用硅霍尔效应器件的开环电流传感器是基于一个简单的设计概念设计出来的，并且制造成本低，但简单之中也带有一些性能限制。在某些电流范围内，这些限制可以通过采用闭环架构来加以克服，但缺点是成本较高和体积会更大。本文将介绍新的采用专有的专用集成电路(ASIC)的开环传感器，它填补了如今开环和闭环传感器之间的性能差距。

图1：左边为开环传感器，右边为闭环传感器

引言

图1显示出了采用测量电流磁场的开环和闭环电流传感器的工作原理。两者可以采用集成在ASIC中霍尔元件作为磁性敏感元件，并且两者都具有从所测量的电流和一个宽频率范围中(包括直流)隔离的优点。

在开环传感器中，霍尔元件的电压输出被加以放大，以输出所测量的电流的副本。然而，霍尔元件灵敏度中的任何变化，如温度，都会有误差。霍尔元件的电信号是非常低的，因此，对快速反应时间的渴望会导致出现嘈杂输出，因为信号带宽必须很宽。通常，该ASIC信号带宽必须大于所测量的电流，因为为了克服霍尔元件的偏移和1 / f噪声，其输出必须调制到一个较高的频率。它是通过依次在四个正交方向('旋转'1)偏置元件，然后在放大后解调完成的。

在闭环架构中，测量的(初级)电流所引起的磁场被小于初级电流的次级电流精确抵消：次级匝数比，并且很容易在精确的电阻RM测定。霍尔元件的精确灵敏度不再重要。另外，霍尔元件的信号带宽及其噪声可被保持在较低水平，因为在高于几kHz的频率中，RM电流直接主要来自初级：次级变压器效应。但是，这些改进需要一个更昂贵的传感器结构，并且这也导致产品尺寸无法做小。此外，最大可测量初级电流将受制于次级电流和次级绕组的匝数的限制。

本文中所描述的传感器使用了ASIC，以实现性能接近到于闭环传感器，但该设计的复杂性在于ASIC，而不是传感器。一旦设计完成，该ASIC可应用在具有不同特性的便宜开环传感器中。

ASIC与传感器

为了从信号的开始减轻不良的信噪比，因此采用了八个霍尔元件。1.5兆赫的旋转消除了霍尔元件的偏移。信号水平低的地方，差分架构被用来免除外部dv / dt带来的干扰。之后，信号从差分转换为单端以节约芯片面积，关键节点会用到一些选择性的屏蔽以消除dv / dt干扰，而无需使用额外的金属层。通过根据响应时间限制噪声带宽，并通过停止高频噪声元件混叠到信号频率范围，在旋转频率下的带通滤波器能够保持低水平的整体噪声。 (该ASIC框图如图2所示。)

图2：新开环传感器中的ASIC框图

逐渐地，汽车和工业市场的质量标准要求ASIC在封装后需要进行两个或最好三个温度的全面测试。我们充分利用了这一标准来测量开环结构的固有误差和片上EEPROM的存储更正。我们以这种方式校正霍尔元件温度依赖性和解调后放大器的偏移。

EEPROM存储器还意味着这种传感器可根据用户的喜好来配置。例如，用户可选择不同的参考电压，而且可以调小输出滤波器以减少噪声，或调大以减少响应时间。

该ASIC的一个新特点是提供了信号链中间点的数字过电流检测(OCD)输出。因此，该阈值水平高于饱和的传统模拟输出。而且，可以选择精确的阈值，并且根据不同的应用需要存储在EEPROM中。

EEPROM的通信是通过连接ASIC输出管脚的单总线实现的。即使这在最终用户的最终应用中非常便利，因为该管脚可能会连接到信号处理微处理器。

表1：不同传感器性能的对比总结
 

表1总结了与其他开环和闭环传感器相比，新的25安培传感器的一些关键性能参数。在每种情况下，霍尔效应被用作磁性检测器。它表明，新开环传感器的性能接近，甚至在一些情况下，已经超过了闭环器件。在既定应用中，传感器的最终选择取决于哪些参数对于它来说是最重要的。

图3：OCD响应情况

图3显示出了各阶段传感器输入电流的数字OCD响应情况。大约2微秒的响应时间部分原因是由于该传感器的磁电路延迟，另外一部分原因是验证过电流电路花费了至少1微秒，以避免在短期峰值内触发OCD。响应的过程为约600纳秒宽，因为电流步骤不与该ASIC内部的1.5 MHz时钟同步。

图4：左右图分别为旧式开环传感器和新传感器的dv/dt响应情况

图4显示了与需要外屏蔽或磁路接地以获得同等性能的旧式设计相比，新传感器对dv/dt干扰的免疫性情况。dv/dt信号斜率是5千伏/微秒，并且它的振幅为1千伏。dv/dt信号与其输出效果之间的延迟归因于内部采样、保持功能和过滤块。

图5：dv/dt输入响应情况

图5显示了新传感器对初级电流的响应情况。反应时间小于2微秒。然而，第二顺序输出滤波器的带宽被减少到最大值的六分之一，虽然这增加了反应时间，但相应地减少了输出噪声。

图6：传感器

图6为本文中描述的采用ASIC的两个不同的电流传感器样品。除了需要ASIC之外就不需要别的电气元件了，所以它们的物理体积是非常小的。集中磁场于ASIC的磁路是采用低成本铁痒体制造的，由于ASIC设计中固有的dv/dt消除性能，因此可以悬空。由于配置可以通过EEPROM和初级磁路排列来确定，因此，两个性能大不一样的传感器采用了同样的ASIC。

总结

新开环电流传感器的性能被证实已接近闭环传感器。良好性能的关键在于专门开发ASIC以实现这些改善。测得的性能在预期水平，并且增加了开环传感器的应用范围程序,而无需复杂的解决方案。 LEM是提供测量电参数的创新和高品质解决方案的市场领导者。其核心产品 - 电流和电压传感器 - 广泛应用在驱动器与焊接、可再生能源与电源、牵引、精密行业、传统的和绿色汽车制造之中。 LEM的策略是利用其核心业务的固有优势，并利用新的应用来开发现有的和新的市场机遇。 LEM是一个中等规模的全球性公司。它在日内瓦(瑞士)，索非亚(保加利亚)，北京(中国)和町田(日本)都有自己的生产工厂。凭借其接近客户位置的区域销售办事处，该公司可提供全球各地无缝接入的服务。