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霍爾電流傳感器在電信整流器和服務(wù)器電源中的應(yīng)用

本文作者：德州儀器點擊： 2020-05-13 09:35

前言：

電信整流器和服務(wù)器電源單元（PSU）中的功率因數(shù)校正（PFC）電路和逆變電路都需要將高壓側(cè)的電流信號檢測到位于低壓側(cè)的控制器，因此要用到隔離式電流傳感器。隔離式電流檢測有多種實現(xiàn)方式，例如電流互感器（CT）、隔離放大器和霍爾效應(yīng)電流傳感器。其中，霍爾效應(yīng)電流傳感器因其簡便易用、準(zhǔn)確、體積小且具有直流檢測能力，成為比較理想的選擇。

電流互感器是基于變壓器的原理對電流進行采樣，使用CT可以檢測MOSFET或者IGBT的開通電流。CT的快速響應(yīng)速度使其非常適合于用做峰值電流控制和過流保護控制。但是基于變壓器耦合原理的CT無法感測直流或非常低頻的電流，從而導(dǎo)致其不能直接檢測工頻AC電流，或因為只檢測開通電流的間接方法而損失測量精度（沒有關(guān)斷電流）。另外，由于CT需要使用鐵氧體磁芯，體積很難做小，而體積較大的CT又會增大電源開關(guān)環(huán)路，產(chǎn)生更高的電壓尖峰和噪聲干擾。

而霍爾效應(yīng)電流傳感器則是一種精度更高、體積更小的選擇，它可以在直流條件下工作，而且能夠以良好的線性度和精度測量包含了開通和關(guān)斷的AC總電流。同時，霍爾效應(yīng)電流傳感器的體積可以做到SOIC-8的封裝，同一顆集成IC一樣大小，使PCB的布局更加容易，有助于實現(xiàn)更高的功率密度。

表1對霍爾效應(yīng)電流傳感器與電流互感器進行了比較。

	霍爾效應(yīng)電流傳感器	電流互感器
原理	霍爾效應(yīng)（磁場測量）	變壓器（磁通耦合）
測量能力	直流和交流	僅交流
尺寸	最?。?/span>SOIC-8（5 mm x 6 mm x 1.8 mm）	最?。?/span>EE5（7.7 mm x 6.9 mm x 5.4 mm）
精度	高 – 可達1%	低 – 取決于許多因素
應(yīng)用	DC/AC電流檢測，PFC電流控制，逆變器電流控制	峰值電流控制，過流保護

表1：霍爾效應(yīng)電流傳感器與電流互感器的比較

在將霍爾效應(yīng)電流傳感器應(yīng)用于電信電源或服務(wù)器PSU時，需要評估電流的檢測范圍、連續(xù)電流耐受能力、響應(yīng)速度（/帶寬）和電壓隔離等級。在某些情況下，電信電源或服務(wù)器電源可能還需要向上位機匯報當(dāng)前的運行功率，此時高精度的霍爾電流傳感器（如TI的TMCS1100）可幫助系統(tǒng)實現(xiàn)≥1％的電流檢測精度。

圖1展示了，在分別使用3.3 V和5 V供電情況下，霍爾效應(yīng)電流傳感器的典型應(yīng)用電路。與使用3.3 V電源供電相比，使用5 V供電可用拓寬霍爾傳感器的電流檢測范圍。以TMCS1100A1為例，霍爾傳感器的靈敏度為50 mV/A：如果使用3.3V電源，則電流檢測范圍為-33 A?+ 33 A（雙向）；而使用5.0V電源時，電流檢測范圍可以擴展到-50 A?+ 50A。另外，在設(shè)計中應(yīng)當(dāng)注意，除了電流檢測范圍之外，還需要考慮傳感器的連續(xù)電流耐受能力，當(dāng)電流耐受力不足時，可以通過改善傳感器的散熱來優(yōu)化。

(a)
http://www.ti.com/content/dam/tinews/images/blogs/category/industrial/wwe/block-diagram/3.3v-powering-the-hall-effect-current-sensor.jpg

(b)
http://www.ti.com/content/dam/tinews/images/blogs/category/industrial/wwe/block-diagram/5v-powering-the-hall-effect-current-sensor.jpg

圖1：霍爾效應(yīng)電流傳感器的常見應(yīng)用：采用3.3 V電源的霍爾效應(yīng)電流傳感器（a）；采用5 V電源的霍爾效應(yīng)電流傳感器（b）

在使用霍爾效應(yīng)電流傳感器的電路板布局中，要注意以下因素：
? 散熱：盡量增大一次側(cè)電流導(dǎo)線的覆銅面積，可以提高霍爾電流傳感器的散熱能力，從而增加傳感器的最大平均電流耐受能力。另外，還可以使用更厚銅箔的PCB，或者在初級走線上放置一些散熱過孔，或者把霍爾電流傳感器和PCB走線放置在風(fēng)道內(nèi)，都可以改善霍爾電流傳感器的平均電流耐受能力。

? 一次側(cè)電流磁場：布局時，應(yīng)盡量避免大電流的走線靠近霍爾電流傳感器。

? 隔離要求：從系統(tǒng)整體考慮爬電距離和電氣間隙，當(dāng)霍爾電流傳感器無法滿足所需的PCB爬電距離時，可以在電路板上挖槽以達到系統(tǒng)級的隔離要求。

總結(jié)，在電信整流器和服務(wù)器PSU中，CT更適合于峰值電流控制和過流保護，但它體積較大且精度不高?；魻栃?yīng)電流傳感器體積小，精度高，使用簡單方便，并且更適合檢測交流線路電流。希望本文介紹的關(guān)于霍爾電流傳感器的一些用法對大家有所幫助。

其他資源
? 下載TMCS1100 數(shù)據(jù)表。
? 請參閱以下應(yīng)用指南：
o “利用非比例式磁性電流傳感器實現(xiàn)精密電流檢測設(shè)計”。
o “理解和應(yīng)用霍爾效應(yīng)傳感器數(shù)據(jù)表”。
o 請參閱TMCS1100EVM用戶指南。

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