关于闭环霍尔电源供电解析

一、霍尔传感器的原理：

霍尔电流传感器是根据霍尔原理制成的。它有两种工作方式, 即磁平衡式和直测式。霍尔电流传感器一般由原边电路、聚磁环、霍尔器件、次级线圈和放大电路等组成。图1所示为霍尔电流传感器的工作原理，本文的研究对象为LT308-S7霍尔电流传感器，采用的磁平衡式。主回路被测电流Ip在聚磁环处所产生的磁场通过一个次级线圈电流所产生的磁场进行补偿, 从而使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态。根据安培定律, 流过导体的电流I会在该导体周围产生一个磁场。这个磁场可以用一个高导磁率的磁路来测量。绕在磁路的N匝绕卷, 如果通以1 /N的反向电流, 就可以消除原边电流I所产生的磁场。通过沿磁路安装的磁通探测器 (霍尔传感器) 检测铁心间隙中的磁通。如果磁通不为零, 霍尔传感器就会有 (原、副边磁通不平衡的偏差) 电压信号输出。该信号经高增益放大器放大后, 再调节二次电流以抵消原、副边安匝数不平衡所产生的偏差, 在铁芯中, 始终保持二次电流所产生的磁通能够抵消原边电流I所产生的磁通。磁平衡式霍尔检零电流传感器的主要特点是磁路铁心不会饱和。

图1

二、供电功率分析：

供电功率分为两个部分，其中一部分为霍尔传感器的驱动器件、激磁、运放、三极管等的供电损耗，这部分损耗本文简称为待机损耗。另外一部分为三极管上的线性导通损耗，从图1中可以明显看出，输出级为推挽电路，该电路工作在线性状态，因此经过电流后在上管或者下管存在电压降，最终是保证的一个恒流源，该部分损耗在本文简称检测损耗。

1、待机损耗

该部分损耗主要依据规格书中给定，如图2和电压相关，以及不同霍尔类型相关。

图2

2、检测损耗：

根据原理分析可以发现，当霍尔检测直流且为正时，输出电流I0的电流路径为：电源+→上管→补偿线圈→Is→检测电流到地。当霍尔检测直流且为负时，输出电流I0的电流路径为：电源-→下管→补偿线圈→Is→检测电流到地。当检测为交流时，同时可以分析电流走向是分别由不同电源供电形成的。假设检测的是一个交流正弦波形，那么电源正的电流如下图波形，电源负波形可以以此类推。

图3

三、供电功率理论计算

1、单只互感器工作检测单相电流时

工作功耗包含测量的线性损耗与待机损耗，其中关于线性损耗输出电流Is是经过推挽电路输出的，当电流为正时，输出通过上三极管输出，当电流为负时，输出通过下三极管输出，关于具体计算的推导如下：

假定检测的正弦电流如下：

那么计算得其功率为：

2、三只互感器同时工作检测三相电流时仿真

由于涉及交流电流的相互叠加耦合，先进行仿真验算：

图4

当三相平衡时，三个互感器同时检测电流时，可以发现电源正的总供电电流波形如下，计算有效值为I+RMS=0.31A，Imax<0.317A≈0.32A。

3、三只互感器同时工作检测三相电流时理论计算；

针对多只互感器同时使用推导如下：

同理IS如上所求；

但是正电源的计算稍微复杂，需要划分成六个区域分别求解如下所示

考虑静态的待机电流 那么正电源部分的电流输出为：

由于对称性可知，六个区间的求取的数值一致，因此只针对第一个区间进行求解：

四、单路供电的实际测试

1、正电源部分

图5 待机电流大小为18.5mA

图6 200A对应的电流有效值为80mA

图7 280A对应的电流有效值为109mA

2、负电源部分

图8 待机电流大小为18mA

图9 200A对应的电流有效值为84mA

图10 280A对应的电流有效值为113mA

五、数据对比：

图11 数据对比

六、结论：

实际测试与理论计算的偏差为1.5%与1.89%，以上数据充分说明理论分析准确无误，最终选择20W的电源模块足够满足设计要求。

七、扩展分析：

1、该互感器的低温工作温度仅为-10摄氏度，再进行低温时务必保证使其环境温度升到合理范围内才满载过载测试。

参考文献：《LEM公司磁平衡式霍尔检零电流传感器的工作原理和应用》