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霍爾電流傳感器芯片：超越傳統(tǒng)的新選擇时间：2024-10-17 作者：芯宇微電子【原创】 測(cè)量范圍有限老式霍爾電流傳感器的測(cè)量范圍受到一定的限制。由于其工作原理需要電流通過(guò)磁場(chǎng)，對(duì)于過(guò)小或過(guò)大的電流，測(cè)量結(jié)果容易失真。例如，當(dāng)電流過(guò)小時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱，可能無(wú)法被傳感器準(zhǔn)確檢測(cè)到；而當(dāng)電流過(guò)大時(shí)，可能超出傳感器的量程范圍，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確。 測(cè)量精度不高外部磁場(chǎng)、溫度和電源電壓等因素都會(huì)影響老式霍爾電流傳感器的測(cè)量精度。在實(shí)際應(yīng)用中，需要對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，否則測(cè)量結(jié)果會(huì)不準(zhǔn)確。例如，溫度變化會(huì)使霍爾元件的輸入輸出電阻和靈敏度發(fā)生變化，從而影響測(cè)量精度。一般來(lái)說(shuō)，溫度每變化 1℃，老式霍爾電流傳感器的測(cè)量誤差可能會(huì)達(dá)到幾個(gè)百分點(diǎn)。 響應(yīng)時(shí)間較慢老式霍爾電流傳感器需要對(duì)電流通過(guò)磁場(chǎng)的變化進(jìn)行感應(yīng)，因此響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。對(duì)于快速變化的電流信號(hào)，難以及時(shí)反應(yīng)，影響了應(yīng)用效果。例如，在一些需要快速響應(yīng)的電子設(shè)備中，老式霍爾電流傳感器可能無(wú)法滿足要求。響應(yīng)時(shí)間通常在幾十微秒甚至更長(zhǎng)，而現(xiàn)代電子設(shè)備對(duì)響應(yīng)速度的要求越來(lái)越高。 使用壽命較短由于需要通過(guò)磁場(chǎng)感應(yīng)電流，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，磁場(chǎng)對(duì)傳感器的損耗會(huì)逐漸積累，導(dǎo)致傳感器的靈敏度降低，最終影響到測(cè)量精度。一般來(lái)說(shuō)，老式霍爾電流傳感器的使用壽命可能在幾年到十幾年不等，具體取決于使用環(huán)境和使用頻率。 靈敏度不高老式霍爾電流傳感器的靈敏度相對(duì)較低，輸出信號(hào)較弱。這就需要后續(xù)的放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。例如，一些老式霍爾電流傳感器的靈敏度可能只有幾毫伏 / 安培，而新型傳感器的靈敏度可以達(dá)到幾十毫伏 / 安培甚至更高。 易受磁場(chǎng)干擾周圍的磁場(chǎng)，不論是變化的、恒定的，還是被測(cè)電流產(chǎn)生的、環(huán)境產(chǎn)生的，都會(huì)影響老式霍爾電流傳感器的測(cè)量結(jié)果。例如，在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下，老式霍爾電流傳感器的測(cè)量誤差可能會(huì)顯著增大，甚至無(wú)法正常工作。 存在溫度漂移霍爾傳感器的材料一般是半導(dǎo)體，隨溫度變化較為明顯，尤其是輸入輸出電阻和靈敏度隨溫度變化而變化，導(dǎo)致對(duì)測(cè)量的精度有著很大的影響。例如，溫度每變化 10℃，老式霍爾電流傳感器的測(cè)量誤差可能會(huì)增加幾個(gè)百分點(diǎn)。 功耗較高在一些應(yīng)用場(chǎng)景中，老式霍爾電流傳感器的功耗較高，可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)的整體功耗產(chǎn)生較大影響。例如，在一些便攜式電子設(shè)備中，功耗是一個(gè)重要的考慮因素，老式霍爾電流傳感器可能無(wú)法滿足低功耗的要求。 二、霍爾電流傳感器芯片的優(yōu)勢(shì)突顯（一）測(cè)量范圍廣霍爾電流傳感器芯片具備極為廣泛的測(cè)量范圍，可對(duì)包括直流、交流、脈沖以及三角波形等在內(nèi)的多種電流波形進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，甚至能真實(shí)地反映峰值瞬態(tài)電流、電壓信號(hào)。例如，芯森電子的電流傳感器測(cè)量范圍從 5mA 到 5000A，電壓傳感器從 10V 到 6400V，廣泛應(yīng)用于光伏、風(fēng)能、儲(chǔ)能、新能源汽車、充電樁和工控設(shè)備等領(lǐng)域。這使得它在面對(duì)復(fù)雜的電流信號(hào)時(shí)，都能準(zhǔn)確地獲取測(cè)量數(shù)據(jù)，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景下對(duì)于不同類型電流測(cè)量的需求。 （二）快速響應(yīng)霍爾電流傳感器芯片能夠快速地響應(yīng)電流的變化。這對(duì)于需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電流變化的場(chǎng)景，如電力系統(tǒng)的故障監(jiān)測(cè)、工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中的電流監(jiān)控等，具有重要意義。可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)電流的異常波動(dòng)，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。響應(yīng)時(shí)間可小于 1us，而普通互感器的響應(yīng)時(shí)間為 10～20ms。 （三）測(cè)量精度高相比傳統(tǒng)的電流測(cè)量方式，霍爾電流傳感器芯片的測(cè)量精度更高，通常可以達(dá)到較高的百分比精度。能夠提供更準(zhǔn)確的電流測(cè)量數(shù)據(jù)，為設(shè)備的精確控制和性能評(píng)估提供可靠的依據(jù)。例如，意瑞半導(dǎo)體的電流傳感器產(chǎn)品 CH701 在全溫度范圍內(nèi)線性度誤差可以做到 ±2%（實(shí)測(cè) 1%），相對(duì)于 ACS712 的 ±4%，在測(cè)量誤差方面有了極大的提升。 （四）良好線性度輸出信號(hào)與被測(cè)電流呈現(xiàn)出優(yōu)良的線性關(guān)系，使測(cè)量所得結(jié)果更為準(zhǔn)確且可靠。并且便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析。無(wú)論是在小電流還是大電流的測(cè)量中，都能保持穩(wěn)定的線性輸出。 （五）工作頻帶寬可以在較寬的頻率范圍內(nèi)工作，從低頻到高頻都能保持良好的測(cè)量性能。不僅適用于常規(guī)的工頻電流測(cè)量，還能滿足高頻電流信號(hào)的測(cè)量需求。 （六）可靠性高具備較高的可靠性與穩(wěn)定性，可在惡劣的環(huán)境條件下持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作。無(wú)論是在高溫、低溫、潮濕等惡劣環(huán)境，還是在存在電磁干擾等復(fù)雜的工作條件下，都能保持穩(wěn)定的性能，減少因傳感器故障導(dǎo)致的系統(tǒng)停機(jī)和維護(hù)成本。例如，霍爾芯片具有很好的穩(wěn)定性，即使在惡劣的環(huán)境條件下，也能保持較高的測(cè)量精度。 （七）體積小重量輕便于安裝和使用。這對(duì)于空間有限的應(yīng)用場(chǎng)景，如小型電子設(shè)備、智能家電等，具有很大的優(yōu)勢(shì)，可以在不占用過(guò)多空間的情況下實(shí)現(xiàn)電流的測(cè)量。 （八）電氣隔離性好霍爾電流傳感器芯片基于霍爾效應(yīng)工作，實(shí)現(xiàn)了原邊電路和副邊電路的電氣隔離。這可以有效地防止高電壓對(duì)測(cè)量電路的干擾和損壞，保障了測(cè)量人員和設(shè)備的安全。例如，隔離電壓最高可達(dá) 9600Vrms，使得霍爾傳感器在高壓、高電流等惡劣環(huán)境下也能正常工作。 三、芯片與老式器件對(duì)比的卓越表現(xiàn)成本方面老式霍爾電流傳感器器件由于結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，可能需要多個(gè)分立元件組成，成本較高。而霍爾電流傳感器芯片通過(guò)先進(jìn)的集成電路技術(shù)，將多個(gè)功能集成在一個(gè)芯片上，降低了生產(chǎn)成本。雖然霍爾芯片的初始采購(gòu)成本可能相對(duì)較高，但從系統(tǒng)整體成本考慮，其減少了外部元件的使用和安裝成本，在長(zhǎng)期使用中具有成本優(yōu)勢(shì)。例如，納芯微推出貼片式的霍爾電流方案，單芯片集成方案實(shí)現(xiàn)了更優(yōu)的成本效益，且減少了約 50% 的占板面積。 尺寸方面老式霍爾電流傳感器器件通常體積較大，在一些空間有限的應(yīng)用場(chǎng)景中受到限制。霍爾電流傳感器芯片則具有體積小的優(yōu)勢(shì)，能夠滿足現(xiàn)代電子設(shè)備小型化、集成化的需求。例如，TRM 傳感器功耗低、體積小，可以制成各種高靈敏度的磁傳感器，適用于對(duì)空間要求嚴(yán)格的場(chǎng)合。 安裝復(fù)雜性方面老式霍爾電流傳感器器件的安裝過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，需要特定的安裝設(shè)備和技術(shù)，這可能會(huì)增加使用成本和維護(hù)難度。而霍爾電流傳感器芯片通常采用貼片式安裝，操作簡(jiǎn)單方便，降低了安裝難度和成本。例如，英飛凌高集成度霍爾傳感器減少了系統(tǒng)成本，配備在前代產(chǎn)品的 2 到 4 個(gè)無(wú)源元件現(xiàn)在則是冗余部件，從而減少了所占的 PCB 板面空間。 環(huán)境適應(yīng)性方面老式霍爾電流傳感器器件對(duì)環(huán)境因素較為敏感，如溫度變化、磁場(chǎng)干擾等，可能會(huì)影響其測(cè)量精度和穩(wěn)定性。霍爾電流傳感器芯片則通過(guò)優(yōu)化材料選擇、設(shè)計(jì)先進(jìn)的溫度補(bǔ)償電路和采用高性能封裝技術(shù)等措施，提高了環(huán)境適應(yīng)性。例如，霍爾芯片具有很好的穩(wěn)定性，即使在惡劣的環(huán)境條件下，也能保持較高的測(cè)量精度。芯片通常具有優(yōu)良的溫度穩(wěn)定性，能夠在較寬的工作溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的測(cè)量性能，如 -40°C 到 150°C 甚至更寬的溫度范圍。同時(shí)，芯片對(duì)磁場(chǎng)和電磁干擾具有較強(qiáng)的抵抗力，能夠在復(fù)雜的電磁環(huán)境中正常工作。 綜上所述，霍爾電流傳感器芯片在成本、尺寸、安裝復(fù)雜性、環(huán)境適應(yīng)性等方面相比老式霍爾電流傳感器器件具有顯著優(yōu)勢(shì)，為電流測(cè)量領(lǐng)域帶來(lái)了更高效、更可靠的解決方案。 四、新型霍爾電流傳感器芯片特點(diǎn)鮮明集成屏蔽抑制輸出噪聲新型霍爾電流傳感器芯片集成屏蔽，實(shí)際上消除了從電流導(dǎo)體到芯片的電容耦合，極大地抑制了由于高 dv/dt 瞬態(tài)而產(chǎn)生的輸出噪聲。例如國(guó)芯思辰的霍爾電流傳感器 AH91X，其芯片集成屏蔽功能，有效降低了輸出噪聲，為設(shè)備提供更準(zhǔn)確的電流檢測(cè)信號(hào)。在一些對(duì)噪聲敏感的應(yīng)用場(chǎng)景，如高精度電子設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備等，這一特點(diǎn)尤為重要。 行業(yè)領(lǐng)先的噪聲性能提高帶寬和響應(yīng)速度新型霍爾電流傳感器芯片具有行業(yè)領(lǐng)先的噪聲性能，通過(guò)專有的放大器和濾波器設(shè)計(jì)技術(shù)大大提高了帶寬，在控制應(yīng)用中響應(yīng)時(shí)間更快。例如意瑞半導(dǎo)體的電流傳感器產(chǎn)品 CH701，擁有更高的帶寬以及更快的響應(yīng)速度，響應(yīng)時(shí)間僅為 3us，滿足電機(jī)系統(tǒng)過(guò)流時(shí)快速保護(hù)的需求。在電機(jī)控制、變頻器等需要快速響應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域，這種高性能的噪聲處理和快速響應(yīng)能力能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。 穩(wěn)定度高新型霍爾電流傳感器芯片在工作范圍內(nèi)具有高穩(wěn)定度。例如 AH91X 工作范圍內(nèi)穩(wěn)定度為 1.6%@25℃～125℃，2.5%@-40℃～25℃；CH701 在全溫度范圍內(nèi)線性度誤差可以做到 ±2%（實(shí)測(cè) 1%）。高穩(wěn)定度意味著在不同的工作溫度和環(huán)境條件下，芯片能夠保持較為穩(wěn)定的測(cè)量性能，減少因溫度變化等因素引起的測(cè)量誤差，為設(shè)備的精確控制和性能評(píng)估提供可靠的依據(jù)。 抗干擾能力強(qiáng)新型霍爾電流傳感器芯片抗干擾能力強(qiáng)，抗機(jī)械應(yīng)力強(qiáng)，磁場(chǎng)參數(shù)不受外界壓力而偏移。例如 AH91X 靜態(tài)共模輸出點(diǎn)為 2.5V 或者 50% VCC，抗干擾能力強(qiáng)。在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，如工業(yè)自動(dòng)化、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域，強(qiáng)大的抗干擾能力能夠確保傳感器正常工作，不受外界干擾因素的影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。 新型霍爾電流傳感器芯片的這些特點(diǎn)使其適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，如電機(jī)控制、負(fù)荷檢測(cè)與管理、開關(guān)電源、過(guò)電流故障保護(hù)、新能源汽車、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域中，新型霍爾電流傳感器芯片能夠?yàn)樵O(shè)備提供準(zhǔn)確、可靠的電流檢測(cè)信號(hào)，保障設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。 五、展望未來(lái)隨著科技的不斷進(jìn)步，霍爾電流傳感器芯片在未來(lái)的應(yīng)用前景十分廣闊。在新能源領(lǐng)域，如風(fēng)能發(fā)電和光伏發(fā)電中，霍爾電流傳感器芯片能夠精準(zhǔn)地測(cè)量電流，為能源的高效轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球風(fēng)能約為 2.74109GW，其中可用風(fēng)能為 2107GW，而霍爾電流傳感器芯片在風(fēng)能發(fā)電中的電流檢測(cè)起著至關(guān)重要的作用。 在智能電網(wǎng)領(lǐng)域，霍爾電流傳感器芯片可以快速響應(yīng)電流變化，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和調(diào)控，確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，對(duì)電流傳感器的精度和響應(yīng)速度要求越來(lái)越高，霍爾電流傳感器芯片正好滿足這些需求。 在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，霍爾電流傳感器芯片能夠提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低能源消耗和環(huán)境污染。例如，在電機(jī)控制中，霍爾電流傳感器芯片可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)的電流，實(shí)現(xiàn)精確控制，提高電機(jī)的效率和可靠性。 在汽車電子領(lǐng)域，霍爾電流傳感器芯片可以用于電機(jī)控制、電池管理、車載充電器等方面，為電動(dòng)汽車的發(fā)展提供支持。隨著電動(dòng)汽車市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，對(duì)霍爾電流傳感器芯片的需求也將不斷增加。 此外，隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展，霍爾電流傳感器芯片將與這些技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化、云端化等發(fā)展方向。例如，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，霍爾電流傳感器芯片可以將測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆贫耍瑢?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制。 總之，霍爾電流傳感器芯片憑借其廣泛的測(cè)量范圍、快速響應(yīng)、高測(cè)量精度、良好的線性度、高可靠性、小體積、輕重量、良好的電氣隔離性等優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)的電子設(shè)備發(fā)展中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，持續(xù)推動(dòng)各領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新。 |
