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工作原理

? 霍爾效應

當電流垂直于外磁場通過半導體時，載流子會發生偏轉，垂直于電流和磁場的方向會產生一附加電場，從而在半導體的兩端產生電勢差，這一現象就是霍爾效應，這個電勢差也被稱為霍爾電勢差。下圖所示為簡單的原理。

通過公式表達為：VH= Kh * Ic *B = (Rh/d) * f(L/l) *Ic *B

(Kh: 霍爾材料靈敏度系數；Rh: 霍爾系數，Rh=u*ρ , u為材料載流子遷移率， ρ為材料電阻率。L、I、d為霍爾元件的長寬高；f(L/l) 為由霍爾元件長寬比決定的修正系數；Ic為霍爾元件驅動電流；B為垂直于霍爾元件表面的磁感應強度。

? 開環霍爾電流傳感器

通常由導體、霍爾芯片、磁芯及放大電路組成。導體通過磁芯的中心位置以集中磁場，磁芯存在開口氣隙，霍爾元件則被放置在磁芯的間隙中，磁芯將磁力線集聚至氣隙處，通過霍爾效應可知，霍爾元件將輸出與氣隙處磁感應強度成正比例關系的電壓信號，經過放大電路將信號放大輸出，如下圖所示：

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應用案例

? 開環霍爾電流傳感器

由于筆者主要從事的行業是新能源汽車的電機控制器開發，所以下面簡單說明下自制開環霍爾電流傳感器在電機控制器上的應用。

控制器的主要功能其中有條就是需要控制電機的轉速和扭矩，而電機的轉速和扭矩，又是由電機的功率決定，再往下延伸，電機的功率又和電機的相電流成正比，所以控制器需要實時監測相電流，并防止電流過大導致電機燒毀，在控制器上就會用到三相電流的傳感器，目前大部分采用的方案就是霍爾開環的電流傳感器。

下圖簡單介紹了控制器的基本原理圖，其中在控制器的三相輸出母排處，就安裝了電流傳感器，當前主流供應商主要為LEM，但是迫于成本的壓力，很多下游控制器供應商都在自主開發此電流傳感器。

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重要特性

? 重要特性指標

? 電流量程范圍Ipm；

? 工作環境溫度Ta（通常-40℃~125 ℃ ）；

? 靈敏度S；

? 靈敏度誤差εS ;

? 線性度誤差εL；

? 全局誤差；

? 延遲時間;

? 磁感應強度偏移;

? 相關指標解釋

? 磁感應強度偏移：這個偏移量是有原邊側的電流影響導致，偏移量誤差可以通過試驗方法得到。

? 線性度誤差εL：與參考的最大正或負差異直線 Uout = f(IP)。單位：以IP N 的滿量程表示的線性度(%)。

? 延遲時間: 初級電流信號(IPN) 和輸出信號達到其最終值的90%之間的時間差值；

? 靈敏度：傳感器的靈敏度S 是Uout = f(IP)的直線的斜率，它必須建立如下關系式：

Uout (IP) = UC/5 (S × IP + UO)

? 溫度漂移: 工作溫度的偏移誤差為考慮25 °C時的初始偏移的溫度偏移的變化。偏移變化Iot是溫度范圍內偏移的最大變化：

IO T = IO E max ? IO E min

偏移漂移 TCI(o e av)是 Iot值除以溫度范圍。

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構造設計

? 結構設計

我們以三相電流傳感器為例，通常它的結構構造類型的話主要分為兩類：

①完全一體化設計：

以下面圖片顯示的LEM的一種三相電流傳感器示意，芯片控制PCBA板子與磁芯等結構件完全一體化，然后與控制器的主控制板通過一個5PIN的線纜連接。

②芯片控制板分離式：大體構造和①相似，就是芯片控制板PCBA與磁芯、CASE等分離，在殼體外部單獨組裝，如下圖所示：

然后與主控制板的連接可以通過線束，也可以通過對插連接器的方式。

通常，也有將此芯片的小板省略的方案，與主控制板集成，從而更進一步地降低成本。

? 結構材料與工藝

我們以下面示意圖的結構件為例說明下大致結構件的材料和制造組裝工藝：

? CASE：通常為>PBT-GF30<；

? 磁芯：通常為FeSi合金；

?磁芯與CASE的裝配工藝：有包塑成型與后組裝兩種；

? CASE與COVER的工藝：

包塑就不會存在COVER，而磁芯有PCBA后組裝到CASE里面的話，通常COVER與CASE是通過塑料超聲波焊接工藝；

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影響精度因素

? 重要因子

通過前面的計算公式：VH= Kh * I c *B = (Rh/d) * f(L/l) *Ic *B ；

我們可以大概的得出，影響電流檢測精度的幾個重要因素：

? 霍爾芯片：線性度和靈敏度等；

? 驅動方式；

? 磁感應強度；

? 電磁干擾；

? 精度誤差影響因素

? 標定誤差；

? RMSNOISE誤差；

? 線性度誤差；

? 熱漂移誤差；

? 熱靈敏度誤差；

? 熱磁感應強度誤差；

? 耐久壽命漂移；

※ 以上這些實際的誤差值，均可以通過一定的樣本數量（不少于30個樣品），進行實際試驗統計得出，其中耐久需要全溫度范圍的1000個循環進行摸底試驗。

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設計指導

我們需要繼續往下分析，從而得出在結構設計方面，有哪些因素影響到了最終的電流檢測精度。

通過上一小節的幾個重要影響因素來看，唯獨結構設計會對磁感應強度產生重要的影響。所以我們需要了解磁感應強度的影響因素：

? 磁芯的材料：磁滯及氣隙磁感應強度線性工作范圍；

? 磁芯的結構：氣隙磁感應強度線性工作范圍及邊緣磁通影響；

? 環境溫度；

? 磁芯在塑料殼體中的位置度：主要是氣隙處和磁芯的中心點位置；

下面我們主要從磁芯材料、結構設計、如何保證磁芯在塑料殼體中的位置度三個方面給出設計指導：

?磁芯材料

低頻的霍爾傳感器主要使用軟磁材料做磁芯，通常有硅鋼片、坡莫合金等。目前從應用環境以及成本等方面考慮，主要使用硅鋼片（FeSi合金）。

對于控制器的電流大小來看，硅鋼片最好選擇取向硅鋼片卷繞和沖片方式。

?磁芯結構設計

由公式 B= (NIoμo) /l2可知：

B: 磁通密度；Io: 輸入電流；uo: 空氣磁導率4π*10^-7; l2: 氣隙長度；

磁芯開口設計時，氣隙不宜太小和太大，太小會有磁芯剩磁的影響；磁路長度需遠大于開口大小；

理想情況要求磁芯截面積S和氣隙l2的關系：l2/S＜5%, 實際要求＜2%時完全可忽略邊緣磁通影響，即認為磁環截面積與氣隙有效截面積相等；磁芯截面積S也會影響磁芯最終飽和點，因為截面積S越小，磁芯越容易飽和。

磁芯內外徑設計時需要考慮內外徑之差至少在3~4mm，以便取得最優的磁聚集效果（實際經驗要求內外徑之比大于0.8）。

以上可以在初步設計完成時，通過電磁場仿真軟件驗證下設計結果是否滿足要求，主要確認磁力線分布情況及線性工作情況，軟件主要有ANSYS和MAXWELL。

如下圖就是一個磁力線分布的仿真結果示意圖：

另外我們通過仿真對比在不同輸入電流大小的情況下，比較在不同截面積S（但確定氣隙l2）下，磁芯的線性度變化率；并且同時也比較磁感應強度大小。從而最終得出最合適的磁環截面積S設計值。

?磁芯位置度

在實際應用中，我們發現：如果選擇磁芯和殼體是采用包塑方案的話，成型的過程溫度以及模具的定位方式，對于磁芯在殼體中的位置度影響很大，從而影響霍爾器件與磁芯的氣隙位置。所以在一開始設計的時候，就需要考慮最差的情況下，霍爾器件的中心與氣隙中心的偏離值，從而運用仿真軟件識別影響程度，并最終指導產品零部件設計時應該考慮的公差范圍。

另外除了定位，成型時的溫度也會影響位置度，因為硅鋼片和塑脂材料的熱變形參數是不一樣的，從而導致冷卻速度也會不一樣，也就是是成型完會存在著內應力的問題，在長時間工作條件下，不僅有開裂風險也會影響到氣隙位置的尺寸，所以通常要求包塑件，在成型完成后，加入退火處理，一般PPS材料是145℃*1h，冷卻的話最好是具備介質的均勻冷卻設備，否則又會因為冷卻不一致導致再一次的內應力發生。

如果可以，盡量將硅鋼片與殼體采用后組裝的方式，通過產品結構定位或工裝定位的方式，將硅鋼片按照有效地定位管控（主要是居中和氣隙位置）組裝到塑料殼體中，最后通過額外的塑料蓋板與殼體進行密封，蓋板和殼體之間采取超聲波焊接的方式，減少螺絲組裝和泄露風險。