徐東海，朱勝平，王臻，李敏，任浩，倪大成

（寧波中車時代傳感技術(shù)有限公司浙江寧波315021）

傳統(tǒng)的霍爾直放式電流傳感器是應(yīng)用霍爾原理的開環(huán)電流傳感器，適合于對交流、直流和脈動電流的隔離精確測量。具有精度高、線性好、反應(yīng)時間快、電流過載能力強等特點，廣泛應(yīng)用于城軌地鐵、鐵路機(jī)車、風(fēng)電、光伏、變頻器、UPS等電流精密檢測應(yīng)用領(lǐng)域[1-2]。

隨著軌道交通行業(yè)等領(lǐng)域的發(fā)展程度不斷提高，對傳感器的要求也在不斷提高，小型化、智能化、低成本、安裝維護(hù)方便是傳感器以后的主流發(fā)展方向，這就對傳感器設(shè)計開發(fā)提出了更高的要求[3]。

文中介紹了一款新型的高靈敏度磁通門芯片[4-6]的新型開環(huán)式電流傳感器，它具有體積小，重量輕，成本低，安裝維護(hù)方便等優(yōu)點。本文簡要介紹了該電流傳感器工作原理以及與傳統(tǒng)霍爾電流傳感器的比較，對其設(shè)計方案進(jìn)行了著重闡述，通過理論分析、仿真計算以及結(jié)合實際樣機(jī)測試數(shù)據(jù)，對傳感器的測試誤差進(jìn)行了簡要分析。

1 傳感器工作原理介紹

1.1 傳感器工作原理

本開環(huán)電流傳感器主要由原邊母排，磁通門芯片以及印制板電路組成，其中磁通門芯片以及印制板電路被密封在外殼之中，原邊母排中開有一定直徑大小的圓孔，磁通門芯片位于圓孔中心兩側(cè)，如圖1所示。

圖1 磁通門芯片位置示意圖

當(dāng)原邊母排通入一定電流時，磁通門感應(yīng)芯片會感受其中磁感應(yīng)強度大小，并轉(zhuǎn)化成電流信號Iout輸出，該電流信號經(jīng)過采樣電阻Rm轉(zhuǎn)化成電壓信號Vm，并最終經(jīng)過運算放大器放大輸出相應(yīng)電壓Vout，如圖2所示，其中

GFlux：磁通門芯片增益，12.2 mA/mT；

Rm：增益電阻，可根據(jù)實際需求調(diào)整；

Gamp：磁通門芯片內(nèi)部運放增益，4 V/V；

圖2 工作原理

1.2 與開環(huán)霍爾電流傳感器比較

與傳統(tǒng)的開環(huán)式霍爾電流傳感器相比，本電流傳感器所采用的磁通門感應(yīng)芯片飽和磁感應(yīng)強度Bm≤±2 mT，相較于普通霍爾元件幾百mT飽和磁感應(yīng)強度值，其感應(yīng)精度較高，能對微弱磁場進(jìn)行感應(yīng)并輸出相應(yīng)信號，不需要軟磁材料進(jìn)行聚磁，因此，本開環(huán)電流傳感器可以有效去除鐵芯可能帶來的影響：

1）鐵芯剩磁影響

傳統(tǒng)的開環(huán)式電流傳感器鐵芯剩磁較大，磁滯回差較大（≤1%），影響傳感器過程調(diào)試及測量精度，本方案電流傳感器無鐵芯，影響傳感器磁滯回差的只有芯片本身的磁滯，由芯片手冊知，其回差≤0.2%

2）鐵芯飽和影響

傳統(tǒng)開環(huán)式電流傳感器鐵芯存在飽和現(xiàn)象，當(dāng)原邊電流增大到一定程度時，鐵芯磁感應(yīng)強度不在增大，因此傳感器測量范圍主要受限于鐵芯，本方案電流傳感器無鐵芯，影響傳感器測量范圍的主要是芯片飽和磁感應(yīng)強度。

3）鐵芯溫漂影響

傳統(tǒng)開環(huán)式電流傳感器鐵芯氣隙直接影響傳感器測量范圍及精度，鐵芯本身性能受溫漂影響較大，且鐵芯氣隙受溫度變化影響較大，因此電流傳感器溫漂性能較差，而本方案無鐵芯，芯片本身溫漂性能較高（7ppm/℃）。

2 傳感器設(shè)計方案

2.1 原邊母排設(shè)計

本開環(huán)電流傳感器實際使用的感應(yīng)芯片精度較高，能對微弱磁場[7-11]進(jìn)行感應(yīng)并輸出相應(yīng)信號，無需采用其他軟磁材料進(jìn)行聚磁，故本方案主要采用在母排中心開孔，通過高靈敏度感應(yīng)芯片直接感應(yīng)母排中心孔附近磁場強度并輸出相應(yīng)信號，如圖1所示。

2.2 磁場分布研究

母排的孔徑以及厚度大小直接影響母排中心處磁感應(yīng)強度的大小，從而影響傳感器測量范圍，故不同的電流測量范圍對應(yīng)不同母排厚度及孔徑大小，本電流傳感器測量范圍在0～±1000 A，母排厚度在6 mm，寬度在50 mm。

由電磁場理論可知，圖1處母排中心區(qū)域的磁場分布如圖3所示。

圖3 母排中心磁場分布

由上圖易知，母排中心處其左邊母排產(chǎn)生的磁場與右邊母排產(chǎn)生的磁場大小相等，方向相反，故其磁場大小為0，在中心左側(cè)區(qū)域，左邊母排產(chǎn)生的磁場較右邊母排產(chǎn)生的磁場大，其整體磁感應(yīng)強度方向朝上，在中心右側(cè)區(qū)域，右邊母排產(chǎn)生的磁場較左邊母排產(chǎn)生的磁場大，其整體磁感應(yīng)強度方向朝下，距離中心位置相等的左右兩側(cè)位置，其磁感應(yīng)強度大小相等，方向相反。

如圖4所示為磁通門芯片處的磁感應(yīng)強度分布，由電磁場理論可知，此時左側(cè)芯片磁感應(yīng)強度大小：

右側(cè)芯片磁感應(yīng)強度大小：

r：母排中心孔半徑；

Δr:母排中心到芯片距離；

圖4 芯片磁感應(yīng)強度分布

因兩芯片其方向相反，故其合磁場：

由上式可知，磁通門芯片感應(yīng)的磁感應(yīng)強度大小與原邊電流I成正比，與母排中心孔半徑r成反比，與母排到芯片距離Δr成正比，即原邊電流越大，母排中心孔半徑越小，母排到芯片距離Δr越大，則磁通門感應(yīng)的磁感應(yīng)強度越大。

2.3 仿真分析

為了確定傳感器母排中心孔直徑大小，采用Maxwell仿真軟件對母排中心孔磁場分布進(jìn)行仿真分析[12-14]。

仿真模型按照實際母排尺寸進(jìn)行建模，其主要尺寸為80mm×50mm×6mm，仿真模型如圖5所示。

圖5 仿真模型

實際原邊母排在通入電流時磁場分布示意圖如圖6所示。

圖6 仿真磁場分布示意圖

為了更加量化實際感應(yīng)芯片處磁感應(yīng)強度，在孔中心兩側(cè)各2 mm處設(shè)置一點用于檢測仿真時該位置處磁感應(yīng)強度大?。M實際傳感器感應(yīng)芯片的位置），同時，設(shè)置了4組孔直徑大小用于觀測在該孔徑下感應(yīng)芯片處的磁感應(yīng)強度大小，分別為15 mm，17 mm，20 mm和25 mm，數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 芯片處磁感應(yīng)強度大小

通過仿真分析，實際開發(fā)設(shè)計時，孔徑選擇D=17 mm。

2.4 電路設(shè)計

本電流傳感器方案采用+15 V單極性電源供電，主電路由電源防護(hù)電路、電壓轉(zhuǎn)換電路、精密磁通門芯片、信號處理電路等構(gòu)成。傳感器封裝后通過靈活的機(jī)械安裝接口設(shè)計，貼于母排表面，實現(xiàn)產(chǎn)品小型化。

2.4.1 電源防護(hù)電路

本電流傳感器電源防護(hù)電路如圖7所示，采用壓敏電阻，電感，TVS管等常規(guī)防護(hù)器件，來提高傳感器的電磁兼容性能[15-16]，壓敏電阻RV1主要用于防護(hù)浪涌電壓，提高傳感器抗浪涌電壓的能力，電感L1主要用于提高傳感器傳導(dǎo)抗擾能力，VD1為整流二極管，主要用于防止電源電壓反接而損壞產(chǎn)品內(nèi)部其他器件，VS1為TVS二極管，其主要作用為提高傳感器抵抗浪涌電壓以及電快速瞬變脈沖群的能力，電容C1及C2為濾波電容，主要用于濾除電源端干擾信號。

圖7 電源防護(hù)電路

2.4.2 電壓轉(zhuǎn)換電路

本電流傳感器使用的感應(yīng)芯片其供電電源要求為+5 V，傳感器基準(zhǔn)電壓要求+2.5 V，客戶端實際無+5 V供電電源端口，只有+15 V供電電源端口，為滿足客戶使用要求，傳感器必須自帶電壓轉(zhuǎn)換功能。

本電流傳感器電壓轉(zhuǎn)換電路主要采用TI公司TPS7B6950-Q1以及REF5025A兩款電壓基準(zhǔn)芯片，其中電壓基準(zhǔn)芯片TPS7B6950-Q1主要用于將+15 V電源電壓轉(zhuǎn)換為+5 V輸出，提供后續(xù)芯片及傳感器其他電路供電，其通流能力最大能達(dá)到150 mA，可以滿足全范圍內(nèi)電流傳感器使用要求[17]，電壓基準(zhǔn)芯片REF5025A芯片主要將+5 V電壓轉(zhuǎn)換為+2.5 V電壓輸出，為傳感器提供輸出基準(zhǔn)電位，因該基準(zhǔn)電位直接關(guān)聯(lián)傳感器輸出性能，故對其精度要求非常高，REF5025A具有高精度（0.1%），低溫漂（8 ppm/℃），低噪聲（3uVpp/V）的優(yōu)點，可以滿足實際傳感器的要求。

2.4.3 芯片處理電路

本電流傳感器芯片處理電路采用雙感應(yīng)芯片差分設(shè)計方式，不僅可以做到對有用進(jìn)行放大輸出，同時還可以對外界干擾信號進(jìn)行濾除，有效提高了傳感器抗干擾能力，提高了傳感器信噪比。

芯片處理電路如圖8所示。

圖8 芯片處理電路

由上圖可知：

VDIFF為傳感器差分輸出信號，其大小與原邊母排電流大小成正比，VCM為產(chǎn)品共模輸出信號，其主要用于校正傳感器安裝位置偏差。

2.5 誤差分析計算

取Δr為兩芯片之間的距離；

為了衡量外部干擾磁場對于傳感器所需有用信號的干擾情況，取母排中心孔徑為r0，母排通過電流為I0，則有：

當(dāng)傳感器外部干擾電流源與原邊母排垂直時[18]，顯然其產(chǎn)生的磁感線不穿過感應(yīng)芯片感應(yīng)面，對感應(yīng)芯片而言，此時干擾磁感應(yīng)強度B=0。

3 傳感器樣機(jī)測試

為了衡量本開環(huán)式電流傳感器技術(shù)指標(biāo)，對傳感器進(jìn)行了基本性能測試，主要從精度，線性度，回差等相關(guān)指標(biāo)來進(jìn)行初步衡量，測試數(shù)據(jù)如表2及表3所示。

表2 傳感器正向基本性能測試數(shù)據(jù)

表3 傳感器反向基本性能測試數(shù)據(jù)

由上表可知，本開環(huán)式電流傳感器其基本誤差，線性度誤差，回差以及重復(fù)性誤差均可以達(dá)到0.5%要求以內(nèi)。

傳感器樣機(jī)實物如圖9所示。

圖9 傳感器樣機(jī)

4 結(jié)束語

本電流傳感器相比傳統(tǒng)霍爾式電流傳感器，體積減小約20%，重量降低約50%，精度及線性度較高（0.5%），抗外界干擾能力強。該傳感器內(nèi)部簡單，只有外殼與印制板，過程組裝便利，通過采用高精度電壓基準(zhǔn)芯片，無需進(jìn)行零點調(diào)試，生產(chǎn)效率較高。此外，傳感器通過直接嵌入母排中心孔方式進(jìn)行固定，安裝以及后續(xù)拆卸時極為方便，無需影響周圍其他電氣設(shè)備。目前該電流傳感器已成功在客戶端進(jìn)行實際裝車考核。