有限流保护功能的霍尔电流传感器

王 勇，王 威，蒋 华

（中国网安-新欣神风电子科技有限公司，四川 成都 611731）

0 引 言

近年来，霍尔电流传感器产品因其良好的精度及线性度、检测电压与输出信号高度隔离、高可靠性、低功耗及维修更换方便等优点[1]，广泛应用于航空、航天、通信、仪表、冶金及铁路等军品、民品领域。在很多应用中，要求霍尔电流传感器具有过载保护功能，即初级电流超过额定值时，其输出电流可以限制在某一固定值，不再随初级电流的增大而增大，进而保护聚磁线圈绕组不被烧坏，同时不会将传感器供电电压拉低进而影响其他电路正常工作[2]。

本文简单介绍了闭环霍尔电流传感器的工作原理，并根据其过载应用设计了一个结构简单、成本低、体积小的电路，用于霍尔电流传感器的限流保护，即当初级电流过载时将输出电流钳位在某设定值，保护霍尔电流传感器的聚磁线圈在过载时不被烧坏[3]。

1 闭环式霍尔电流传感器

闭环式霍尔电流传感器的工作原理如图1所示。根据安培定律，原边被测电流I1×N1将产生与电流成正比的磁场B1，开口磁环气隙内的磁敏芯片直接测量B1的强弱，输出霍尔电压UH，UH经线性放大后产生一个补偿电流I2，I2再通过次级多匝绕组产生磁场，该磁场与初级被测电流产生的磁场正好相反，从而对原磁场进行补偿，磁补偿后聚磁线圈内的磁场保持平衡状态，即：

所以有：

故当N1/N2确定后，I2正比于I1。

当初级电流超过额定值甚至过载时，次级补偿电流因线性关系将同比例增加甚至过载，过大的补偿电流流经次级绕组，使得次级绕组功率损耗增大，发热严重，甚至会将绕组烧断。此外，过大的电流亦会拉低传感器供电电压，进而影响其他电路的正常工作。

目前，尚无带有限流保护功能的霍尔电流传感器。常规的限流保护电路是将检测电阻串联在输出电流回路中，将该检测电阻两端电压与基准值进行比较。当电流超过设定值时，通过比较器输出将供电电源关断。该限流保护电路相对复杂，需要基准源电路与比较器，限流电阻要消耗能量。

2 限流保护电路设计

本设计在原霍尔电流传感器电路的基础上增加一个限流电路，使其对供电电源的电流进行限制。当初级电流超过额定值或者过载时，供电电源的电流会增大，通过限制供电电源的电流，使得电流传感器的输出电流被限制在一个设定值，图2为原理图。

本文提出的电流保护电路由集成芯片和电阻组成，电路原理如图3所示。

图3中，Ucc为外部供电电压，用于给霍尔电流传感器供电，一般为+15 V。Uc1为三端可调节输出正电压稳压器，为德州仪器（TI）公司的LM317，但不仅限于此芯片。该稳压器输出电压可调，最大输出电流达1.5 A，内部有电流限制及热过载保护功能。Uccc1为经过稳压器的电压，用于给后级原霍尔电流传感器供电。R1为限制电流调节电阻，可用于调节电流限值。电流限值可以表达为：

当霍尔电流传感器的初级电流逐渐增大时，由式（2）可知，次级线圈的电流I2亦同比例线性增大。当流经限流电阻R1的电流I2增大到一定值，使得R1两端的电压超过1.25 V时，即LM317的1脚与2脚之间的电压差超过1.25 V时，LM317将调整内部开关管的工作状态，将流经的电流嵌位住，从而限制了次级绕组电流I2，保护次级绕组避免因过热而烧坏。

需要注意R1的选值与封装，应考虑其功耗。R1的最大电流为ILIMIT，最大功耗为：

应保证其最大功耗不超过其允许值，且预留余量，一般选择多个电阻并联。

3 试验验证

基于本发明设计的DC300 A转DC100 mA直流霍尔电流传感器，内部设置次级电流限制为250 mA（R1为5个20 Ω电阻并联），可以满足4倍甚至更高倍过载保护，其测试数据如表1所示。

表1 测试结果

由结果可以看出，该霍尔电流传感器在3倍及4倍过载时，限流保护功能过载正常，次级输出电流被嵌位在250 mA左右。

4 结 论

本文通过使用简单的电路结构限制供电电源的电流，进而限制传感器次级输出电流，从而保护次级绕组线圈，避免其因功耗过大而损坏，且避免供电电源因输出大电流而被拉低进而影响其他电路正常工作。