CN117147939A - 一种霍尔电流传感器及读出电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种霍尔电流传感器及读出电路，将母线、霍尔传感器、磁阻传感器和聚磁层包裹在非铁磁材料中可以提供绝缘，以减少干扰，提高灵敏度，提高测量精度和稳定性；霍尔传感器与母线之间涂敷有聚磁层可以起到磁场中集中和增大磁场强度的效果，将聚磁层包裹在非铁磁材料中可以避免铁磁材料对磁场的干扰，更有效地集中和增强磁场，提高设备的性能和效率。而且霍尔传感器和磁阻传感器两种传感器的组合使用，可以获得更准确和可靠的电流测量数据，可以满足不同应用的要求。
Description
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，尤其涉及一种霍尔电流传感器及读出电路。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着能源枯竭、环境污染等问题的加剧，传统燃油车行业的压力变大，而大力发展电动汽车技术及促进相关产业的发展逐渐称为汽车工业新的竞争焦点。电动汽车(EV)和其他的电动设备一样，都包括电流传感系统。更具体地说，电流传感系统通常与逆变器和DC-DC转换器一起用来测量电流的大小。在其他设备中，电流传感系统收集的测量数据可以用于评估电池的充放电周期，并控制脉宽来调制逆变器开关。随着全球对部署电动汽车的兴趣的增加，对紧凑和精确的电流传感系统的需求也增加了。电流检测技术在轨道交通、工业控制、电源系统、光伏逆变器、新能源等领域被广泛应用。
电流检测方法主要有两种原理，分别是：
1、直接检测法
代表方法为电阻法检测电流，电阻法是基于欧姆定律的电流检测方法，其基本工作原理为采样电阻串联在电流回路中，通过检测电阻两端的电压反映原边电流的大小，采样信号经过一系列滤波放大电路后反馈给控制芯片。然而电阻法在使用时，需要配合相应的隔离电路，以实现高压母线与低压控制板的隔离。除此之外，为了保持较高的采样精度，还要考虑到电阻温漂、电阻的频率特性、热电动势、功率损耗及散热等方面的影响。
2、磁电转换式电流检测法
磁电转换式电流检测是基于电磁感应定律的检测方法，这种方法本身就具有电气隔离的功能。常用的磁电式电流检测装置有很多类，如电流互感器、罗氏线圈(RogowskiCoil)、磁通门电流传感器、磁敏电阻传感器、霍尔电流传感器等。
电流互感器主要是将一次侧大电流转换为二次侧小电流来进行测量的仪器。常用的电磁式互感器的测量范围较广精度较高，广泛运用于电力系统中。但带宽较低，一般只用于测量低频电流或直流电流。
罗氏线圈是利用电流变化率进行测量电流的装置，又称为微分电流传感器。罗氏线圈中不存在铁磁性材料，无磁滞效应且不会出现磁饱和现象，精度高、结构简单、安装方便、稳定可靠，适合测量瞬态电流的场合，但其不能用于测量稳态直流电流。
磁通门电流传感器是利用被测磁场中高导磁铁芯在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的一种传感器。虽然磁通门电流传感器灵敏度和分辨率都很高，但其响应时间较慢，一般只能用于测量低频小电流。
磁敏电阻传感器是利用半导体的磁阻效应进行磁场测量的装置。与磁通门相比，磁敏电阻的灵敏度更高。但是其缺点是电流测量范围较小，一般用于转速测量、位置测量和保护等电路中。
且传统的开环电磁感应电流传感器的聚磁环有一段空气气隙，而空气气隙磁阻很大，会大幅削减气隙内的磁场强度；同时气隙切面的凹凸状况会影响气隙间磁场强度大小和磁场均匀程度，而且对气隙切面的凹凸度与磁场均匀度关系进行具体研究是非常困难的。现有的电流传感系统利用铁氧体制作空心的圆环结构，其磁芯可以实现低磁阻通路同时作为磁旁路减小气隙处的磁感应强度，但是磁力线几乎全部聚集在圆环磁芯中，而量测位置处于圆环内部气隙，其内部气隙经过极少的磁力线，容易产生测量误差。虽然铁镍钼材质的磁环在理论上都满足设计要求，但是铁镍钼是一种类似黏土结构的材料，质地较脆，加工难度大，用手工锉刀打磨出的间隙，不能完全保证间隙的磁场强度均匀。
现有的霍尔传感器稳定性较差，输出信号受到温度变化的影响大，特别是在高温环境下，会出现不稳定的情况。现有的设计还容易受到周围磁场的影响，导致误差增加。虽然霍尔传感器可以用于检测磁场强度，但是现有的霍尔传感器精度较低，尤其是在微小磁场强度的检测方面。
电流是电动汽车中受到监测的众多的基本状态量之一，实时、精确、可靠的测量电流的变化对于智能电动汽车的发展十分重要。相比于磁力法、电磁感应法、磁饱和法、电磁效应法、磁共振法、超导效应法及磁光效应法等，霍尔效应电流传感器拥有高灵敏度，宽范围，可测直流到高频的电流信号的优点，并且具有成本低、体积小、更好的温度稳定性等优点，适合大规模推广。
近年来，霍尔电流传感器产品因具有良好的精度及线性度、检测电压与输出信号高度隔离、高可靠性、低功耗以及维修更换方便等优点，广泛应用于航空、航天、通信、仪表、冶金以及铁路等军品和民品领域。在很多应用中要求霍尔电流传感器的零点输出为基准的2.5V，即检测电流为零时，传感器输出电压为2.5V，当检测电流为负方向时，传感器输出电压为一个小于2.5V的电压值，当检测电流正方向时，传感器输出电压为一个大于2.5V的电压值，检测电流与输出电压变化成线性关系。目前的霍尔电流传感器存在空气气隙磁阻很大的问题，而且标准工艺下霍尔信号十分微弱通常在几百微伏到几毫伏，伴随着霍尔电压一起输出的还包括因生产工艺引起的失调信号和噪声，失调的存在将影响传感器的精度。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种霍尔电流传感器及读出电路，将母线、霍尔传感器、磁阻传感器和聚磁层包裹在非铁磁材料中可以提供绝缘，以减少干扰，提高灵敏度，提高测量精度和稳定性，起到磁场中集中和增大磁场强度的效果。
为实现上述目的，本发明的第一个方面提供种霍尔电流传感器，包括：非铁磁材料，设置在所述非铁磁材料内的直流母线，霍尔传感器、磁阻传感器和聚磁层，在所述霍尔传感器与所述直流母线之间涂覆有所述聚磁层；
所述霍尔传感器用于根据直流母线中的电流产生的磁场变化检测电流强度，所述磁阻传感器用于直流母线中的电流产生的磁场变化对电阻的作用检测电流。
本发明的第二个方面提供一种霍尔电流传感器的读出电路，包括：
四相旋转电流电路，所述四相旋转电流电路的输入端与霍尔传感器端口连接；
信号放大电路，所述信号放大电路的输入端与所述四相旋转电流电路的输出端连接；
相关双采样电路，所述相关双采样电路的输入端与所述信号放大电路的输出端连接；
减法电路，所述减法电路的输入端与所述相关双采样电路输出端连接；
采样保持电路，所述采样保持电路的输入端与所述减法电路的输出端连接；
模数转换电路，所述模数转换电路的输入端与所述采样保持电路的输出端连接。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
在本发明中，将母线、霍尔传感器、磁阻传感器和聚磁层包裹在非铁磁材料中可以提供绝缘，以减少干扰，提高灵敏度，提高测量精度和稳定性；霍尔传感器与母线之间涂敷有聚磁层可以起到磁场中集中和增大磁场强度的效果，将聚磁层包裹在非铁磁材料中可以避免铁磁材料对磁场的干扰，更有效地集中和增强磁场，提高设备的性能和效率。而且霍尔传感器和磁阻传感器两种传感器的组合使用，可以获得更准确和可靠的电流测量数据，可以满足不同应用的要求。
在本发明中，将四相旋转电流电路应用在霍尔传感器的读出电路中，四相旋转电流电路通过将电流分成四个相位来解决失调信号和噪声，每个相位的电流互相平衡，相位间的失调信号可以相互抵消，从而减小整个电路的失调影响。四相旋转电流电路通过同时采集四个相位的电流信号，并采用合理的叠加运算能够减弱噪声问题，实现有效信号的叠加的同时相互之间消除工作环境产生的串模干扰和共模干扰提升电路的抗噪声能力。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例一中霍尔传感器和磁阻传感器垂直分布的单母线系统示意图；
图2为本发明实施例一中霍尔传感器和磁阻传感器平行分布的单母线系统示意图；
图3为本发明实施例一中霍尔传感器和磁阻传感器相邻分布的单母线系统示意图；
图4为本发明实施例一中霍尔传感器和磁阻传感器垂直分布的多母线系统示意图；
图5为本发明实施例一中霍尔传感器和磁阻传感器垂直分布的单根弯折母线系统示意图；
图6为本发明实施例一中霍尔传感器和磁阻传感器垂直分布的多根弯折母线系统示意图；
图7为本发明实施例二中霍尔传感器读出电路整体示意图；
图8为本发明实施例二中集成霍尔器件电路图；
图9为本发明实施例二中四相旋转电流电路图；
图10为本发明实施例二中信号放大器电路图；
图11为本发明实施例二中相关双采样电路；
图12为本发明实施例二中减法电路图；
图13为本发明实施例二中具有电压跟随的采样保持电路图；
图14为本发明实施例二中模数转换电路图；
图15为本发明实施例二中辅助电路图；
图16为本发明实施例二中辅助电路的时钟电路图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
一种霍尔电流传感器包括母线、磁场传感器、聚磁层和非铁磁过模材料。其中、母线、磁场传感器和聚磁层均包裹在非铁磁过模中。
一种电气系统可以包括一个或多个母线、一个或多个磁场传感器。
在本实施例中，可以根据不同检测要求使用任何兼容的磁场传感器。本实施例以霍尔芯片和磁阻传感器两种传感器共用做为示例进行说明。
具体的，一种电流传感装置包括母线、霍尔传感器、磁阻传感器、聚磁层和非铁磁过模材料，母线、霍尔传感器、磁阻传感器和聚磁层均包裹在非铁磁过模中，且霍尔传感器与母线之间涂敷有聚磁层，使霍尔传感器与母线隔开。当母线中有电流流过时，非铁磁过模不能阻隔电流产生的磁场。
在本实施例中，将母线、霍尔传感器、磁阻传感器和聚磁层包裹在非铁磁材料中主要是为了提供绝缘，以减少干扰，提高灵敏度，提高测量精度和稳定性，以及增强磁场集中和增强的效果。涂敷聚磁层是为了磁场中集中和增大磁场强度，将聚磁层包裹在非铁磁材料中可以避免铁磁材料对磁场的干扰，更有效地集中和增强磁场，提高设备的性能和效率。
其中磁场传感器包括霍尔传感器及磁阻传感器，两个传感器可以根据实际使用要求布置在母线的相同或不同位置。这使得本实施例设计的结构有更广阔的使用场景，应对不同的环境可以有多个方案可以备用。
其中，非铁磁过模是指具有热固性的电介质，当母线中通过电流时不会阻隔电路产生的磁场。在实际情况中，介电材料可以是聚烯烃、环氧树脂或聚酰亚，也可以根据应用的条件使用具有足够强度的任何介电材料。
在一些实际应用中，所使用的介电材料可以是聚烯烃，在其他实际应用中使用的介电材料也可以是环氧树脂。若前两者均不能满足实际情况的要求，所使用的介电材料亦可以是聚酰亚胺。根据不同的应用场景上述所有介电材料可以替换为聚合物材料、陶瓷和玻璃或其他热固性的电介质。
需要说明的是，可以根据不同检测要求使用任何兼容的磁场传感器。本实施例选择霍尔芯片和磁阻传感器两种传感器共用做为示例。
具体的，如图1所示，为霍尔传感器和磁阻传感器垂直分布的单母线系统，霍尔传感器与磁阻传感器分别在母线上垂直设置。
如图2所示，为霍尔传感器和磁阻传感器平行分布的单母线系统，霍尔传感器与磁阻传感器分别在母线上平行设置。
如图3所示，为霍尔传感器和磁阻传感器相邻分布的单母线系统，霍尔传感器与磁阻传感器分别在母线上相邻。
如图4所示，为霍尔传感器和磁阻传感器垂直分布的多母线系统，非铁磁过膜中设置有多个母线，每个母线上有垂直设置的霍尔传感器和磁阻传感器。
如图5所示，为霍尔传感器和磁阻传感器垂直分布的单根弯折母线系统，母线在非铁磁过膜中呈一定折弯角度设置，霍尔传感器和磁阻传感器在母线上垂直设置。
如图6所示，为霍尔传感器和磁阻传感器垂直分布的多根弯折母线系统，非铁磁过膜中设置有多个母线，多个母线在非铁磁过膜中分别呈一定折弯角度设置，每个母线上设置有垂直设置的霍尔传感器和磁阻传感器。
霍尔传感器可以通过检测电流通过的磁场来测量电流的强度，而磁阻传感器则通过测量磁场对电阻的影响来实现电流测量。通过将这两种传感器分布在不同位置，可以获得更准确和可靠的电流测量数据，以满足不同应用的要求。
实施例二
在本实施例提供一种霍尔传感器读出电路，霍尔传感器读出电路主要包括：集成霍尔器件、四相旋转电流电路、信号放大器电路、相关双采样电路、减法电路、电压跟随的采样保持电路、模数转换电路、基准电路和辅助电路的时钟电路。主要包括进行霍尔电压信号处理的调理电路和辅助电路两个模块。
如图7所示，一种霍尔传感器读出电路包括调理电路和辅助电路。调理电路主要包括四相旋转电路、信号放大器电路、相关双采样电路、减法电路、采样保持电路和低通滤波电路，将霍尔器件产生的微弱电信号进行放大和消失调处理；辅助电路主要协助信号调理电路的各个模块正常工作，包括提供基准的带隙电路和调制开关的时钟模块。
四相旋转电路的输入端与霍尔传感器的输出端相连，四相旋转电路的输出端与信号放大器的输入端连接，相关双采样电路的输入端与信号放大器的输出端连接，减法电路的输入端与相关次双采样的输出端连接，减法电路的输出端与采样保持电路的输入端连接，采样保持电路的输出端与模数转换电路的输入端连接。
图8为本实施例的集成霍尔器件，采用三个十字型水平霍尔芯片集成，既保证了高采集精度，又可以消除单个霍尔芯片产生的相互干扰。
图9为本实施例的四相旋转电流电路，包括：外部电源VDD，恒流源的输入端与外部电源VDD连接，恒流源的输出端分别连接第一MOS管开关K1、第二MOS管开关K2、第三MOS管开关K3、第四MOS管开关K4的输入端，第一MOS管开关K1、第二MOS管开关K2、第三MOS管开关K3、第四MOS管开关K4的输出端分别连接第五MOS管开关K5、第六MOS管开关K6、第七MOS管开关K7、第八MOS管开关K8的输入端，第五MOS管开关K5、第六MOS管开关K6、第七MOS管开关K7、第八MOS管开关K8的输出端接VSS。
VP端分别与第九MOS管开关K9、第十MOS管开关K10、第十一MOS管开关K11、第十二MOS管开关K12的输入端连接，第九MOS管开关K9、第十MOS管开关K10、第十一MOS管开关K11、第十二MOS管开关K12的输出端分别与第十三MOS管开关K13、第十四MOS管开关K14、第十五MOS管开关K15、第十六MOS管开关K16的输入端连接，第十三MOS管开关K13、第十四MOS管开关K14、第十五MOS管开关K15、第十六MOS管开关K16的输出端连接至VN端。
第一MOS管开关K1的输出端与第九MOS管开关K9的输出端连接线用于连接霍尔传感器的端口A，第二MOS管开关K2的输出端与第十MOS管开关K10的输出端连接线用于连接霍尔传感器的端口B，第三MOS管开关K3的输出端与第十一MOS管开关K11的输出端连接线用于连接霍尔传感器的端口C，第四MOS管开关K4的输出端与第十三MOS管开关K13的输出端连接线用于连接霍尔传感器的端口D。
四相旋转电路使用16个受时钟控制的开关管进行信号调制，为了减少时钟馈通对电路的影响每个开关管都使用nmos和pmos组成的传送门。四相旋转电流电路的8个MOS开关管K1-K8用于控制电流流入霍尔器件的端口，偏置电流从MOS开关管K1-K4流入霍尔器件，偏置电流经MOS开关管K5-K8流出霍尔器件。四相旋转电流电路另外8个MOS开关管K9-K16为用于控制霍尔电压的输出端口，其中从MOS开关管K9-K12端口测得的霍尔电位表示为霍尔器件的输出正端，经MOS开关管K13-K16端口测得的霍尔电位表示为霍尔器件的输出负端。
四相旋转电流电路通过将电流分成四个相位来解决失调信号和噪声。每个相位的电流互相平衡，相位间的失调信号可以相互抵消，从而减小整个电路的失调影响。四相旋转电流电路通过同时采集四个相位的电流信号，并采用合理的叠加运算能够减弱噪声问题，实现有效信号的叠加的同时相互之间消除工作环境产生的串模干扰和共模干扰提升电路的抗噪声能力。
如图10所示，信号放大器是运算放大器中重要的组成部分，属于一种特殊的差动运放，具有高共模抑制比、高输入阻抗低输出阻抗的特点，可以对霍尔器件微弱信号进行放大。
如图11所示，相关双采样技术与自调零的原理相似，相关双采样技术不仅可以消除运算放大器自身电路的失调，还可以消除霍尔器件的失调，并获得加倍的霍尔电压。
如图12所示，霍尔信号在传输过程中表现为差分信号，为了便于观察可以采用减法电路将差分信号转化为单端输出信号。
如图13所示，具有电压跟随的采样保持电路，电压跟随器能够屏蔽后级电路对保持电容的影响，提升采样保持电路的可靠性。
如图14所示，模数转换电路可将测得的电压模拟量快速精确的转换为数字量输出，能够直观得到电流的相关数据。
如图15所示，辅助电路(基准电路)包括启动单元、带隙核心电路和电流偏置模块组成。NM6，NM7，PM7-10构成启动电路，当电路启动时电源电压从零开始逐渐增加，带隙电压VGB也从零开始增加。当带隙电压为低时经过NM6,PM10组成的反向器变为高电平使得NM7导通。启动电路的电流经由PM8、PM7、NM7到地。PM9与PM8构成电流镜为带隙核心模块提供电流使核心模块摆脱简并状态正常工作。当带隙核心模块正常工作后，带隙电压VBG为1.2V此时NM6管导通，PM10、NM7关断，启动完成。
如图16所示，非交叠时钟控制旋转电流方向时能有效减小霍尔电压因开关切换造成的尖峰毛刺。
本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种霍尔电流传感器，其特征在于，包括：非铁磁材料，设置在所述非铁磁材料内的直流母线，霍尔传感器、磁阻传感器和聚磁层，在所述霍尔传感器与所述直流母线之间涂覆有所述聚磁层；
所述霍尔传感器用于根据直流母线中的电流产生的磁场变化检测电流强度，所述磁阻传感器用于直流母线中的电流产生的磁场变化对电阻的作用检测电流。
2.如权利要求1所述的一种霍尔电流传感器，其特征在于，所述霍尔传感器与所述磁阻传感器在所述直流母线上交错设置。
3.如权利要求1所述的一种霍尔电流传感器，其特征在于，所述非铁磁材料为采用具有热固性的电介质。
4.如权利要求1所述的一种霍尔电流传感器，其特征在于，所述非铁磁材料中设置多个直流母线，所述直流母线在所述非铁磁材料中呈折弯角度设置。
5.一种霍尔电流传感器的读出电路，其特征在于，包括：
四相旋转电流电路，所述四相旋转电流电路的输入端与霍尔传感器端口连接；
信号放大电路，所述信号放大电路的输入端与所述四相旋转电流电路的输出端连接；
相关双采样电路，所述相关双采样电路的输入端与所述信号放大电路的输出端连接；
减法电路，所述减法电路的输入端与所述相关双采样电路输出端连接；
采样保持电路，所述采样保持电路的输入端与所述减法电路的输出端连接；
模数转换电路，所述模数转换电路的输入端与所述采样保持电路的输出端连接。
6.如权利要求5所述的一种霍尔电流传感器的读出电路，其特征在于，所述四相旋转电流电路，用于：采集四个相位的电流信号，每个相位的电流信号相互平衡，通过对四个相位的电流信号进行叠加处理，对所述霍尔传感器的失调信号进行消除。
7.如权利要求5所述的一种霍尔电流传感器的读出电路，其特征在于，所述四相旋转电流电路包括恒流源并联的MOS管开关K1-K4，分别与MOS管开关K1-K4串联的MOS管开关K5-K8，以及并联的MOS管开关K9-K12，与MOS管开关K9-K12串联的MOS管开关K13-K16，MOS管开关K1输出端与MOS管开关K9输出端、MOS管开关K2输出端与MOS管开关K10输出端、MOS管开关K3输出端与MOS管开关K11输出端、MOS管开关K4输出端与MOS管开关K12输出端所连接线路分别与霍尔传感器的A端、B端、C端和D端相连。
8.如权利要求7所述的一种霍尔电流传感器的读出电路，其特征在于，在所述四相旋转电流电路中，MOS管开关K1-K8用于控制电流流入霍尔传感器的端口，偏置电流从MOS管开关K1-K4流入霍尔电流传感器，偏置电流经MOS管开关K5-K8流出霍尔电流传感器，MOS管开关K9-K12端口测得的霍尔电位表示为霍尔电流传感器的输出正端，经MOS管开关K13-K16端口测得的霍尔电位表示为霍尔传感器的输出负端。
9.如权利要求5所述的一种霍尔电流传感器的读出电路，其特征在于，采用非交叠时钟控制四相旋转电流电路的旋转电流方向。
10.如权利要求5所述的一种霍尔电流传感器的读出电路，其特征在于，所述霍尔传感器采用多个十字型霍尔芯片集成方式。
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|---|---|---|---|
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2023
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