于用“开关变换”来实现在所述反馈电流线圈中产生所需的反馈电流，因此可以减小传感器的功耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为传统的磁平衡式电流传感器结构和原理示意图；
图2为本发明一实施例提供的磁平衡式电流传感器的结构示意图；
图3是本发明一实施例提供的开关控制信号模块的结构和工作原理示意图；
图4是本发明一实施例提供的用于降低磁平衡式电流传感器功耗的方法的流程示意图；
附图标记：
11、磁回路；
12、霍尔元件；
13、后级放大器；
14、反馈电流线圈；
21、磁回路；
22、霍尔元件；
23、后级放大器；
24、开关控制信号模块；
25、反馈电流线圈；
241、比较器；
242、电子开关组。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本方案，下面将结合本方案实施例中的附图，对本方案实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本方案一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本方案中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本方案保护的范围。
本方案的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他任何变形，是指“包括但不限于”，意图在于覆盖不排他的包含，并不仅限于文中列举的示例。此外，术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。
本发明则旨在通过对磁平衡式电流传感器进行改进以降低功耗。
以下结合具体附图对本发明的实现进行详细的描述：
图2为本发明一实施例提供的磁平衡式电流传感器的结构示意图，该磁平衡式电流传感器包括：磁回路21、霍尔元件22、后级放大器23、开关控制信号模块24和反馈电流线圈25。
其中，霍尔元件22置于磁回路21中，霍尔元件22、后级放大器23、开关控制信号模块24和反馈电流线圈25依次连接。
反馈电流线圈25缠绕于磁回路21上，待测电流于磁回路21中穿芯流过。
霍尔元件22，用于检测所置环境的磁感应强度，并输出检测信号。其中，检测信号为电信号。
后级放大器23，用于对检测信号进行放大生成反馈控制信号。
开关控制信号模块24，用于对反馈控制信号进行离散处理生成开关控制信号。与图1的传统磁平衡式电流传感器相比，后级放大器23的输出信号并不直接用于控制反馈电流线圈25，而是作为调制信号输入开关控制信号模块24，由开关控制信号模块24对后级放大器23的输出信号进行离散化处理，形成开关控制信号，进而去控制和驱动反馈电流线圈25。
反馈电流线圈25，用于产生反馈电流并实现磁平衡控制。反馈电流线圈25中的反馈电流通过负反馈控制，使得磁回路11中的磁感应强度始终为零(或一个定值)，则可以通过反馈电流线圈中的电流来表征待测电流。
磁回路21和反馈电流线圈25统一视为一个电感，用所述开关控制信号进行驱动，相当于用“开关变换”来实现在反馈电流线圈25中产生所需的反馈电流，因此可以减小电路的功耗。
如图3所示，是本发明一实施例提供的开关控制信号模块的结构和工作原理示意图，其中，开关控制信号模块24包括比较器241。
比较器241的输入端分别与后级放大器23和交变信号连接。
比较器241，用于根据对放大后的电信号和交变信号进行比较产生离散的开关控制信号。
比较器241的输出端，用于输出开关控制信号。
在一些实施例中，交变信号为三角波或锯齿波。其中，图3所示的交变信号为三角波。
在一些实施例中，开关控制信号模块24还包括电子开关组242(在图3中示出)。电子开关组242与比较器241的输出端连接，用于增强所述开关控制信号的驱动能力。
在一些实施例中，开关控制信号模块的数量为一个或多个，用于对所述反馈控制信号进行离散处理或多级离散处理。
图3所示的离散化处理方法采用常见的脉冲宽度调制技术，将后级放大器23的输出信号进行离散化处理，形成开关控制信号。
在其他实施例中，可以基于频率调制或导通时间控制等技术进行离散化调制。
图4示出了本发明实施例提供的用于降低磁平衡式电流传感器功耗的方法的流程示意图，如图4所示，包括如下步骤：
S401，霍尔元件置于磁回路中，检测所置环境的磁感应强度。
S402，霍尔元件检测出的电信号经后级放大器放大后形成反馈控制信号。
S403，反馈控制信号输入开关控制信号模块，进行离散化处理，形成开关控制信号。
S404，开关信号驱动反馈电流线圈，实现磁回路中的磁平衡控制。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种降低磁平衡式霍尔电流传感器功耗的方法，其特征在于，所述电流传感器包括霍尔元件、磁回路、缠绕于所述磁回路上的反馈电流线圈、后级放大器以及开关控制信号模块；所述方法包括：
所述霍尔元件置于所述磁回路中，检测所置环境的磁感应强度；
所述霍尔元件检测出的电信号经所述后级放大器放大后形成反馈控制信号；
所述反馈控制信号输入所述开关控制信号模块，进行离散化处理，形成开关控制信号；
所述开关信号驱动所述反馈电流线圈，实现所述磁回路中的磁平衡控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包含至少一个霍尔芯片，用于检测所置环境的磁感应强度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包含至少一个磁回路，所述磁回路上至少缠绕一组反馈电流线圈。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包含至少一个后级放大器，用于将所述霍尔元件检测出的电信号进行放大。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包含至少一个开关控制信号模块，用于将所述后级放大器的输出信号进行离散化处理，形成用于驱动所述反馈电流线圈的开关控制信号。
6.一种磁平衡式霍尔电流传感器，其特征在于，包括霍尔元件、磁回路、缠绕于所述磁回路上的反馈电流线圈、后级放大器以及开关控制信号模块；
待测电流在磁回路中穿芯而过；
霍尔元件置于磁回路中，用于检测所置环境的磁感应强度；
所述后级放大器，用于对所述霍尔元件检测出的电信号进行放大形成反馈控制信号；
所述开关控制信号模块，用于对所述反馈控制信号进行离散化处理，形成开关控制信号；
所述反馈电流线圈，用于基于所述开关控制信号的驱动实现所述磁回路中的磁平衡控制；所述反馈线圈中的电流大小，用于所述待测电流值。
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