曲 品，劉志強(qiáng)，劉宗新，周 俊

（寧波南車時代傳感技術(shù)有限公司 浙江 寧波315021）

一種基于溫度補償?shù)男⌒痛牌胶怆妷簜鞲衅髟O(shè)計

曲 品，劉志強(qiáng)，劉宗新，周 俊

（寧波南車時代傳感技術(shù)有限公司 浙江 寧波315021）

基于批量減小小型磁平衡電壓傳感器溫度漂移的目的，利用二極管的V/I特性進(jìn)行溫度補償，同時引入電源波動抑制技術(shù)以降低電源波動對傳感器的干擾，采用頻率補償技術(shù)以擴(kuò)展帶寬。經(jīng)過理論分析、溫度性能和頻率響應(yīng)試驗，得到設(shè)計的傳感器溫漂抑制能力提升50%以上，同時小信號帶寬擴(kuò)展10倍而無失真的結(jié)果。研究結(jié)果表明，該方案設(shè)計的傳感器在溫漂抑制和頻率響應(yīng)方面都有明顯的優(yōu)化。

磁平衡；霍爾傳感器；溫度補償；頻率響應(yīng)

磁平衡（零磁通）霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)和零磁通原理設(shè)計而成，通過次邊線圈的磁場耦合引入自反饋補償功能，所以通常被稱為閉環(huán)霍爾傳感器[1-2]。磁平衡霍爾傳感器具有線性好、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)[3-4]等特點，可以在一定條件下對直流、不同頻率的交流及脈沖電信號進(jìn)行無失真測量。磁平衡霍爾傳感器通過電-磁-電[5]的動態(tài)調(diào)制解調(diào)實現(xiàn)對被測信號的跟隨性和測量，實現(xiàn)了輸入、輸出間的電隔離，有效保護(hù)副邊設(shè)備和人的安全，因此廣泛應(yīng)用于軌道交通、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、工業(yè)變頻及自動化等領(lǐng)域。

圖1 電壓傳感器原理圖示

圖2 霍爾元件Rin-T曲線

1 磁平衡霍爾電壓傳感器工作原理

采用磁平衡原理設(shè)計的霍爾傳感器，其工作原理如圖1所示，輸入電壓首先通過原邊電阻Ri進(jìn)行V/I轉(zhuǎn)換，將被測高電壓信號轉(zhuǎn)換為易于處理的弱電流信號Ip，原邊電流Ip在鐵芯中所產(chǎn)生的磁場不斷被次邊線圈電流Is所產(chǎn)生的磁場動態(tài)補償，從而使霍爾元件處于近乎零磁通狀態(tài)。

根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾悖篘s*Is=Np*Ip[6-7]，其中Np為原邊線圈匝數(shù)，Ip為被測電流，Ns為次邊線圈匝數(shù)，Is為次邊電流（補償電流）。

傳感器在電-磁-電的動態(tài)調(diào)制解調(diào)過程中實現(xiàn)對被測信號的跟隨性和測量，所以可通過監(jiān)測次邊電流Is的幅值、頻率、相位等信息，通過Ip=Is*KN= Is*Ns/Np等效換算出原邊被測電流的相關(guān)信息。

2 基于溫度補償?shù)膫鞲衅麟娐吩O(shè)計

目前磁平衡霍爾傳感器常用InSb霍爾元件，其輸入電阻溫度曲線如圖2所示。由圖可知，霍爾元件輸入電阻在高低溫下有顯著的變化。常見的小型霍爾傳感器沒有有效的穩(wěn)壓措施，很難保證對電源電壓波動的適應(yīng)能力和溫度特性的相對恒定，導(dǎo)致傳感器出現(xiàn)溫度漂移大、供電電壓適應(yīng)能力差等問題。

作者根據(jù)磁平衡傳感器在軌道交通主輔變控制、風(fēng)電變送器和變槳控制、光伏逆變器和匯流箱[8]等應(yīng)用實際，結(jié)合關(guān)鍵問題點改型設(shè)計一款小型磁平衡電壓傳感器，電路原理框架如圖3所示。該電壓傳感器具有體積小、溫漂小、電源適應(yīng)能力強(qiáng)、測量精度高、線性度好、響應(yīng)速度快等特點，下文結(jié)合實際應(yīng)用中比較關(guān)注的溫漂特性、電源適應(yīng)能力、高頻性能對該方案電壓傳感器進(jìn)行理論分析、試驗驗證。

圖3 基于溫度補償?shù)膫鞲衅麟娐?/p>

圖4 自帶溫度補償?shù)幕魻栻?qū)動電路

3 產(chǎn)品突出功能詳述

3.1 電源波動抑制

如圖4電路中，電阻R1、二極管VD1和穩(wěn)壓二極管VS1共同構(gòu)成自帶溫度補償?shù)幕魻栐?qū)動電路。二極管VD1正向?qū)▔航祹缀醪浑S供電電壓+Vcc、-Vcc的變化而變化，可以為霍爾元件提供較為穩(wěn)定的電壓，且VD1可在一定范圍（根據(jù)經(jīng)驗，二極管的正向電流最大不應(yīng)超過20 mA。）分流驅(qū)動電路的電流，確?；魻栐粫虺鲭妷?、電流限制而損壞。所以，電路可以在寬的供電電壓和不同溫度下正常工作。

3.2 溫度補償

InSb霍爾元件采用半導(dǎo)體材料制作而成。當(dāng)溫度變化時，載流子濃度μ約有1%/℃的溫度系數(shù)，電阻率ρ大約有1%/℃的溫度系數(shù)，將造成霍爾系數(shù)、霍爾靈敏度、輸入電阻和輸出電阻隨溫度變化[9-10]。導(dǎo)致采用該霍爾元件設(shè)計的傳感器溫度特性差，因此，為減小傳感器的溫度漂移，需要根據(jù)霍爾元件的溫度特性對傳感器采取合理的溫度補償措施。

磁平衡傳感器電路具有自反饋補償功能，產(chǎn)品工作在一個動態(tài)糾偏的過程，霍爾元件動態(tài)檢測原邊、次邊電流在鐵芯中的磁場強(qiáng)度差ΔB=BS=BP，即霍爾電壓VH=KHICΔB。

據(jù)電路分析，運放的輸入端電壓Vi主要由兩部分疊加形成：霍爾元件的零位誤差[11]Vos和霍爾電壓VH，分別與傳感器的零點與增益一一對應(yīng)，即：

可見，對傳感器的溫度補償需要從產(chǎn)品零點和增益兩方面入手，分別對應(yīng)電路中霍爾元件的零位誤差Vos和霍爾電壓VH。

采用恒流源供電是抑制溫度變化影響的一種措施，但恒流供電只能克服電阻率變化帶來的影響，并不能完全解決霍爾電勢輸出隨溫度變化的穩(wěn)定性問題[12]。所以，穩(wěn)定霍爾驅(qū)動電流Ic在一定程度上可減小霍爾電壓VH的溫度變化量，并不能有效控制整個電路的溫漂。磁平衡原理傳感器的自反饋使得溫度對增益的影響很小，但卻無法對霍爾零偏導(dǎo)致的產(chǎn)品零點溫漂進(jìn)行有效補償，這一現(xiàn)象在傳感器的實際應(yīng)用中得以印證。

根據(jù)圖5、6中Vos-T和VH-T曲線，繪制霍爾元件溫度特性如表1所示。

圖5 霍爾元件Vos-T曲線

圖6 霍爾元件VH-T曲線

表1 霍爾元件恒壓、恒流溫度特性對比表

對比可知，恒壓驅(qū)動模式下霍爾Vos、VH的波動約為恒流驅(qū)動模式下波動的10%，采用恒壓驅(qū)動模式對于霍爾溫度補償更為有效，所以本電路采用恒壓模式驅(qū)動霍爾元件。

電路采用兩個串聯(lián)的二極管VD1并聯(lián)于霍爾元件的輸入端，利用二極管的伏安特性，正向?qū)〞r維持霍爾的驅(qū)動電壓在全溫度范圍內(nèi)約為 1.2～1.4 V，從而獲得霍爾Vos最小的變化量。該方案對于霍爾元件溫度特性的批量一致性要求并不嚴(yán)格，可克服霍爾元件的溫度離散特點，因此可以用于傳感器的批量生產(chǎn)，有效縮小產(chǎn)品溫漂范圍。

3.3 頻率響應(yīng)特性優(yōu)化

通常在磁平衡傳感器中會引入PID調(diào)節(jié)器，但是由于微分電路對高頻噪聲特別敏感，不易處理，為防止高頻信號被噪聲淹沒，電路會選擇去掉微分環(huán)節(jié)，保留比例-積分環(huán)節(jié)以提高調(diào)節(jié)精度。如圖7電路中比例-積分環(huán)節(jié)由N1、R2、R4、C3構(gòu)成。

圖7 頻率特性優(yōu)化電路

另外，由于放大器的反向輸入端對電容很敏感[13]，會導(dǎo)致高頻噪聲被無限制放大，所以運放的反向端不能直接與霍爾元件連接，需要在在二者之間跨接電阻R2，用于對高頻噪聲的衰減，為保證運放輸入端的電阻平衡，引入與R2等值的R3。如果運放輸入端電阻R2、R3選則為0 Ω，導(dǎo)致運放端比例-積分環(huán)節(jié)被破壞，引起輸出的不穩(wěn)定。

圖8 電路理想幅頻特性

假設(shè)電壓傳感器輸入電壓信號f（t），增益Av的幅頻特性如圖8所示。在實際應(yīng)用中，電壓傳感器通常監(jiān)測的是滿足Dirichlet條件的周期電壓信號，可以展開成Fourier級數(shù)[14]：

信號中f＞fH高次諧波成分f1（t）將不能與f＜fH低次諧波部分f2（t）等幅放大，即經(jīng)過傳感器后同一信號中不同頻譜分量之間基于幅值或相位發(fā)生了相對變化，傳感器的輸出波形將會出現(xiàn)失真。由于傳感器推挽電路中VT1、VT2發(fā)射結(jié)的存在，運放輸出信號中引起基極與發(fā)射極電壓Ube≥0.7 V的諧波分量可順利通過推挽電路放大輸出，而其他諧波分量將被截止，出現(xiàn)交越失真。若根據(jù)輸出信號被正常放大的諧波分量，取Fourier級數(shù)的前（2N+1）項來近似周期函數(shù)f（t），則有限項Fourier級數(shù)為：

由此引起的誤差為εN（t）=f（t）-SN（t），該誤差影響量將直接呈現(xiàn)在傳感器的輸出波形上，為解決這一波形失真問題，在推挽電路三極管基極與發(fā)射極之間接入電阻R5。

4 試驗驗證

4.1 溫度特性試驗

取以本電路制作的額定輸入50 V、輸出25 mA的傳感器和無溫度補償?shù)耐N傳感器樣品各10只，分別測試各個樣品在-40℃、+25℃、+85℃溫度點下的零點輸出，如表2、3所示。

表2 無溫度補償傳感器測試數(shù)據(jù)

表3 本電路傳感器測試數(shù)據(jù)

對比表2中兩類樣品的零點溫漂特性可知，本電路采用二極管恒壓的方案可以有效抑制產(chǎn)品的溫漂，對于批量改善和提高小型磁平衡傳感器的溫度特性有很好的借鑒意義。

4.2 頻率響應(yīng)試驗

為驗證本方案傳感器的頻率響應(yīng)特性優(yōu)化效果，須輸入高頻電壓信號對傳感器的輸出進(jìn)行頻率響應(yīng)測試。由于傳感器的輸入量隨時間變化的形式是各種各樣的，不可能逐一加以研究，因此目前常采用最典型最簡單易實現(xiàn)的正弦信號和階躍信號作為標(biāo)準(zhǔn)輸入信號[15-17]。對于正弦輸入信號，傳感器的響應(yīng)稱為頻率響應(yīng)。

本試驗采用正弦信號對產(chǎn)品進(jìn)行測試，其中下方黃色曲線代表輸入電壓信號，上方紫色曲線代表輸出電流信號（為便于檢測，通過100 Ω電阻將輸出電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號）。

圖9、10為本電路傳感器的測試情況，示波器顯示輸出波形光滑無失真，說明傳感器頻率響應(yīng)特性良好。

圖9 本電路產(chǎn)品測試波形（2 kHz）

圖10 本電路產(chǎn)品測試波形（20 kHz）

圖11 是取電路中R2=R3=0 Ω進(jìn)行的頻率特性測試，示波器顯示輸出波形出現(xiàn)失真。

圖12是將電路中R5取消后進(jìn)行的頻率特性測試，示波器顯示輸出波形出現(xiàn)交越失真。

試驗表明，本電路設(shè)計可以有效改善和優(yōu)化傳感器的頻率響應(yīng)特性，可消除常見的高頻波形失真。

圖11 電阻R2=R3=0 Ω時測試波形（2 kHz）

圖12 取消電阻R5后測試波形（2 kHz）

5 結(jié)束語

文中提出一種小型磁平衡電壓傳感器設(shè)計電路，結(jié)合電路對傳感器的溫度補償特性、電源波動抑制以及頻率響應(yīng)優(yōu)化進(jìn)行了深入分析，并通過對小型磁平衡電壓傳感器樣品的相關(guān)試驗，驗證了關(guān)鍵理論分析點的合理性。實踐證明，采用本文電路設(shè)計的小型磁平衡電壓傳感器具有溫漂小、電源適應(yīng)能力強(qiáng)和頻率響應(yīng)好等特點，可應(yīng)用于傳感器的批量生產(chǎn)。

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The design of small zero flux Hall voltage sensor based on temperature compensation

QU Pin，LIU Zhi-qiang，LIU Zong-xin，ZHOU Jun
（Ningbo CSR Times Transducer Technique CO.，LTD，Ningbo 315021，China）

This thesis presents a scheme based on temperature compensation，which use the V/I characteristics of diode to reduce temperature drift of small zero flux voltage sensors.At the same time，some special measures are used to reduce the effect of power supply fluctuation，to expand frequency bandwidth.As result，the design of the sensor has obvious optimization in terms of temperature drift suppression and frequency response， through theory analysis， temperature performance test and frequency response test.

zero flux；hall sensor；temperature compensation；frequency response

TN702

：B

：1674-6236（2017）02-0105-05

2016-01-22稿件編號：201601201

曲 品（1988—），男，河南唐河人，工程師。研究方向：電量傳感器開發(fā)。