作者 Paul Emerald
下載 PDF 版
摘要
最新的功率半導(dǎo)體（IGBT、MCT 等）顯示了功率輸出限制方面的不斷進(jìn)步，隨著功率半導(dǎo)體系統(tǒng)開發(fā)的延伸和擴(kuò)展，感測這些不斷升級的電流電平成為越發(fā)明顯的先決（并行）需求。霍爾效應(yīng) IC 提供“非插入式”電流感測技術(shù)，能夠?qū)Ω唠娏麟娖竭M(jìn)行安全、隔離的檢測，而且不會(huì)耗散大量功率（和合成熱），而這是采用電阻式電流感測方法的弊端。此外，霍爾效應(yīng)電流感測為載流導(dǎo)體提供電氣絕緣；因此，能為電路系統(tǒng)、操作員等提供安全的環(huán)境。
針對霍爾效應(yīng) IC 的電流感測應(yīng)用持續(xù)激增，甚至變得更多樣化。在其他設(shè)計(jì)者殫精竭慮地保護(hù)系統(tǒng)時(shí)，霍爾效應(yīng) IC 應(yīng)用得到發(fā)展和增長，并制造出更可靠“無瑕疵”設(shè)備，同時(shí)解決任何安全問題。成本效益好的電流感測霍爾效應(yīng)傳感器 IC 的主要應(yīng)用包括：
電流不平衡
電流監(jiān)視
操作員/用戶安全和保安
過電流檢測/系統(tǒng)保護(hù)
系統(tǒng)診斷與故障檢測
測試與測量
背景與簡介
人們在 1879 年發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)；然而，在 1960 年代末期半導(dǎo)體集成的出現(xiàn)之前，人們未對埃德溫·霍爾的這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)行任何有意義的應(yīng)用。此后，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展（尤其是在 1990 年代），出現(xiàn)了功能更齊全、集成且系列更多的專用型霍爾傳感器 IC。磁傳感器電子學(xué)的不斷進(jìn)步，導(dǎo)致對低成本、可靠的“非接觸式”霍爾效應(yīng)電路系統(tǒng)的需求也在不斷增加，并且用于感測/檢測移動(dòng)、方向、位置，以及用于測量/監(jiān)測電流。
霍爾效應(yīng)傳感器 IC（尤其是比率線性類型）是用于“開環(huán)”電流感測設(shè)計(jì)的極好器件。然而，在可實(shí)現(xiàn)工作范圍、準(zhǔn)確度和精度、頻率響應(yīng)等方面都有所限制。因?yàn)樵S多預(yù)期用戶不知道而且/或未覺察使用霍爾效應(yīng) IC 的電流感測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)或缺點(diǎn)，本文盡力對目前使用硅霍爾效應(yīng)器件的“非插入式”電流感測的基本技術(shù)進(jìn)行綜合討論。
如果不使用有槽環(huán)形線圈集中（并聚焦）感應(yīng)磁通場，霍爾效應(yīng)電流感測的大多數(shù)應(yīng)用要求不能形成足夠的磁場。低電流至適度電流（
對于需要寬（或連續(xù)）電流范圍的設(shè)計(jì)，需要使用線性霍爾效應(yīng)傳感器 IC。但是，可能需要數(shù)字式霍爾效應(yīng)器件對過電流保護(hù)和/或故障檢測設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)節(jié)。這篇關(guān)于感測交流電流和直流電流所用的霍爾效應(yīng)器件的論文涵蓋了電流感測技術(shù)的實(shí)例和基本要素的詳細(xì)情況，以及器件參數(shù)、溫度穩(wěn)定性和霍爾效應(yīng)電流感測的其他相關(guān)問題。
競爭技術(shù)
盡管現(xiàn)在有許多電流感測方法，但低成本、大批量應(yīng)用中常見的只有三種。其他是昂貴的實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)、新興技術(shù)（例如磁阻技術(shù)）或很少使用的技術(shù)。常用技術(shù)包括：（1） 電阻，（2） 霍爾效應(yīng)和（3） 電流互感器。
電阻感測使用很廣泛，成本低，易于理解。然而，這種技術(shù)的缺點(diǎn)是插入損耗（熱和耗散功率）以及沒有隔離。而且，許多功率電阻器的串聯(lián)電感約束了低成本部件的頻率范圍；因此，按照表 1 中的類別，將電阻感測歸為直流或交流應(yīng)用。用于高頻率的低電感、高功率電阻更昂貴，但是工作頻率可以超過 500 kHz。而且，電阻式電流感測技術(shù)（通常）需要信號(hào)放大（需要使用比較器或運(yùn)算放大器）。
| 表 1：常見的廉價(jià)電流感測技術(shù) |
|---|
| 被廣泛使用的傳感器 | 功率消耗
| 電路隔離 | 頻率范圍 | 尺寸 | 準(zhǔn)確性 | 相對成本 |
|---|
| 插入損耗 | 外部電源 |
|---|
| 檢測電阻器 + 光放大器 | 高電壓 | 低 | 低 | 直流至 10 MHz | 中 | ±3 至 5% | 低 |
| 標(biāo)準(zhǔn)開回路霍爾效應(yīng) | 低 | 低 | 高 | 直流至 50 kHz | 小 | ±5 至 10% | 中 |
| 霍爾效應(yīng)閉回路 | 低 | 中 | 高電壓 | 直流至 1 MHz | 中至大 | < ±1% | 高 |
| Allegro 開環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器 IC | 低 | 低 | 高 | 直流至 120 kHz | 小 | ±2 至 3% | 中 |
| 電流變壓器 | 中 (AC) | 無 | 高 | 60 Hz 至 1 MHz* | 中至大 | ±3 至 5% | 高 |
| * 電流互感器通常在有限頻率范圍內(nèi)運(yùn)行，但是可設(shè)計(jì)用于低至高頻率。 |
霍爾效應(yīng)傳感器 IC（開環(huán)和閉環(huán)）代表了另一層級的常見解決方案。插入損耗（和相關(guān)加熱等）不是障礙。然而，與電阻式感測方法相比，霍爾效應(yīng) IC 技術(shù)在頻率范圍、成本、直流偏移和外部電源方面具有潛在劣勢。
電流互感器是最后一代低成本技術(shù)的終結(jié)，但僅能用于交流電（正如術(shù)語互感器隱含的意思）。大多數(shù)低成本電流互感器針對窄頻率范圍設(shè)計(jì)，比電阻式或霍爾效應(yīng)技術(shù)更昂貴，而且不能用于直流電流。然而，電流互感器避免了插入損耗，提供電氣絕緣，不需要外部電源，在零位電流時(shí)無偏移電壓。
因?yàn)楸疚闹攸c(diǎn)探討霍爾效應(yīng) IC，理解比率線性測量霍爾效應(yīng)器件原理對開環(huán)電流感測十分必要
線性霍爾效應(yīng)傳感器 IC
正如此術(shù)語所示，線性霍爾效應(yīng)傳感器 IC 產(chǎn)生一個(gè)與外加磁場成正比的輸出信號(hào)。通常，在任何電流感測應(yīng)用中，該磁場由一個(gè)“有槽”環(huán)形線圈聚焦，以便形成足夠的磁場強(qiáng)度，并且該磁場由導(dǎo)體中的電流感應(yīng)產(chǎn)生。“經(jīng)典”比率線性測量轉(zhuǎn)移曲線如圖 1 所示。請注意，在每個(gè)范圍的極限點(diǎn)，輸出達(dá)到飽和。
圖 1。線性霍爾效應(yīng)傳感器 IC 轉(zhuǎn)移曲線
最新的線性霍爾效應(yīng) IC 提供比率測量輸出電壓。靜態(tài)（即零位）電壓是外加穩(wěn)態(tài)標(biāo)稱電壓的 50%。此靜態(tài)輸出電壓信號(hào)相當(dāng)于無外加磁場，對于電流感測，相當(dāng)于 零位電流。南極磁場引起正電壓轉(zhuǎn)換（朝向 VCC)，北極磁場導(dǎo)致朝向接地 (0 V) 轉(zhuǎn)換。輸出飽和電壓（典型值）為 0.3 V （高/拉）和 0.2 V （低/灌），并且在 ±1 mA 時(shí)測量。[編者注，輸出電壓目前在毫伏范圍內(nèi)。]
每個(gè)線性霍爾效應(yīng) IC 集成了一個(gè)敏感霍爾元件（也稱為“板”）、一個(gè)低噪音（雙極）放大器，以及灌/拉輸出級。磁性霍爾效應(yīng)元件、放大器、輸出和聯(lián)合信號(hào)處理電路的單片 IC 將低階信號(hào)和噪音相關(guān)的任何系統(tǒng)問題降到最低程度。
現(xiàn)有很穩(wěn)定的線性霍爾效應(yīng)器件利用動(dòng)態(tài)正交偏移消除電路和電子開關(guān)來改變霍爾元件中的電流路徑。以高重復(fù)率將電流路徑從 0° 切換至 90°，為長時(shí)間影響線性傳感器 IC 運(yùn)行和穩(wěn)定性的（固有）直流偏移提供了新的解決方案。
利用取樣保持電路和低通濾波器對這些創(chuàng)新的線性霍爾效應(yīng)器件的內(nèi)部動(dòng)態(tài)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)還原。
線性霍爾效應(yīng) IC 可以探測通量強(qiáng)度的小變化，在電流感測方面，（通常）比數(shù)字式霍爾效應(yīng) IC 更有用。線性霍爾效應(yīng)器件經(jīng)常電容耦合至運(yùn)算放大器，或直流連接至比較器，以便達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)。另外，微控制器 (μC) 和微處理器 (μP) 用于探測線性霍爾效應(yīng) IC 的微弱信號(hào)變化，并且非常適合（與適當(dāng)?shù)能浖黄穑└袦y/測量交流或直流電流。
感應(yīng)磁場
如前所述，霍爾效應(yīng)電流感測通常需要使用有槽環(huán)形線圈（用鐵質(zhì)材料制造）。環(huán)形線圈在 IC 封裝中將感應(yīng)磁場向霍爾效應(yīng)元件的位置集中并聚焦。圖 2 是使用有槽環(huán)形線圈的“非插入式”電流感測的典型實(shí)例。導(dǎo)體電流流過纏繞在環(huán)形線圈上的線匝，感應(yīng)磁通場集中在環(huán)形線圈缺口（或槽）中的傳感器 IC 上。通常，此間隙與霍爾集成電路封裝厚度（約 0.060" 或 1.52mm）非常匹配，以提供最優(yōu)磁耦合。電流（在“緊密”磁耦合時(shí)）按照下述公式感應(yīng)通量強(qiáng)度：
B (高斯) ≈ N (匝數(shù)) × 6.9 高斯/安培
[編者注：從之前的 6 高斯/安培更新為 6.9 高斯/安培。]
圖 2。使用帶缺口環(huán)形線圈的電流感測
加寬槽（缺口）會(huì)減少磁通耦合并增加電流上限，這是根據(jù)霍爾傳感器 IC 靈敏度進(jìn)行的預(yù)測（后面會(huì)介紹更多細(xì)節(jié)）。然而，將感應(yīng)磁場去耦以擴(kuò)展最大電流限制時(shí)，可能影響線性、可用范圍等。此“松散”耦合正處于評估階段，尚未完成；因此，沒有記錄在較大缺口條件下，針對磁通量和導(dǎo)體電流的新公式。
“校準(zhǔn)的”比率測量線性霍爾效應(yīng)器件
兩種最新的 [編者注：1997 年發(fā)表的文章] 線性霍爾傳感器（帶動(dòng)態(tài)直流偏移消除）為論述線性比率測量霍爾效應(yīng)器件和電流感測奠定了基礎(chǔ)。A3515 繪圖（圖 3）和相關(guān)數(shù)據(jù)（表 2）記錄了大多數(shù)靈敏線性霍爾效應(yīng)器件的重要特性；對應(yīng)的 A3516 特性見圖 4 和表 3。
圖 3。線性比率測量霍爾效應(yīng)器件特性（A3515 輸出）
表 2：線性比率測量霍爾效應(yīng)器件特性測量數(shù)據(jù) (A3515)，
在超過 ±250 高斯時(shí)測量 |
|---|
| 標(biāo)記 | VCC
（伏） | VOQ
（伏） | 靈敏度
(mV/G) | 非線性度
(%) | 對稱度
(%) |
|---|
| 圓形 | 4.500 | 2.217 | 4.450 | ≤0.1 | 99.9 |
| 正方形 | 5.000 | 2.463 | 5.014 | ≤0.2 | 99.9 |
| 三角形 | 5.500 | 2.710 | 5.704 | ≤0.1 | 99.7 |
圖 4.線性比率測量霍爾效應(yīng)器件特性（A3516 輸出）
表 3：線性比率測量霍爾效應(yīng)器件特性測量數(shù)據(jù) (A3516)，
在超過 ±500 高斯時(shí)測量 |
|---|
| 標(biāo)記 | VCC
（伏） | VOQ
（伏） | 靈敏度
(mV/G) | 非線性度
(%) | 對稱度
(%) |
|---|
| 圓形 | 4.500 | 2.232 | 2.149 | ≤0.1 | 99.9 |
| 正方形 | 5.000 | 2.475 | 2.481 | ≤0.1 | 99.6 |
| 三角形 | 5.500 | 2.723 | 2.820 | ≤0.1 | 99.9 |
目前，盡管“校準(zhǔn)的”線性霍爾效應(yīng) IC 很少銷售，但仍然是建立和測量系統(tǒng)磁性參數(shù)的極好電路，并且是改善比率測量 IC 性能、特性和局限性的非凡切入點(diǎn)。
傳感器靈敏度
A3515 和 A3516 之間的主要差別是磁靈敏度。表 2 和表 3 列出了圖 3 和圖 4 中描繪的兩個(gè)特定傳感器 IC 的標(biāo)稱數(shù)據(jù)。靈敏度以每高斯的毫伏數(shù)（mV/G）表示。表中列出了三個(gè)電壓；然而，大多數(shù)設(shè)計(jì)采用固定的低成本 5 V 穩(wěn)壓芯片來保證穩(wěn)定性。兩個(gè)線性霍爾效應(yīng)器件的額定靈敏度（和可用范圍）如下 (VCC = 5 V)：
A3515
靈敏度：5.0 mV/G
范圍：≥±400 G (≥±2.0 V)
A3516
靈敏度：2.5 mV/G
范圍：≥±800 G (≥±2.0 V)
線性度和對稱度
從這些繪圖（圖 3 和圖 4）上可以明顯看出：線性度和對稱度（靜態(tài)（或零位）電壓的斜率偏差）都不是至關(guān)重要的設(shè)計(jì)結(jié)果，因?yàn)閷τ?A3515，二者都不超過 0.3%。這些繪圖記錄 ±400 G（A3515），以及±800 G（A3516），對于這兩類器件，輸出電壓擺幅為 ≥±2.0 V。
線性電流范圍
按照近似法，使用此范圍和前面公式中的每匝通量推導(dǎo)出實(shí)際電流極限值（“緊密”磁耦合最大值）：
按照之前的描述，電流值超過 ≈ 115 安培時(shí)，需要降低磁耦合，分流較高的電流（也就是將總量的一部分穿過環(huán)形線圈），或者需要采取將電路有效“脫敏”的其他方法。對于“非插入式”電流感測，目前有許多不斷成長壯大的應(yīng)用，尤其對于高強(qiáng)度電流 (>100 A)。在這些電流值條件下，超低值的電阻 (<1 mΩ) 消散相當(dāng)大的功率和熱，而且所需的“無感”電阻增加成本。I2R 損耗 不可 避免；500 mΩ 和 200 A 的檢測電阻產(chǎn)生 20 瓦的損耗。顯然，設(shè)計(jì)者想要避免發(fā)生這種情況。然而，低成本的選擇幾乎沒有（或者不存在）。[編者注：Allegro? ACS75x 電流傳感器 IC 系列現(xiàn)已推出，適用電流范圍達(dá) ±200 A。]
線性比率測量霍爾效應(yīng) IC
圖 5 顯示了包含動(dòng)態(tài)正交直流偏移消除的最新線性霍爾效應(yīng)器件。霍爾元件是一塊“單板”，用符號(hào) (Χ) 標(biāo)識(shí)。在 ≈ 170 kHz 頻率，將傳感器 IC 的電流從 0° 方向（向下）向 90° 的路徑切換（穿過霍爾板）。這就排除了大多數(shù)與初期偏移相關(guān)的因素（電阻梯度導(dǎo)致的直流不平衡、幾何差異、壓阻效應(yīng)等）。利用低通濾波器和取樣保持電路還原饋送至線性比率測量霍爾傳感器 IC 輸出的信號(hào)。
圖 5。帶有動(dòng)態(tài)正交偏移消除的線性霍爾效應(yīng)傳感器
為線性霍爾效應(yīng) IC 供電
盡管線性霍爾效應(yīng)器件的電源要求小，但是也需要外部電源。電源必須穩(wěn)定，穩(wěn)壓良好；并且?guī)в泄潭妷?IC 穩(wěn)壓器（通常為 5 V），此設(shè)計(jì)問題容易解決（而且花費(fèi)不多）。線性傳感器 IC 規(guī)定的最大供電電流為 ≤10 mA，電壓 5 V （典型值 ≈ 7 mA）。低成本穩(wěn)壓芯片易于從系統(tǒng)電源進(jìn)行板上“向下”調(diào)節(jié)。
表 4 列出了新式線性比率測量傳感器 IC 的絕對最大絕對值。
表 4：最大絕對值
(TA= 25°) |
|---|
| 特性 | 額定功率 |
|---|
| 電源電壓, VCC | 8.0 V |
| 輸出電壓， VOUT | 8.0 V |
| 輸出灌電流， IOUT | 10 mA |
| 磁通密度，B | 無限制的 |
| 封裝功耗，PD | 600 mW* |
| * 'UA' 封裝額定值 183°C/W。[編者注：額定值為 184。] |
超過上述規(guī)定極限的操作可能影響器件的運(yùn)行和性能，或者危害（犧牲）電路和/或系統(tǒng)可靠性，因而（絕對）不建議進(jìn)行這樣的操作。
最大電源電壓 ? 帶偏移消除的最新線性霍爾效應(yīng)器件可以按高于上一代的（A3506 等）電源電壓運(yùn)行。這些新的線性 IC 提高了最大限度，見表 4。
最大輸出電壓 ? 詳見表 4；然而，需要注意的是，輸出連接的電壓不可以高于電源電壓或低于 IC 接地電壓。這可能危害霍爾傳感器 IC 可靠性并/或影響系統(tǒng)可靠性。
最大輸出電流 ? 最新的線性霍爾效應(yīng)器件規(guī)定的電流比先前器件的電流高。然而，典型應(yīng)用很少涉及超過表 4 中所列最大值 10 mA 的情況，即使超出的百分比微不足道。對于當(dāng)今的模擬或轉(zhuǎn)換電路，其高阻抗輸入（通常）需要微安而非毫安級的霍爾傳感器 IC 輸出電流。
最大磁通密度 ? 超過這些霍爾效應(yīng) IC 線性范圍的磁場既不會(huì)損害也不會(huì)毀壞器件。然而，超過可用范圍的磁場會(huì)迫使輸出進(jìn)入飽和狀態(tài)（和非線性運(yùn)行），而不會(huì)損害霍爾效應(yīng)器件。
封裝功耗?最大封裝功耗極限基于安全、可靠接點(diǎn)溫度時(shí)的運(yùn)行情況。下面按照熱阻（和 TA = +25°C 時(shí)的最大功率）對使用中的兩種封裝類型進(jìn)行了規(guī)定。
建議最大接點(diǎn)溫度為 150° [編者注：現(xiàn)在高達(dá) 165°C。] 此溫度時(shí)的損耗等于零。然而，最新的線性器件允許高達(dá) 200°C 的非經(jīng)常性（即：瞬時(shí)）偏移（環(huán)境溫度 TA ≤ 170°C）。
內(nèi)部功率 (PD) 包含兩個(gè)因素：(a) 霍爾效應(yīng)器件電源 (ICC × VCC) 和 (b) IC 輸出功率 (IOUT × VOUT(SAT))。通常，電源 (a) 抑制輸出損耗 (b)，并且對于 5 V 的運(yùn)行情況，功率損耗通常為 ≤40 mW。功率損耗 ≤40 mW 時(shí)，器件的接點(diǎn)溫度可能比環(huán)境溫度 (TJ ≤ TA + [PD × RθJA]) 升高 ≈ 8°C。
內(nèi)部功率（通常）不是霍爾效應(yīng)器件的限制因素，但設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)理解器件功率損耗的基本結(jié)果及其與評價(jià)傳感器 IC 接點(diǎn)溫度的關(guān)系。IC（和系統(tǒng)）的可靠性與所有系統(tǒng)部件的溫度具有反向相關(guān)性。周圍溫度和接點(diǎn)溫度越高，任何系統(tǒng)的預(yù)期壽命和可靠性越低。
特殊的線性霍爾效應(yīng)器件參數(shù)
電流感測應(yīng)用需要關(guān)注許多不同的線性霍爾效應(yīng)器件特性，后面會(huì)簡要描述這些參數(shù)。隨后，將重點(diǎn)從準(zhǔn)確度、溫度效應(yīng)、線性度、對稱度等方面對許多特性和參數(shù)進(jìn)行具體表述。
電壓輸出 ? 如前所述，比率測量線性霍爾傳感器 IC 提供與電流感應(yīng)的外加磁場成正比的輸出電壓，如圖 2 所示。在保證極限值時(shí)，輸出規(guī)定為灌電流和拉電流 ±1 mA。根據(jù)圖 2、3 和 4，可用范圍為 ≥±2.0 V，電源 5 V。如前所述，沒有磁場（或感應(yīng)電流）時(shí)，靜態(tài)輸出電壓為 1 ? 2 電源電壓。穩(wěn)定且穩(wěn)壓良好的電源對于正常運(yùn)行至關(guān)重要，否則，輸出電壓會(huì)隨著供電的任何變化而波動(dòng)。[編者注：最新的性能特性見 Allegro 選型指南。]
帶霍爾效應(yīng)傳感器 IC 的電路負(fù)載 ? 線性霍爾效應(yīng)器件對被感測導(dǎo)體不產(chǎn)生負(fù)載。“無斷開”、“非插入”技術(shù)的基礎(chǔ)是，被感測導(dǎo)體周圍形成一個(gè)“環(huán)形線圈”。在導(dǎo)線周圍形成一個(gè)軟鐵圈，而不是將導(dǎo)線穿過環(huán)形線圈（圖 6A 和 6B）。這樣就可以在不需要斷開電力系統(tǒng)中任何導(dǎo)體的情況下，進(jìn)行電流感測（“無斷開”環(huán)形線圈如圖 6C 所示）。
圖 6A.環(huán)形電流感測應(yīng)用 (<15 A)
圖 6B.環(huán)形電流感測應(yīng)用 (>15 A)
圖 6C.“無斷開”電流感測應(yīng)用
電流過載公差 ? 如前所述，超過線性霍爾效應(yīng) IC 范圍的導(dǎo)體電流迫使輸出進(jìn)入非線性飽和狀態(tài)。過大的電流不會(huì)損害或毀壞傳感器 IC。然而，如果導(dǎo)體過熱，持續(xù)的極端過載電流會(huì)導(dǎo)致起火或安全危害，并造成險(xiǎn)情。
霍爾效應(yīng)電流傳感器的響應(yīng)時(shí)間 ? 檢查使用霍爾效應(yīng)技術(shù)和環(huán)形線圈的一些電流感測器件，可以了解更廣范圍的傳感器 IC 響應(yīng)時(shí)間。這些響應(yīng)時(shí)間（包含放大器）大多在 ≈ 7 ms 至 ≈ 15 ms 范圍，其他的低于或高于這些限值。試驗(yàn)（通常）指定 di/dt = 100 A/ms；規(guī)定的線性電流范圍從相當(dāng)?shù)?(
霍爾效應(yīng)傳感器 IC 帶寬 ? 現(xiàn)今大多數(shù)線性霍爾效應(yīng) IC 的可用帶寬為 ≥ 20 kHz。在這一頻率之上，信號(hào)電壓變化很小。然而，頻率稍低時(shí)，顯而易見的相移變得明顯。不同 IC 和供應(yīng)商之間有一些明顯變化，但是超過 ≈ 20 kHz 時(shí)的衰減很陡。盡管所有線性霍爾效應(yīng)器件的 ?3 dB 衰減截止頻率不一致，但 20 kHz 至 25 kHz 是有效的近似值。
具有代表性的示波器繪圖顯示了霍爾傳感器 IC 信號(hào)上的頻率效應(yīng)。從直流至 500 Hz（圖 7），沒有出現(xiàn)可識(shí)別的相移。頂部信號(hào)為霍爾效應(yīng)器件電壓，下部軌跡為繞組（線圈）電流。
圖 7。500 Hz 時(shí)的 VOUT （上部）對 IIN （下部）
輸入速率為 10 kHz 時(shí)，相移變得相當(dāng)明顯（圖 8），在 20 kHz 時(shí)很明顯（圖 9）。注：在有缺口的環(huán)形線圈上用 20 匝進(jìn)行試驗(yàn)；三個(gè)繪圖的電壓比例不相同。其他中頻繪圖顯示相似相移，但是因空間限制而未包括。[編者注：限制指的是出版原圖狹窄。]
圖 8。10 kHz 時(shí)的 VOUT （上部）對 IIN （下部）
圖 9。20 kHz 時(shí)的 VOUT （上部）對 IIN （下部）
而且，需要注意的是，這一帶寬限制與線性傳感器 IC 相關(guān)。在此工作頻率范圍內(nèi)，磁學(xué)（和感應(yīng)耦合）絕對不是帶寬限制因素。
顯然，由于這些帶寬限制，霍爾傳感器 IC 不能在正常的、聽不見的工作頻率 (>20 kHz) 下感測使用功率 OSFET 或 IGBT 的大功率 PWM 電路，但線性霍爾效應(yīng)器件對直流和主電源是可行的。
線性霍爾效應(yīng)器件對功率應(yīng)用的響應(yīng) ? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)者面臨越來越苛刻的功率“預(yù)算”，并且尋求保存電流和功率的技術(shù)。電池供電設(shè)計(jì)和電池“備用”設(shè)計(jì)是特別關(guān)注的方面，因而需要詳細(xì)檢查能夠縮減功率的任何方法。
有一種循環(huán)技術(shù)以短暫間隔接通電源，然后以較長周期關(guān)閉電源，從而可以（定期）激活傳感器 IC。平均功率與工作周期有關(guān)。因此，對于低工作周期的應(yīng)用，消耗的功率可大幅減少。固定電壓 IC 穩(wěn)壓器（帶有“啟用”輸入）是切換霍爾效應(yīng)器件電源和降低平均功率的非常可行的電路技術(shù)。
顯然，線性霍爾效應(yīng) IC 提供穩(wěn)定可用信號(hào)所需的時(shí)間是非常重要的，因此對兩個(gè)不同的線性霍爾效應(yīng)器件進(jìn)行評價(jià)，以確定它們的加電響應(yīng)特性。這兩個(gè)器件顯示不同屬性，示波器圖形描繪了將功率施加到線性器件上時(shí)器件的動(dòng)態(tài)工作情況。這些繪圖包含 5% 的窗口，用于比較電壓達(dá)到最終數(shù)值時(shí)的信號(hào)設(shè)置。
與使用正交霍爾效應(yīng)元件的上一代器件相比，最新的線性霍爾效應(yīng)器件（帶有動(dòng)態(tài)正交偏移消除）響應(yīng)慢。早先的系列（A3506 等）在不到 1 ms 內(nèi)下降至最終電壓的 95%（見圖 10），需要約 15 ms （見圖 11）達(dá)到最終值。顯而易見的權(quán)衡選擇：速度相對于加電時(shí)信號(hào)電壓的準(zhǔn)確度和分辨率
圖 10。A3506 功率提高 (0.2 μs/div.)
圖 11。A3506 功率提高 (2.0 μs/div.)
最新的器件（A3515 和 A3516）顯示響應(yīng)更慢（≈ 25 μs 至 ≥95%，對于最終的穩(wěn)定電壓電平，為 ≈ 40 μs）。這些繪圖揭示了性能相對于響應(yīng)速度和功率節(jié)省潛力的基本權(quán)衡。
圖 12。A3515 加電(5.0 μs/div.)
線性霍爾傳感器器件/環(huán)形線圈磁滯 ? 試驗(yàn)在 ±6 A 條件下進(jìn)行，感應(yīng)產(chǎn)生明顯的輸出電壓信號(hào)擺動(dòng)，這說明涉及磁滯的任何誤差相當(dāng)少（≈ 對于線性霍爾效應(yīng)器件 (A3516) 和有缺口的環(huán)形線圈組合，誤差為 1%）。線性霍爾傳感器 IC 不顯示磁滯，這是其固有屬性。然而，不同的有槽環(huán)形線圈（和不同的磁性材料）可能具有不同磁滯性能。
實(shí)際測量的電壓差動(dòng)范圍為 ≈ 16 mV 至 ≈ 22 mV，變化 >2.1 V。使用鐵氧體磁芯時(shí)，磁滯是個(gè)小問題，但是其他鐵芯（例如鐵粉）可能顯示不同特性。
因此，對具體的環(huán)形線圈和相關(guān)線性傳感器 IC 進(jìn)行全面、徹底評價(jià)是非常明智的建議，并且推薦進(jìn)行。
鐵芯（環(huán)形線圈）飽和 ? 鐵芯飽和通常不是問題。對于使用足夠匝數(shù)將霍爾效應(yīng)器件輸出電壓驅(qū)至將近滿量程（最大設(shè)計(jì)電流）的電流傳感器應(yīng)用設(shè)計(jì)，首先將傳感器 IC 感應(yīng)成飽和狀態(tài)。為了獲得最佳準(zhǔn)確度，使用的匝數(shù)應(yīng)將輸出電壓過渡感應(yīng)至（正好）不使傳感器 IC 飽和（稍后詳述）。
零交越 ? 對于線性霍爾效應(yīng)傳感器 IC，零交越相當(dāng)于零磁場（ B = 0 且 0 A 時(shí)，沒有感應(yīng)磁通場）。零磁場時(shí)，霍爾效應(yīng)器件輸出電壓等于 1 ? 2 電源電壓（即靜態(tài)輸出電壓）。
線性霍爾效應(yīng)器件的寬帶輸出噪聲 ? 這些線性霍爾效應(yīng) IC 的寬帶噪聲無關(guān)緊要，其數(shù)值與所選器件有關(guān)。對于最新的穩(wěn)定線性霍爾效應(yīng) IC 系列，試驗(yàn)用的技術(shù)參數(shù)為：
B = 0
BW = 10 Hz 至 10 kHz
I OUT ≤1 mA
對于兩個(gè)系列的線性器件，典型的等效輸入噪聲電壓 (Vn) 數(shù)值為：
A3506、A3507、A3508：125 mV
A3515、A3516：400 mV
假定這些霍爾效應(yīng)器件的最低靈敏度為 2.5 mV/G，而且磁通強(qiáng)度很低時(shí)不可能進(jìn)行準(zhǔn)確測量（稍后詳述），那么，寬帶噪聲的后果（通常）是非常小的問題。其他因素（尤其是隨著溫度發(fā)生的靜態(tài)輸出電壓漂移）更重要。
系統(tǒng)溫度 ? 這是需要考慮的關(guān)鍵因素，必須很好地理解并正確規(guī)定溫度范圍（沒有很大的裕度）。控制此重要設(shè)計(jì)要素對實(shí)現(xiàn)合理準(zhǔn)確度大有裨益。注：開環(huán)設(shè)計(jì)不能輕易解決小的電流變化。≈ 1% 的鐵芯磁滯可以排除此小電流變化，并且不需要考慮對線性霍爾效應(yīng)器件輸出參數(shù)及其與性能的關(guān)系所造成的其他（和更嚴(yán)重）溫度效應(yīng)。
靜態(tài)輸出電壓（直流偏移） ? 實(shí)質(zhì)上，比率測量線性霍爾 IC 的直流偏移與其從額定靜態(tài)輸出電壓（即 1 ? 2 電源電壓）的偏移有關(guān)。由于缺乏系統(tǒng)校準(zhǔn)或單獨(dú)“查找”表，此直流參數(shù)確實(shí)會(huì)影響使用線性霍爾 IC 的所有電流感測系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。查看圖 3 和 4，以及表 2 和 3，直流偏移（ V OQ 或靜態(tài)輸出電壓）的重要性不大。
最新的比率測量霍爾效應(yīng)傳感器 IC 規(guī)定直流靜態(tài)輸出電壓極限為 1 ? 2 電源電壓 ±0.2 V [編者注：見附錄。]。使用線性霍爾效應(yīng) IC 時(shí)，在霍爾效應(yīng)器件運(yùn)行溫度范圍內(nèi)的靜態(tài)輸出電壓漂移相當(dāng)于 ±10 高斯。
靜態(tài)電壓的一個(gè)重要方面是其公差極限。當(dāng)前規(guī)范給出的是 ±0.2 V [編者注：見附錄。] 從標(biāo)稱值來看，這會(huì)轉(zhuǎn)化為 ±8% 的最大誤差，而且沒有任何溫度造成的效應(yīng) (A3515/3516)。顯然，此潛在誤差因素是難以克服的約束條件，如果準(zhǔn)確的電壓是系統(tǒng)性能的先決條件，則必須認(rèn)真考慮這一因素。
調(diào)節(jié)供電電壓至 2.5 V 標(biāo)稱電壓，可以采用這種方式對靜態(tài)輸出電壓進(jìn)行直流補(bǔ)償，但是這樣會(huì)影響靈敏度，而且生產(chǎn)中不容許出現(xiàn)任何相關(guān)偏移。根據(jù)圖 3 和 4，升高供電電壓會(huì)補(bǔ)償?shù)挽o態(tài)輸出電壓，降低供電電壓會(huì)補(bǔ)償高靜態(tài)電壓。然而，這樣的補(bǔ)償對靈敏度產(chǎn)生負(fù)面影響，會(huì)抵消將靜態(tài)電壓“歸零”的積極方面。
因?yàn)樽钚碌木€性器件的靈敏度規(guī)范包含 ±10% 公差，并且沒有任何溫度效應(yīng)，因此“歸零”靜態(tài)輸出電壓（至 2.5 V）以避免靜態(tài)輸出電壓的 ±8% 誤差似乎相當(dāng)荒謬。
對于“優(yōu)質(zhì)”型初期線性器件，直流漂移等于 ±20 高斯，對于“有限”溫度元件，漂移范圍至 ±50 高斯。而且，先前 IC 的靜態(tài)輸出電壓的公差范圍比帶偏移消除的最新 IC 更寬。
這會(huì)妨礙設(shè)計(jì)在廣泛溫度范圍運(yùn)行的準(zhǔn)確、精密線性感測系統(tǒng)的能力。設(shè)計(jì)所需的電流感測緊密公差一定會(huì)遇到并要協(xié)調(diào)任何與靜態(tài)輸出電壓（數(shù)值和漂移）相關(guān)的問題，這些問題在章節(jié)“開環(huán)線性霍爾傳感器 IC 的準(zhǔn)確度”中詳細(xì)討論。
采用上面提到的漂移關(guān)系，最大靜態(tài)輸出電壓漂移偏差可以非常近似。這些計(jì)算基于（標(biāo)稱）線性靈敏度：
A3515：±10 G × 5.0 mV/G ≈ ±50 mV
A3516：±10 G × 2.5 mV/G ≈ ±25 mV
A3506：±20 G × 2.5 mV/G ≈ ±50 mV
A3507：±35 G × 2.5 mV/G ≈ ±87 mV
A3508：±50 G × 2.5 mV/G ≈ ±125 mV
實(shí)質(zhì)上，如果靜態(tài)電壓漂移是重要標(biāo)準(zhǔn)，而最大靈敏度不是首要考慮因素，此列表將 A3516 確立為首選線性器件。在電流感測應(yīng)用中，需要雙倍匝數(shù)（相對于 A3515）來獲得相同的電壓擺幅。
對于滿量程電壓擺幅 (≥±2.0 V)，A3516 的最大誤差是 ≤±1.3%，但是，靜態(tài)電壓漂移始終是 <±3 G（對于 A3516，為≈ ±7.5 mV）。該誤差因素取決于溫度；因此，應(yīng)采用足夠匝數(shù)將輸出驅(qū)至接近滿量程。這樣會(huì)將溫度相關(guān)靜態(tài)輸出電壓漂移的整體效應(yīng)減少到最低程度。因此，由于 ΔVOQ 錯(cuò)誤百分比較低，強(qiáng)烈建議接近全范圍運(yùn)行。
對傳感器 IC 靈敏度的溫度影響 ? 前面已經(jīng)描述了兩類新線性器件的標(biāo)稱靈敏度（和范圍）。然而，沒有規(guī)定電路公差。IC 有不同的標(biāo)稱靈敏度；然而，溫度相關(guān)最大漂移是相同的。在此重述靈敏度和范圍，并增加公差，從而得出下述霍爾效應(yīng) IC 參數(shù)和器件溫度漂移：
A3515：靈敏度，5.0 mV/G ±10%
Δ靈敏度 (ΔT)，TA= Max, -2.5% (min), +2.5% (typ), +7.5% (max)
Δ靈敏度 (ΔT)，TA= Min, -9.0% (min), -1.3% (typ), +1.0% (max)
磁場范圍，≥±400 G (≥±2.0 V)
A3516：靈敏度，2.5 mV/G ±10%
Δ靈敏度(ΔT)，TA= Max,-2.5% (min), +2.5% (typ), +7.5% (max)
Δ靈敏度(ΔT)，TA= Min,-9.0% (min), -1.3% (typ), +1.0% (max)
磁場范圍，≥±800 G (≥±2.0 V)
溫度范圍：
TA(min)，-40°C
TA(max)，85°C 或 125°C
實(shí)質(zhì)上，開環(huán)線性霍爾效應(yīng)器件可獲得的準(zhǔn)確度與直流偏移和靈敏度有關(guān)。
開環(huán)線性霍爾傳感器 IC 的準(zhǔn)確度 ? 在任何古典推理中，涉及該節(jié)點(diǎn)的推斷都很復(fù)雜。由于精密、嚴(yán)格測量要求日益增加，接下來將簡明解釋與獲得“準(zhǔn)確度”和可靠性相關(guān)的要素。準(zhǔn)確度、重復(fù)性、成本等因素相互關(guān)聯(lián)。
盡管可以定義參數(shù)最大值，但對準(zhǔn)確度的累積影響卻是非常模糊。而且，所有最壞情況下的誤差不可能同時(shí)發(fā)生。對成本敏感的設(shè)計(jì)越來越基于典型器件規(guī)格，這可能導(dǎo)致不能輕易降低的小故障率（盡管在允許范圍內(nèi)）。
準(zhǔn)確描述“開環(huán)”電流感測的絕對準(zhǔn)確度不在本文范圍內(nèi)。然而，對要素進(jìn)行回顧可以為分析提供支撐。
顯然，這些要素中的一部分對獲得準(zhǔn)確的電流感測至關(guān)重要，而另一些無關(guān)緊要。從根本上說，與磁滯、線性度、對稱度和寬帶噪聲相關(guān)的誤差重要性不大。與靜態(tài)電壓和靈敏度有關(guān)的因素絕對對進(jìn)行任何準(zhǔn)確、精密電流感測設(shè)計(jì)至關(guān)重要。
與靜態(tài)輸出電壓漂移有關(guān)的誤差取決于范圍和器件。±10 G（通常為
靜態(tài)輸出電壓公差列為百分?jǐn)?shù)（≤±8% [編者注：見附錄。]）。這是根據(jù)標(biāo)稱比率測量（1 ? 2 電源電壓 = 2.5 V）和規(guī)定限值 ≤±0.2 V 預(yù)測的 [編者注：見附錄。]。由于大多數(shù)線性霍爾傳感器 IC 更接近標(biāo)稱值 (≤±0.1 V),因此 ±8% 公差代表一種“最壞情況下”的靜態(tài)輸出電壓情形。
靈敏度參數(shù)也會(huì)造成相當(dāng)大的潛在誤差。然而，這些列出內(nèi)容相當(dāng)于最壞情況分析。此外，靈敏度和溫度效應(yīng)之間的關(guān)系尚未完全確定。器件的靈敏度和溫度導(dǎo)致的漂移接近任何一個(gè)極限時(shí)，器件之間是否存在一致的相關(guān)性尚未確定。溫度相關(guān)的效應(yīng)可能為零，或者極小（溫度消除任何累積偏差），或者累積（溫度進(jìn)一步加劇公差）。
根據(jù)已經(jīng)發(fā)布的參數(shù)和限制，開環(huán)電流感測設(shè)計(jì)的預(yù)期結(jié)果不容易低于 ≈ ±10% 至 ±15%。然而，在根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù) (A3515/16) 回顧最新的繪圖時(shí)，提高測量準(zhǔn)確度的預(yù)期（絕對）有所提高。
兩個(gè)繪圖（圖 13 和 15）描繪了 VOQ 相對于溫度的情況。+25°C 的數(shù)據(jù)記錄 A3515 的最小值為 2.468 V；最大值為 2.512 V；A3516 的范圍為最小值 2.464 V 至最大值 2.501 V。這個(gè)范圍比規(guī)定范圍嚴(yán)格得多。IC 的 -3 西格瑪極限為：2.457 V (A3515) 和 2.462 V (A3516)。+3 西格瑪極限為 2.520 V (A3515) 和 2.509 V (A3516)，在這些線性器件靜態(tài)輸出電壓的發(fā)布公差 ±8% 范圍內(nèi)，這些電壓值可以很好地轉(zhuǎn)換 [編者注：見附錄。]。
A3515 的數(shù)據(jù)提供如下：
VOQ （單位：伏特）
， VCC = 5 V |
|---|
| 環(huán)境溫度 | ?40°C | 25°C | 85°C | 150°C |
|---|
| -3 σ | 2.448 | 2.457 | 2.463 | 2.472 |
| 最小值 | 2.461 | 2.468 | 2.473 | 2.481 |
| 平均值 | 2.487 | 2.489 | 2.493 | 2.501 |
| 最大值 | 2.517 | 2.512 | 2.520 | 2.530 |
| +3 σ | 2.525 | 2.520 | 2.523 | 2.531 |
VOQ（單位：伏）
,作為 25°C 時(shí)的數(shù)值漂移百分比 |
|---|
| 環(huán)境溫度 | ?40°C | 25°C | 85°C | 150°C |
|---|
| -3 σ | -4.04 | 0.00 | -1.15 | -1.54 |
| 最小值 | -2.90 | 0.00 | -0.60 | -0.60 |
| 平均值 | -0.59 | 0.00 | 0.74 | 2.38 |
| 最大值 | 2.60 | 0.00 | 2.40 | 5.50 |
| +3 σ | 2.86 | 0.00 | 2.63 | 6.31 |
A3516 的數(shù)據(jù)提供如下：
VOQ （單位：伏特）
， VCC = 5 V |
|---|
| 環(huán)境溫度 | ?40°C | 25°C | 85°C | 150°C |
|---|
| -3 σ | 2.454 | 2.462 | 2.462 | 2.466 |
| 最小值 | 2.458 | 2.464 | 2.467 | 2.472 |
| 平均值 | 2.484 | 2.485 | 2.483 | 2.485 |
| 最大值 | 2.503 | 2.501 | 2.498 | 2.499 |
| +3 σ | 2.514 | 2.509 | 2.504 | 2.504 |
VOQ（單位：伏）
,作為 25°C 時(shí)的數(shù)值漂移百分比 |
|---|
| 環(huán)境溫度 | ?40°C | 25°C | 85°C | 150°C |
|---|
| -3 σ | -3.97 | 0.00 | -3.36 | -5.13 |
| 最小值 | -3.60 | 0.00 | -1.60 | -2.90 |
| 平均值 | 0.12 | 0.00 | -0.14 | 0.56 |
| 最大值 | 3.20 | 0.00 | 3.08 | 5.70 |
| +3 σ | 4.22 | 0.00 | 3.60 | 6.25 |
ΔVOQ 相對于溫度的數(shù)據(jù)和繪圖記錄顯示比規(guī)定限值 ±10% （之前以毫伏為單位列出）具有更好的性能。圖 14 和 16 顯示 VOQ 漂移在范圍內(nèi)，并且在大約 +25°C 的任何溫度窄帶范圍內(nèi)，漂移非常小。顯然，溫度范圍影響輸出電壓漂移公差。
因?yàn)檫@些繪圖和數(shù)據(jù)需要特性在霍爾效應(yīng)器件技術(shù)參數(shù)范圍內(nèi)，因此強(qiáng)烈建議認(rèn)真考慮可以達(dá)到的準(zhǔn)確度（尤其是溫度范圍有限時(shí)）。從根本上說，要想在不采用校準(zhǔn)和/或補(bǔ)充方法的情況下獲得個(gè)位數(shù) (<10%) 的精確度，溫度效應(yīng)是首要考慮因素。
圖 13。VOQ 相對于溫度 (A3515)
圖 14。ΔVOQ 相對于溫度 (A3515)
圖 15。VOQ 相對于溫度 (A3516)
圖 16。ΔVOQ 相對于溫度 (A3516)
靈敏度對準(zhǔn)確度的影響 ? 靈敏度的繪圖和數(shù)據(jù)證實(shí)新的線性霍爾效應(yīng)器件位于發(fā)布的限制范圍內(nèi)，并描繪了解決準(zhǔn)確度問題的另一個(gè)因素（盡管是次要因素）。器件靈敏度及其隨溫度的相關(guān)變化比較保守，盡管沒有極端的試驗(yàn)裕度。圖 17 至 20 描繪了靈敏度數(shù)據(jù)。
A3515 的數(shù)據(jù)提供如下：
| 靈敏度 (單位：mV/G) |
|---|
| 環(huán)境溫度 | ?40°C | 25°C | 85°C | 150°C |
|---|
| -3 σ | 4.408 | 4.683 | 4.795 | 4.842 |
| 最小值 | 4.454 | 4.793 | 4.930 | 4.927 |
| 平均值 | 4.761 | 4.988 | 5.109 | 5.121 |
| 最大值 | 5.181 | 5.316 | 5.392 | 5.359 |
| +3 σ | 5.113 | 5.293 | 5.423 | 5.400 |
靈敏度
是 25°C 時(shí)的數(shù)值漂移百分比 |
|---|
| 環(huán)境溫度 | ?40°C | 25°C | 85°C | 150°C |
|---|
| -3 σ | -7.6 | 0.0 | -0.1 | -0.7 |
| 最小值 | -7.1 | 0.0 | -0.9 | -1.0 |
| 平均值 | -4.7 | 0.0 | 2.3 | 2.5 |
| 最大值 | -2.5 | 0.0 | 3.7 | 4.4 |
| +3 σ | -1.9 | 0.0 | 4.6 | 5.8 |
A3516 的數(shù)據(jù)顯示類似屬性：
| 靈敏度 (單位：mV/G) |
|---|
| 環(huán)境溫度 | ?40°C | 25°C | 85°C | 150°C |
|---|
| -3 σ | 2.174 | 2.313 | 2.393 | 2.410 |
| 最小值 | 2.263 | 2.401 | 2.465 | 2.476 |
| 平均值 | 2.340 | 2.457 | 2.530 | 2.528 |
| 最大值 | 2.586 | 2.700 | 2.758 | 2.728 |
| +3 σ | 2.506 | 2.600 | 2.667 | 2.646 |
靈敏度
是 25°C 時(shí)的數(shù)值漂移百分比 |
|---|
| 環(huán)境溫度 | ?40°C | 25°C | 85°C | 150°C |
|---|
| -3 σ | -7.1 | 0.0 | 1.1 | -0.1 |
| 最小值 | -6.8 | 0.0 | 2.0 | 0.9 |
| 平均值 | -5.0 | 0.0 | 2.7 | 2.6 |
| 最大值 | -4.0 | 0.0 | 3.7 | 4.3 |
| +3 σ | -2.9 | 0.0 | 4.2 | 5.3 |
圖 17。靈敏度相對于溫度 (A3515)
圖 18。Δ靈敏度相對于溫度 (A3515)
圖 19。靈敏度相對于溫度 (A3516)
圖 20。Δ靈敏度相對于溫度 (A3516)
顯然，數(shù)據(jù)和繪圖都沒反映比率測量線性霍爾傳感器 IC 的總體分布。對準(zhǔn)確度的深入了解是為了說明基本必要條件，從而協(xié)調(diào)霍爾效應(yīng)器件進(jìn)行精確電流感測可達(dá)到的極限，但是這并暗示任何明確的約束條件。最終，應(yīng)用創(chuàng)新、考慮周到的電路設(shè)計(jì)技術(shù)決定開環(huán)霍爾效應(yīng)電流感測的核心限制條件。
校準(zhǔn)和補(bǔ)償 ? 通過電流感測設(shè)計(jì)努力使開環(huán)準(zhǔn)確度低于 ±10% 時(shí)，應(yīng)考慮替代選擇。進(jìn)行“硬件”校準(zhǔn)和/或補(bǔ)償是昂貴、復(fù)雜的選擇，因此對于大多數(shù)設(shè)計(jì)而言，應(yīng)予以忽略。
雖然使用一個(gè)比較器（或多個(gè)比較器）校準(zhǔn)或補(bǔ)償來建立跳變點(diǎn)是可行的，但對于溫度和靜態(tài)電壓而言，實(shí)現(xiàn)全范圍線性運(yùn)行依然是艱巨的任務(wù)。比較器可以提供離散電流信號(hào)（過電流、正常運(yùn)行等），并且具有實(shí)用的準(zhǔn)確度，但是它不能（輕易）區(qū)分小的電流變化。
軟件越來越成為擴(kuò)大霍爾效應(yīng)器件電流感測準(zhǔn)確度的解決方案。通常，軟件方案涉及微控制器、μPs 或計(jì)算機(jī)，以及軟件校準(zhǔn)/補(bǔ)償方案。
因?yàn)榫€性霍爾效應(yīng)器件的線性度、對稱度和比率測定為 ≈ 100%，所以這些誤差因素（在很大程度上）可以忽視。如果系統(tǒng)需要較寬的運(yùn)行范圍，則溫度范圍是確定因素。然而，溫度范圍窄的良性環(huán)境可以減輕設(shè)計(jì)困難。使用軟件（和 μC/μP）開發(fā)查找表時(shí)，需要測量和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)點(diǎn)，用于為每一個(gè)電流傳感器 IC 提供可接受的（并且是單獨(dú)的）校準(zhǔn)技術(shù)。這（通常）涉及下述校準(zhǔn)/補(bǔ)償步驟：
確定電流電平時(shí)，需要用到“查找”數(shù)據(jù)，以便使用儲(chǔ)存的 VOQ 和靈敏度數(shù)據(jù)計(jì)算電流值。
實(shí)質(zhì)上，“查找”表對應(yīng)前面已經(jīng)提及的“校準(zhǔn)的”線性霍爾效應(yīng)器件。該軟件/查找表方法可以輕松達(dá)到 <±10% 準(zhǔn)確度，其極限值（大概 ≈ ±1%）可能受到各種因素的限制，其中涉及軟件開發(fā)、必要校準(zhǔn)和補(bǔ)償（包括設(shè)備），以及增加準(zhǔn)確度相關(guān)的成本和時(shí)間。
顯然，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存需要非易失性存儲(chǔ)器進(jìn)行參數(shù)測定，也需要特殊的初始校準(zhǔn)程序。查找表補(bǔ)償靜態(tài)電壓、靈敏度和溫度效應(yīng)的變化因素。可以利用軟件校準(zhǔn)和補(bǔ)償技術(shù)，將與這些系統(tǒng)準(zhǔn)確度因素相關(guān)的潛在誤差降到最低。盡管這看上去復(fù)雜而且昂貴，但其他解決方案可能比使用低成本 8位 μC 的解決方案更復(fù)雜、更昂貴。
霍爾效應(yīng)傳感器 IC 分類 ? 盡管這一方法可能加強(qiáng)器件輸出參數(shù)；但目前只有符合已公布數(shù)據(jù)表限值的線性器件銷售。其他人提供一些“增值”分類方案，但是這一程序和服務(wù)既不常見也不便宜。盡管如此，一些客戶選擇通過外部檢測、分類和按照具體的嚴(yán)格器件限值選擇線性霍爾效應(yīng)器件來解決艱難的設(shè)計(jì)問題。顯然，預(yù)分類的霍爾效應(yīng)器件 IC 可用性的任何改善都能給電流感測設(shè)計(jì)帶來明確的優(yōu)勢，并且“分類的”霍爾效應(yīng)器件的可用性可能改變。
傳感器組件的尺寸和形式 ? 由于可以獲得各種尺寸的環(huán)形線圈選擇(Eastern Components, Inc. 提供)，因此我們不能確定典型尺寸。為了適合霍爾效應(yīng)器件封裝，線圈上帶有專門切割的槽。圖 21 展示了一個(gè)用于六個(gè)不同電流范圍的基本配置（感測的額定峰值電流為：1 A、3 A、5 A、8 A、10 A 和 100 A）。長度、高度和寬度有些許變化，最大的版本測量結(jié)果是長度 0.950"、高度 1.025"、寬度 0.500"；所有版本為 PCB 通孔形式。
圖 21。霍爾相應(yīng) IC 感測組件
電流感測“子系統(tǒng)”的成本 ? 確定以線性霍爾效應(yīng) IC 為基礎(chǔ)的電流傳感器的相關(guān)成本，幾乎與系統(tǒng)準(zhǔn)確度涉及的各類問題一樣困難。必需部件（線性霍爾效應(yīng)器件和有槽環(huán)形線圈）的成本容易確定，圖 21 中描繪的完整組件的起始價(jià)格為 ≈ $8.00 （數(shù)量：1000 個(gè)）。[編者注：1997 年的美元估價(jià)。]
有槽鐵芯的成本通常為 <$1.00（即使數(shù)量適度時(shí)也不例外），線性霍爾效應(yīng)傳感器 IC 的成本范圍為 <$2.50 至 <$3.25 （1 000 件）。這個(gè)價(jià)格跨度反映了各類霍爾傳感器 IC 和不同溫度范圍。顯然，總量越高，單位成本減少，對于批量生產(chǎn)，傳感器 IC/環(huán)形線圈的綜合成本很容易降到低于 $3.00。從鐵芯轉(zhuǎn)換為帶“鑄造”缺口的鐵粉環(huán)形線圈，可以顯著降低總成本。與 $0.80 至 $0.85 的鐵芯不同，類似數(shù)量的鐵粉芯的成本為 ≈ $0.20 至 $0.25。
然而，根據(jù)各個(gè)單獨(dú)的設(shè)計(jì)要求，維修時(shí)間、軟件編程、裝配工作等其他因素會(huì)有較大的變化。顯然，每個(gè)系統(tǒng)的溫度、分辨率和準(zhǔn)確度是影響系統(tǒng)成本的先決條件。開發(fā)和實(shí)施溫度范圍寬、分辨率高且非常精確的設(shè)計(jì)，所需要的費(fèi)用與僅僅感測過量電流的費(fèi)用有極大不同。過流故障檢測應(yīng)用的可用公差范圍非常大（大概 ±20%），但這并不能保證實(shí)現(xiàn)精確的全溫度范圍設(shè)計(jì)所要求的任何軟件“查找”、嚴(yán)格的器件和溫度評估。
因此，僅能識(shí)別核心部件（和圖 21 的組件）。與軟件創(chuàng)建、系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程等相關(guān)的費(fèi)用不在使用線性霍爾效應(yīng) IC 進(jìn)行電流感測的范圍內(nèi)。
保護(hù)大功率電子設(shè)備
圖 22 是大功率 IGBT 電流感測檢測和保護(hù)的經(jīng)典實(shí)例。對于交流感應(yīng)電機(jī)或需要全橋或三半橋傳動(dòng)（例如，三相永磁無刷直流電機(jī)）的其他功率電路，可將此圖與可調(diào)速傳動(dòng) (ASD)的單相聯(lián)系起來。這樣的配置可以檢測電源導(dǎo)軌（上部電流傳感器）中的過量電流。這種情況可能是因?yàn)樵诩せ顚?yīng) IGBT 條件下，電源導(dǎo)軌對地短路，或輸出短路。短路低輸出或高輸出與同一“支腿”相反位置輸出的任意結(jié)合，可導(dǎo)致系統(tǒng)中產(chǎn)生（不安全）過電流故障。
圖 22。‘’ 帶電流傳感器 IC 的全橋
做為選擇，與繞組（中心傳感器）串聯(lián)的線性傳感器 IC 可以檢測短路負(fù)載,并監(jiān)控實(shí)際的線圈電流。兩個(gè)位置中的電流傳感器 IC 應(yīng)排除火災(zāi)和安全危害（并保護(hù)任何人員）；并且高速“關(guān)閉”電路可以防止危害到功率輸出（如果設(shè)備維修不當(dāng)?shù)韧獠抗收蠈?dǎo)致過流）。很明顯，整體電路響應(yīng)速度（關(guān)閉時(shí)間）對保護(hù)系統(tǒng)和提供安全至關(guān)重要。
總結(jié)和展望
用于開環(huán)電流感測的線性霍爾效應(yīng)傳感器IC 不斷發(fā)展和擴(kuò)大。目前，可用的設(shè)備比之前所有的線性器件優(yōu)異很多，并且在設(shè)計(jì)、處理、封裝、測試等方面持續(xù)不斷地進(jìn)步。如前所述，如果要使設(shè)計(jì)、開發(fā)和實(shí)施的系統(tǒng)在較寬的工作溫度范圍內(nèi)具有可靠的個(gè)位數(shù)準(zhǔn)確度，當(dāng)今的霍爾效應(yīng)器件的公差和溫度漂移給設(shè)計(jì)人員提出了艱巨的挑戰(zhàn)。
預(yù)計(jì)霍爾效應(yīng)器件性能和溫度穩(wěn)定性方面的進(jìn)展，以及集成更多功能和其他進(jìn)步，會(huì)使線性霍爾效應(yīng)器件更適合更高分辨率的電流感測。
未來的線性器件可能允許在霍爾效應(yīng)器件封裝后，對傳感器 IC 進(jìn)行編程。這將允許用戶調(diào)整增益（靈敏度），校準(zhǔn)輸出靜態(tài)電壓 (VOQ) 并對溫度變化問題進(jìn)行補(bǔ)償。顯然，這涉及電路設(shè)計(jì)和測試方面的更復(fù)雜的創(chuàng)新技術(shù)。然而，應(yīng)用此類霍爾傳感器 IC 的機(jī)會(huì)以幾何級數(shù)增長。
自 1960 年代末期實(shí)現(xiàn)集成以后，霍爾效應(yīng)傳感器 IC 經(jīng)歷了革命性的變化。隨著進(jìn)一步發(fā)展和改進(jìn)，對于新的線性霍爾效應(yīng)器件的應(yīng)用預(yù)期會(huì)擴(kuò)大和增加，以滿足未來動(dòng)力電子設(shè)備系統(tǒng)的許多新興需求。
致謝
線性霍爾效應(yīng)電流傳感器的標(biāo)志 [編者注：如圖 22 中的應(yīng)用。Χ 標(biāo)志是磁驅(qū)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)表示。] 由 Allegro MicroSystems 公司的前雇員 Raymond Dewey 創(chuàng)造。目前，對于使用霍爾效應(yīng)技術(shù)的電流傳感器，沒有標(biāo)準(zhǔn)或公認(rèn)的圖解符號(hào)。
參考資料
課程：P. Emerald，馬里蘭州巴爾的摩，1997 年電力系統(tǒng)世界，第六章，PCIM （電力轉(zhuǎn)換與智能運(yùn)動(dòng)）電力電子研究院，電流感測原理中的“用于功率轉(zhuǎn)換和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用的開環(huán)電流感測”；以及此為期一天的職業(yè)進(jìn)展課程各章節(jié)的編著者。
研討會(huì)：P. Emerald 和 Joe Gilbert，加州長灘，1995 年電力系統(tǒng)世界，“用于運(yùn)動(dòng)控制和定位應(yīng)用的集成式霍爾效應(yīng)傳感器”。
附錄
由于本文寫于 1997 年 12 月，目前 A3515 和 A3516 比率測量線性霍爾效應(yīng)傳感器 IC 已被 A132x 系列取代。可以從 Allegro 網(wǎng)站 A1324-5-6獲取關(guān)于新系列的信息。
另外，初次出版之后，對 A3515 和 A3516 比率測量線性霍爾效應(yīng)傳感器 IC 的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了更改。1998 年 4 月，新的嚴(yán)格靜態(tài)輸出電壓極限從最初的 2.5 V ±0.2 V 更改為 2.5 V ±0.075 V。除了靜態(tài)輸出電壓極限升級，有效的線性電流范圍可以通過加寬環(huán)形線圈缺口（槽）的方式進(jìn)行拓展，從而將“磁耦合”脫敏。
根據(jù)名為“靜態(tài)輸出電壓（直流偏移）”的章節(jié)所述，技術(shù)參數(shù)最初通常將比率測量輸出列為 2.5 V。極限值為 2.3 V （最小值）和 2.7 V （最大值），器件工作溫度范圍內(nèi) VCC = 5 V。此改善影響使用比率測量線性霍爾效應(yīng)傳感器 IC 的系統(tǒng)能達(dá)到的準(zhǔn)確度（見名為“開環(huán)線性霍爾傳感器 IC 準(zhǔn)確度”的章節(jié)）。
如前所述，本文給出了下述輸出靜態(tài)電壓極限：
VOQ ..................................2.48 V 至 2.52 V (±8%)
升級的技術(shù)參數(shù)顯示輸出靜態(tài)電壓極限如下：
VOQ ..............................2.425 V 至 2.575 V (±3%)
此嚴(yán)格的技術(shù)規(guī)格顯著提高了通過這些線性比率測量霍爾效應(yīng)傳感器 IC 實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確測量的能力。這意味著個(gè)位數(shù)準(zhǔn)確度對于一些設(shè)計(jì)成為現(xiàn)實(shí)（尤其是那些溫度波動(dòng)受限的設(shè)計(jì)）。
線性電流范圍 ? 根據(jù)關(guān)于線性電流范圍的初始材料（第 5 頁），帶有“緊密”磁耦合(?60 毫安差距，以匹配傳感器封裝）的范圍不變：
A3515：≥±400 G ÷ 6.9 G/A ? ±58 A
A3516：≥±800 G ÷ 6.9 G/A ? ±116 A
通過擴(kuò)展（加寬）環(huán)形線圈的槽可以輕松實(shí)現(xiàn)磁耦合“脫敏”。磁耦合脫敏首先要把槽增加至 3 mm （≈ 封裝體的兩倍），這樣就降低了磁通耦合，并增加了電流上限，如下：
A3516：≥±800 G ÷ 3.85 G/A ? ±210 A
試驗(yàn)表明，傳感器 IC 殼體布置對磁耦合沒有影響。將“校準(zhǔn)的”線性霍爾效應(yīng)傳感器 IC 殼體置于中心，輸出信號(hào)與將殼體置于槽面上時(shí)的輸出信號(hào)相同。因?yàn)樵S多用戶努力想獲得更高的電流范圍，所以我們進(jìn)行了另一次評估（從 Eastern Components, Inc. 獲得新的鐵氧體環(huán)形線圈之后）。
將環(huán)形線圈缺口擴(kuò)大至 6 mm （即：比封裝厚度尺寸多 4×)，將電流范圍極限再次擴(kuò)展。這一“脫敏”的磁耦合增加了最大電流極限，按照下述計(jì)算：
A3516：≥±800 G ÷ 1.7 G/A ? ±470 A
在可以獲得不同尺寸缺口的環(huán)形線圈后，需要進(jìn)一步評估。這樣應(yīng)該能提供更完整（盡管有重疊）電流范圍集（上限還未知）。另外，其他環(huán)形線圈材料（尤其是鐵粉）有待評估。
總結(jié)
嚴(yán)格的靜態(tài)輸出電壓公差使比率測量線性霍爾效應(yīng)器件的準(zhǔn)確度更好，加寬環(huán)形線圈槽可以增加這些器件的最大電流極限。
本文于 1998 年 5 月 6 日發(fā)表在俄亥俄州立大學(xué)召開的國際家電技術(shù)大會(huì)上。轉(zhuǎn)載需經(jīng)許可。
STP98-1
