霍尔电流传感器电源消耗电流计算方案.docx

霍尔电流传感器由于具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强和 无插入损耗等诸多优点，因而被广泛应用于变频器、逆变器、电源、电焊机、变 电站、电解电镀、数控机床、微机监测系统、电网监控系统和需要隔离检测的大 电流、电压等各个领域中霍尔传感器需用到直流电源供电才可正常工作，在做 产品设计时需要考虑其功率消耗，本文基于传统的霍尔电流传感器，精确计算其 电流消耗，并利用LTspice软件进行仿真，所推导的理论计算公式可为产品设计 提供参考霍尔电流传感器工作原理从工作原理上，霍尔电流传感器可以分为霍尔开环电流传感器和霍尔闭环电 流传感器•霍尔开环电流传感器•雷尔开环电谥传感器图1霍尔开环电压传感器的工作原理霍尔传感器的磁芯使用软磁材料，原边电流产生磁场通过磁芯聚磁，在磁芯 切开一个均匀的切口，磁芯气隙处磁感应强度与原边电流成正比，霍尔元件两端 感应到的霍尔电压的大小与原边电流及流过霍尔元件电流的乘积成正比，霍尔电 压经过放大后作为传感器的输出其输出关系式满足：VOUT=K*IP*IHall其中K为固定的常数，其大小通常与磁芯的尺寸，材料性质，气隙开口的宽 度，以及处理电路的放大倍数有关•霍尔闭环电流传感器的工作原理：闭环电流传感器在开环的基础上增加了反馈线圈，霍尔元件两端感应到的霍 尔电流经过放大后控制后端的三极管电路产生补偿电流，补偿电路流过缠绕在磁 芯上的线圈，产生的磁场与原边电流产生的磁场方向相反，当磁芯气隙处的磁场 强度补偿为0时，传感器的输出满足IS=IP/KN,其中KN为补偿线圈的匝数。

图2霍尔闭环电压传感器的工作原理传感器的功耗计算•开环电流传感器的功耗计算对于开环电流传感器，因为其输出信号为电压，所以其功耗相对较为稳定 通常霍尔电流传感器的电流设计为采用正负电源供电，其额定输出电压一般为几 伏，一般不超过10伏输出端对负载的要求一般为大于10KQ，所以流过负载 的电流一般小于1个mA通常开环传感器的电流消耗小于15mA电流消耗主 要是霍尔元件消耗的电流，流入霍尔元件两端的电流通常要求小于20mA, LEM 的产品霍尔电流通常在10mA左右另外在调压支路还有几mA的电流消耗这 样开环传感器的电流消耗可以维持在十几mA的水平内，通常说明书上标的都是 不超过15mA•闭环电流传感器的功耗计算闭环传感器输出信号为电流，其功耗相对于开环传感器多很多，下面以LF205-S为例来分析闭环电流传感器的电流消耗图3为LF 205-S的原理示意图4为LF205-S原理图从图中可以看出闭环电流传感器的主要电路包括几部分：首先是霍尔元件的 驱动电路，传感器可以测量准确的前提是首先要给霍尔元件提供一个稳定的电 流，通常在10mA左右一般可通过稳压二极管和三极管来实现这一部分的电 流消耗主要集中在霍尔元件，按照通常的设计流过霍尔元件的电流控制在10mA 以内。

其次是补偿电流驱动电路，对于输出电流较小的传感器，补偿电流驱动电 路可只由运放组成而对于需要输出较大电流的传感器，补偿电流驱动电路通常 由运放和一对串联的三极管电路组成此部分消耗的电流通常很小，一般为几个 mA补偿电流产生电路，在前面补偿电流驱动电路的驱动作用下，三极管输出 补偿电流三极管补偿电流即是传感器的输出电流，其大小取决于原边被测电流 在静态即无被测电流的情况下，无补偿电流输出所以对于闭环电流传感器，其 静态电流主要是霍尔驱动电流和补偿电流驱动电路电流两部分的总和因为此时 输出电流为零，所以传感器从+VC和-VC消耗的电流相等即ICO(+VC)=ICO(-VC) 图4?闭环电流传感器静态消耗电流流向而在动态情况下，即在测量电流的情况 下，传感器输出电流不为零，ICO (+VC)和IC0 (-VC)的大小取决于被测电流的大小 和方向如果被测电流为直流，假设其方向和传感器的正方向一致此时补偿电 流完全由上半部的三极管产生，也就是说此时输出电流完全由+VC提供而-VC 的电流大小仍然为 ICO (-VC)o IC(+VC)= ICO (+VC)+ IS图5闭环电流传感器测量直流电流时消耗电流流向如果被测电流为交流，则上半部分和下半部分的三极管轮流导通来产生补偿 电流。

假设被测电流为正弦波，其电流的有效值为IP，则输出电流同样也为正弦 交流，其有效值为IS=IP/KN因为三极管轮流导通，所以补偿电流是轮流从+VC 和-VC输出的，当被测电流方向为正，即和传感器的正方向一致时补偿电流完全 由上半部的三极管产生；当被测流方向为负，即和传感器的负方向一致时补偿电流完全由下半部的三极管产生此时消耗电 流的波形为一直流叠加了半个周期的正弦波，整个电流的波形峰值为 lcpeak=lcO(+VC)+ 2 IS 则此时的电流有效值为 ICrms(+VC)= n/2 222) (020 S CI IsI VCcI ? + + + 平均值为 Cave(+VC)=ICO+ n/ 2SI同理-VC端消耗电流的有效值和平均值与+VC端的相同图6闭环电流传感器测量交流电流时消耗电流流向传感器电流消耗的LTspice仿真使用LTspice对传感器的电流消耗进行仿真，按照图4的电路分别对静态、 测量直流和测量交流电流的情况进行仿真从图7中可以看出，静态时+VC的消 耗电流为15.33mA，-VC的静态消耗电流为15.27mA，此处正负电源的消耗不完 全相等，主要是因为零点的存在，此时传感器的零点为0.06mA。

其中流过霍尔 元件的电流为8.83mA，补偿电路驱动电路消耗电流为5.24mA，从数据中可以看 出，这两部分电流加起来为14.07mA，约占整个+VC消耗电流的91.8%图7闭环电流传感器IP=0时的输出电流及消耗电流当施加200ADC原边电流后，传感器的输出为100.06mA，此时+VC端的消耗电流为116.21mA，-VC端的消耗电流为16.15mA图8闭环电流传感器测量200ADC时的输出电流及消耗电流当在原边施加有效值200Arms的正弦交流电后，传感器的输出为正弦交流, 因为上下三极管轮流导通，补偿电流按照半个周期的间隔分别叠加到+VC和-VC 的消耗电流上此时传感器输出电流的有效值为100.00mAVC端的消耗电流 波形如图所示，根据仿真的结果，VC的消耗电流有效值为81.99mA，平均电流 为60.96mA，-VC端消耗电流的有效值为81.72mA,平均值为60.90mA而根据 前面的公式，在不考虑零点的情况下计算出的+VC理论消耗电流为81.33mA，平 均值为60.34mA，-VC端的消耗电流为81.29mA，平均值为60.28mA，与仿真结 果一致图9?环电流传感器测量200A?AC时的输出电流及消耗电流对于电源消耗功率的计算，因为传感器采用直流电源供电，电压稳定不变， 所以传感器的平均功耗功率为VC*IVCave。

根据前面的推导，使用开环电流传感 器时+VC和-VC消耗电流基本相等可按照说明书上给出的IC值来选择电源功率 而使用闭环电流传感器时，因为+VC和-VC消耗电流的大小取决于被测电流方向 和幅值测量直流时如果方向不变，贝U +VC和-VC消耗电流会相差较大，具体可 按照上面的推导方法来分别计算+VC和-VC平均消耗的功率测量交流时，消耗 电流的波形为一直流叠加了半个周期的正弦波，精确的计算可按照上面推导的公 式来计算因上面的推导公式需要较多计算，简便的算法可按照I0+IS来估算总结本文在介绍霍尔电流传感器工作原理的基础上，分析了霍尔电流传感器的电 流消耗组成，并推导了传感器+VC和-VC在静态及在测试直流和交流电流时的消 耗电流，并利用LTspice软件进行了仿真模拟，仿真结果与理论推导的结果一致 主要结论有：•对于霍尔开环电流传感器，因为其输出信号为电压，所以其功耗相对较为稳定通常开环传感器的电流消耗小于15mA其中主 要电流消耗在霍尔元件的驱动电流上•对于霍尔闭环电流感器，其电流消耗主要分为静态消耗电流和动态消耗电 流：■静态消耗电流主要包括两部分：一部分是霍尔元件的驱动电路，在10mA 左右；另外一部分为补偿电流驱动电路，约为5mA左右。

■当施加原边电流进行测试时，I0(+VC)和I0(-VC)的大小取决于被测电流的大小和方向：♦在被测电流为直流，消耗电流的大小取决于被测电流的方向和幅值若其 方向和传感器的正方向一致此时补偿电流完全由上半部的三极管产生，也就是 说此时输出电流完全由+VC提供，此时+VC的消耗电流为IC(+VC)= ICO (+VC)+ IS, 而-VC的电流大小仍然为IO(-VC)当被测电流方向与传感器的负方向一致时，IS 叠加到-VC上，其大小与IC(-VC)= ICO (-VC)+ IS♦在被测电流为交流的情况下，则上半部分和下半部分的三极管轮流导通来产生补偿电流，所以补偿电流是轮流从+VC和-VC输出的， 当被测电流方向为正，即和传感器的正方向一致时补偿电流完全由上半部的三极 管产生；当被测电流方向为负方向时，即和传感器的负方向一致时补偿电流完全 由下半部的三极管产生此时消耗电流的波形为一直流叠加了半个周期的正弦 波，整个电流的波形峰值为lcpeak=lcO (+VC)+，则此时的电流有效值为VC的 消耗与+VC—样，可按照上面的两个公式来计算设计单位：广州莱安智能化系统开发有限公司网站：htrp:tfwww.lain. com .on建址：广州市天河区中山大道建中路5号天河软件园海天楼3A06用户服务中心：Tel： 020-8557461S 85574628 85574638联系人：周先生：13922289957开环式霍尔传感器的工作过程：原边电流(Ip)通过一根导线时，在导线四周将会产生一个磁场，这一磁场的 大小与流过导线的电流成正比，它能通过磁芯聚集感应到霍尔器件上并使其有一 信号输出。

这一信号经信号放大器放大后直接输出，霍尔器件输出的信号准确反 映了原边电流的输出情况优点：封装尺寸小，测量范围广，重量轻，低电源损耗，无插损闭环霍尔电流传感器的工作过程：当原边电流IP产生的磁通通过磁芯集中在磁路中，霍尔器件固定在气隙中 检测磁通，通过绕在磁芯上的多匝线圈输出反向的补偿电流，用于抵消原边电流 (IP)产生的磁通，使得磁路中磁通始终保持为零霍尔器件和辅助电路产生的副 边补偿电流准确反映了原边电流的大小经过特殊电路的处理，传感器的输出端 能够输出精确反映原边电流的电流变化。