一款基于磁通门芯片的开环电流传感器

徐东海，朱胜平，王臻，李敏，任浩，倪大成

（宁波中车时代传感技术有限公司浙江宁波315021）

传统的霍尔直放式电流传感器是应用霍尔原理的开环电流传感器，适合于对交流、直流和脉动电流的隔离精确测量。具有精度高、线性好、反应时间快、电流过载能力强等特点，广泛应用于城轨地铁、铁路机车、风电、光伏、变频器、UPS等电流精密检测应用领域[1-2]。

随着轨道交通行业等领域的发展程度不断提高，对传感器的要求也在不断提高，小型化、智能化、低成本、安装维护方便是传感器以后的主流发展方向，这就对传感器设计开发提出了更高的要求[3]。

文中介绍了一款新型的高灵敏度磁通门芯片[4-6]的新型开环式电流传感器，它具有体积小，重量轻，成本低，安装维护方便等优点。本文简要介绍了该电流传感器工作原理以及与传统霍尔电流传感器的比较，对其设计方案进行了着重阐述，通过理论分析、仿真计算以及结合实际样机测试数据，对传感器的测试误差进行了简要分析。

1 传感器工作原理介绍

1.1 传感器工作原理

本开环电流传感器主要由原边母排，磁通门芯片以及印制板电路组成，其中磁通门芯片以及印制板电路被密封在外壳之中，原边母排中开有一定直径大小的圆孔，磁通门芯片位于圆孔中心两侧，如图1所示。

图1 磁通门芯片位置示意图

当原边母排通入一定电流时，磁通门感应芯片会感受其中磁感应强度大小，并转化成电流信号Iout输出，该电流信号经过采样电阻Rm转化成电压信号Vm，并最终经过运算放大器放大输出相应电压Vout，如图2所示，其中

GFlux：磁通门芯片增益，12.2 mA/mT；

Rm：增益电阻，可根据实际需求调整；

Gamp：磁通门芯片内部运放增益，4 V/V；

图2 工作原理

1.2 与开环霍尔电流传感器比较

与传统的开环式霍尔电流传感器相比，本电流传感器所采用的磁通门感应芯片饱和磁感应强度Bm≤±2 mT，相较于普通霍尔元件几百mT饱和磁感应强度值，其感应精度较高，能对微弱磁场进行感应并输出相应信号，不需要软磁材料进行聚磁，因此，本开环电流传感器可以有效去除铁芯可能带来的影响：

1）铁芯剩磁影响

传统的开环式电流传感器铁芯剩磁较大，磁滞回差较大（≤1%），影响传感器过程调试及测量精度，本方案电流传感器无铁芯，影响传感器磁滞回差的只有芯片本身的磁滞，由芯片手册知，其回差≤0.2%

2）铁芯饱和影响

传统开环式电流传感器铁芯存在饱和现象，当原边电流增大到一定程度时，铁芯磁感应强度不在增大，因此传感器测量范围主要受限于铁芯，本方案电流传感器无铁芯，影响传感器测量范围的主要是芯片饱和磁感应强度。

3）铁芯温漂影响

传统开环式电流传感器铁芯气隙直接影响传感器测量范围及精度，铁芯本身性能受温漂影响较大，且铁芯气隙受温度变化影响较大，因此电流传感器温漂性能较差，而本方案无铁芯，芯片本身温漂性能较高（7ppm/℃）。

2 传感器设计方案

2.1 原边母排设计

本开环电流传感器实际使用的感应芯片精度较高，能对微弱磁场[7-11]进行感应并输出相应信号，无需采用其他软磁材料进行聚磁，故本方案主要采用在母排中心开孔，通过高灵敏度感应芯片直接感应母排中心孔附近磁场强度并输出相应信号，如图1所示。

2.2 磁场分布研究

母排的孔径以及厚度大小直接影响母排中心处磁感应强度的大小，从而影响传感器测量范围，故不同的电流测量范围对应不同母排厚度及孔径大小，本电流传感器测量范围在0～±1000 A，母排厚度在6 mm，宽度在50 mm。

由电磁场理论可知，图1处母排中心区域的磁场分布如图3所示。

图3 母排中心磁场分布

由上图易知，母排中心处其左边母排产生的磁场与右边母排产生的磁场大小相等，方向相反，故其磁场大小为0，在中心左侧区域，左边母排产生的磁场较右边母排产生的磁场大，其整体磁感应强度方向朝上，在中心右侧区域，右边母排产生的磁场较左边母排产生的磁场大，其整体磁感应强度方向朝下，距离中心位置相等的左右两侧位置，其磁感应强度大小相等，方向相反。

如图4所示为磁通门芯片处的磁感应强度分布，由电磁场理论可知，此时左侧芯片磁感应强度大小：

右侧芯片磁感应强度大小：

r：母排中心孔半径；

Δr:母排中心到芯片距离；

图4 芯片磁感应强度分布

因两芯片其方向相反，故其合磁场：

由上式可知，磁通门芯片感应的磁感应强度大小与原边电流I成正比，与母排中心孔半径r成反比，与母排到芯片距离Δr成正比，即原边电流越大，母排中心孔半径越小，母排到芯片距离Δr越大，则磁通门感应的磁感应强度越大。

2.3 仿真分析

为了确定传感器母排中心孔直径大小，采用Maxwell仿真软件对母排中心孔磁场分布进行仿真分析[12-14]。

仿真模型按照实际母排尺寸进行建模，其主要尺寸为80mm×50mm×6mm，仿真模型如图5所示。

图5 仿真模型

实际原边母排在通入电流时磁场分布示意图如图6所示。

图6 仿真磁场分布示意图

为了更加量化实际感应芯片处磁感应强度，在孔中心两侧各2 mm处设置一点用于检测仿真时该位置处磁感应强度大小（模拟实际传感器感应芯片的位置），同时，设置了4组孔直径大小用于观测在该孔径下感应芯片处的磁感应强度大小，分别为15 mm，17 mm，20 mm和25 mm，数据如表1所示：

表1 芯片处磁感应强度大小

通过仿真分析，实际开发设计时，孔径选择D=17 mm。

2.4 电路设计

本电流传感器方案采用+15 V单极性电源供电，主电路由电源防护电路、电压转换电路、精密磁通门芯片、信号处理电路等构成。传感器封装后通过灵活的机械安装接口设计，贴于母排表面，实现产品小型化。

2.4.1 电源防护电路

本电流传感器电源防护电路如图7所示，采用压敏电阻，电感，TVS管等常规防护器件，来提高传感器的电磁兼容性能[15-16]，压敏电阻RV1主要用于防护浪涌电压，提高传感器抗浪涌电压的能力，电感L1主要用于提高传感器传导抗扰能力，VD1为整流二极管，主要用于防止电源电压反接而损坏产品内部其他器件，VS1为TVS二极管，其主要作用为提高传感器抵抗浪涌电压以及电快速瞬变脉冲群的能力，电容C1及C2为滤波电容，主要用于滤除电源端干扰信号。

图7 电源防护电路

2.4.2 电压转换电路

本电流传感器使用的感应芯片其供电电源要求为+5 V，传感器基准电压要求+2.5 V，客户端实际无+5 V供电电源端口，只有+15 V供电电源端口，为满足客户使用要求，传感器必须自带电压转换功能。

本电流传感器电压转换电路主要采用TI公司TPS7B6950-Q1以及REF5025A两款电压基准芯片，其中电压基准芯片TPS7B6950-Q1主要用于将+15 V电源电压转换为+5 V输出，提供后续芯片及传感器其他电路供电，其通流能力最大能达到150 mA，可以满足全范围内电流传感器使用要求[17]，电压基准芯片REF5025A芯片主要将+5 V电压转换为+2.5 V电压输出，为传感器提供输出基准电位，因该基准电位直接关联传感器输出性能，故对其精度要求非常高，REF5025A具有高精度（0.1%），低温漂（8 ppm/℃），低噪声（3uVpp/V）的优点，可以满足实际传感器的要求。

2.4.3 芯片处理电路

本电流传感器芯片处理电路采用双感应芯片差分设计方式，不仅可以做到对有用进行放大输出，同时还可以对外界干扰信号进行滤除，有效提高了传感器抗干扰能力，提高了传感器信噪比。

芯片处理电路如图8所示。

图8 芯片处理电路

由上图可知：

VDIFF为传感器差分输出信号，其大小与原边母排电流大小成正比，VCM为产品共模输出信号，其主要用于校正传感器安装位置偏差。

2.5 误差分析计算

取Δr为两芯片之间的距离；

为了衡量外部干扰磁场对于传感器所需有用信号的干扰情况，取母排中心孔径为r0，母排通过电流为I0，则有：

当传感器外部干扰电流源与原边母排垂直时[18]，显然其产生的磁感线不穿过感应芯片感应面，对感应芯片而言，此时干扰磁感应强度B=0。

3 传感器样机测试

为了衡量本开环式电流传感器技术指标，对传感器进行了基本性能测试，主要从精度，线性度，回差等相关指标来进行初步衡量，测试数据如表2及表3所示。

表2 传感器正向基本性能测试数据

表3 传感器反向基本性能测试数据

由上表可知，本开环式电流传感器其基本误差，线性度误差，回差以及重复性误差均可以达到0.5%要求以内。

传感器样机实物如图9所示。

图9 传感器样机

4 结束语

本电流传感器相比传统霍尔式电流传感器，体积减小约20%，重量降低约50%，精度及线性度较高（0.5%），抗外界干扰能力强。该传感器内部简单，只有外壳与印制板，过程组装便利，通过采用高精度电压基准芯片，无需进行零点调试，生产效率较高。此外，传感器通过直接嵌入母排中心孔方式进行固定，安装以及后续拆卸时极为方便，无需影响周围其他电气设备。目前该电流传感器已成功在客户端进行实际装车考核。