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? 霍爾效應(yīng)
當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過(guò)半導(dǎo)體時(shí)，載流子會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，垂直于電流和磁場(chǎng)的方向會(huì)產(chǎn)生一附加電場(chǎng)，從而在半導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢(shì)差，這一現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，這個(gè)電勢(shì)差也被稱為霍爾電勢(shì)差。下圖所示為簡(jiǎn)單的原理。
通過(guò)公式表達(dá)為：VH= Kh * Ic *B = (Rh/d) * f(L/l) *Ic *B
(Kh: 霍爾材料靈敏度系數(shù)；Rh: 霍爾系數(shù)，Rh=u*ρ , u為材料載流子遷移率， ρ為材料電阻率。L、I、d為霍爾元件的長(zhǎng)寬高；f(L/l) 為由霍爾元件長(zhǎng)寬比決定的修正系數(shù)；Ic為霍爾元件驅(qū)動(dòng)電流；B為垂直于霍爾元件表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度。
? 開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器
通常由導(dǎo)體、霍爾芯片、磁芯及放大電路組成。導(dǎo)體通過(guò)磁芯的中心位置以集中磁場(chǎng)，磁芯存在開(kāi)口氣隙，霍爾元件則被放置在磁芯的間隙中，磁芯將磁力線集聚至氣隙處，通過(guò)霍爾效應(yīng)可知，霍爾元件將輸出與氣隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比例關(guān)系的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大電路將信號(hào)放大輸出，如下圖所示：
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應(yīng)用案例
? 開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器
由于筆者主要從事的行業(yè)是新能源汽車(chē)的電機(jī)控制器開(kāi)發(fā)，所以下面簡(jiǎn)單說(shuō)明下自制開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器在電機(jī)控制器上的應(yīng)用。
控制器的主要功能其中有條就是需要控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩，又是由電機(jī)的功率決定，再往下延伸，電機(jī)的功率又和電機(jī)的相電流成正比，所以控制器需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相電流，并防止電流過(guò)大導(dǎo)致電機(jī)燒毀，在控制器上就會(huì)用到三相電流的傳感器，目前大部分采用的方案就是霍爾開(kāi)環(huán)的電流傳感器。
下圖簡(jiǎn)單介紹了控制器的基本原理圖，其中在控制器的三相輸出母排處，就安裝了電流傳感器，當(dāng)前主流供應(yīng)商主要為L(zhǎng)EM，但是迫于成本的壓力，很多下游控制器供應(yīng)商都在自主開(kāi)發(fā)此電流傳感器。
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重要特性
? 重要特性指標(biāo)
? 電流量程范圍Ipm；
? 工作環(huán)境溫度Ta（通常-40℃~125 ℃ ）；
? 靈敏度S；
? 靈敏度誤差εS ;
? 線性度誤差εL；
? 全局誤差；
? 延遲時(shí)間;
? 磁感應(yīng)強(qiáng)度偏移;
? 相關(guān)指標(biāo)解釋
? 磁感應(yīng)強(qiáng)度偏移：這個(gè)偏移量是有原邊側(cè)的電流影響導(dǎo)致，偏移量誤差可以通過(guò)試驗(yàn)方法得到。
? 線性度誤差εL：與參考的最大正或負(fù)差異直線 Uout = f(IP)。單位：以IP N 的滿量程表示的線性度(%)。
? 延遲時(shí)間: 初級(jí)電流信號(hào)(IPN) 和輸出信號(hào)達(dá)到其最終值的90%之間的時(shí)間差值；
? 靈敏度：傳感器的靈敏度S 是Uout = f(IP)的直線的斜率，它必須建立如下關(guān)系式：
Uout (IP) = UC/5 (S × IP + UO)
? 溫度漂移: 工作溫度的偏移誤差為考慮25 °C時(shí)的初始偏移的溫度偏移的變化。偏移變化Iot是溫度范圍內(nèi)偏移的最大變化：
IO T = IO E max ? IO E min
偏移漂移 TCI(o e av)是 Iot值除以溫度范圍。
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構(gòu)造設(shè)計(jì)
? 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
我們以三相電流傳感器為例，通常它的結(jié)構(gòu)構(gòu)造類(lèi)型的話主要分為兩類(lèi)：
①完全一體化設(shè)計(jì)：
以下面圖片顯示的LEM的一種三相電流傳感器示意，芯片控制PCBA板子與磁芯等結(jié)構(gòu)件完全一體化，然后與控制器的主控制板通過(guò)一個(gè)5PIN的線纜連接。
②芯片控制板分離式：大體構(gòu)造和①相似，就是芯片控制板PCBA與磁芯、CASE等分離，在殼體外部單獨(dú)組裝，如下圖所示：
然后與主控制板的連接可以通過(guò)線束，也可以通過(guò)對(duì)插連接器的方式。
通常，也有將此芯片的小板省略的方案，與主控制板集成，從而更進(jìn)一步地降低成本。
? 結(jié)構(gòu)材料與工藝
我們以下面示意圖的結(jié)構(gòu)件為例說(shuō)明下大致結(jié)構(gòu)件的材料和制造組裝工藝：
? CASE：通常為>PBT-GF30<；
? 磁芯：通常為FeSi合金；
?磁芯與CASE的裝配工藝：有包塑成型與后組裝兩種；
? CASE與COVER的工藝：
包塑就不會(huì)存在COVER，而磁芯有PCBA后組裝到CASE里面的話，通常COVER與CASE是通過(guò)塑料超聲波焊接工藝；
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影響精度因素
? 重要因子
通過(guò)前面的計(jì)算公式：VH= Kh * I c *B = (Rh/d) * f(L/l) *Ic *B ；
我們可以大概的得出，影響電流檢測(cè)精度的幾個(gè)重要因素：
? 霍爾芯片：線性度和靈敏度等；
? 驅(qū)動(dòng)方式；
? 磁感應(yīng)強(qiáng)度；
? 電磁干擾；
? 精度誤差影響因素
? 標(biāo)定誤差；
? RMSNOISE誤差；
? 線性度誤差；
? 熱漂移誤差；
? 熱靈敏度誤差；
? 熱磁感應(yīng)強(qiáng)度誤差；
? 耐久壽命漂移；
※ 以上這些實(shí)際的誤差值，均可以通過(guò)一定的樣本數(shù)量（不少于30個(gè)樣品），進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得出，其中耐久需要全溫度范圍的1000個(gè)循環(huán)進(jìn)行摸底試驗(yàn)。
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設(shè)計(jì)指導(dǎo)
我們需要繼續(xù)往下分析，從而得出在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，有哪些因素影響到了最終的電流檢測(cè)精度。
通過(guò)上一小節(jié)的幾個(gè)重要影響因素來(lái)看，唯獨(dú)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度產(chǎn)生重要的影響。所以我們需要了解磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響因素：
? 磁芯的材料：磁滯及氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度線性工作范圍；
? 磁芯的結(jié)構(gòu)：氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度線性工作范圍及邊緣磁通影響；
? 環(huán)境溫度；
? 磁芯在塑料殼體中的位置度：主要是氣隙處和磁芯的中心點(diǎn)位置；
下面我們主要從磁芯材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、如何保證磁芯在塑料殼體中的位置度三個(gè)方面給出設(shè)計(jì)指導(dǎo)：
?磁芯材料
低頻的霍爾傳感器主要使用軟磁材料做磁芯，通常有硅鋼片、坡莫合金等。目前從應(yīng)用環(huán)境以及成本等方面考慮，主要使用硅鋼片（FeSi合金）。
對(duì)于控制器的電流大小來(lái)看，硅鋼片最好選擇取向硅鋼片卷繞和沖片方式。
?磁芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由公式 B= (NIoμo) /l2可知：
B: 磁通密度；Io: 輸入電流；uo: 空氣磁導(dǎo)率4π*10^-7; l2: 氣隙長(zhǎng)度；
磁芯開(kāi)口設(shè)計(jì)時(shí)，氣隙不宜太小和太大，太小會(huì)有磁芯剩磁的影響；磁路長(zhǎng)度需遠(yuǎn)大于開(kāi)口大小；
理想情況要求磁芯截面積S和氣隙l2的關(guān)系：l2/S＜5%, 實(shí)際要求＜2%時(shí)完全可忽略邊緣磁通影響，即認(rèn)為磁環(huán)截面積與氣隙有效截面積相等；磁芯截面積S也會(huì)影響磁芯最終飽和點(diǎn)，因?yàn)榻孛娣eS越小，磁芯越容易飽和。
磁芯內(nèi)外徑設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮內(nèi)外徑之差至少在3~4mm，以便取得最優(yōu)的磁聚集效果（實(shí)際經(jīng)驗(yàn)要求內(nèi)外徑之比大于0.8）。
以上可以在初步設(shè)計(jì)完成時(shí)，通過(guò)電磁場(chǎng)仿真軟件驗(yàn)證下設(shè)計(jì)結(jié)果是否滿足要求，主要確認(rèn)磁力線分布情況及線性工作情況，軟件主要有ANSYS和MAXWELL。
如下圖就是一個(gè)磁力線分布的仿真結(jié)果示意圖：
另外我們通過(guò)仿真對(duì)比在不同輸入電流大小的情況下，比較在不同截面積S（但確定氣隙l2）下，磁芯的線性度變化率；并且同時(shí)也比較磁感應(yīng)強(qiáng)度大小。從而最終得出最合適的磁環(huán)截面積S設(shè)計(jì)值。
?磁芯位置度
在實(shí)際應(yīng)用中，我們發(fā)現(xiàn)：如果選擇磁芯和殼體是采用包塑方案的話，成型的過(guò)程溫度以及模具的定位方式，對(duì)于磁芯在殼體中的位置度影響很大，從而影響霍爾器件與磁芯的氣隙位置。所以在一開(kāi)始設(shè)計(jì)的時(shí)候，就需要考慮最差的情況下，霍爾器件的中心與氣隙中心的偏離值，從而運(yùn)用仿真軟件識(shí)別影響程度，并最終指導(dǎo)產(chǎn)品零部件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮的公差范圍。
另外除了定位，成型時(shí)的溫度也會(huì)影響位置度，因?yàn)楣桎撈退苤牧系臒嶙冃?a target="_blank">參數(shù)是不一樣的，從而導(dǎo)致冷卻速度也會(huì)不一樣，也就是是成型完會(huì)存在著內(nèi)應(yīng)力的問(wèn)題，在長(zhǎng)時(shí)間工作條件下，不僅有開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)影響到氣隙位置的尺寸，所以通常要求包塑件，在成型完成后，加入退火處理，一般PPS材料是145℃*1h，冷卻的話最好是具備介質(zhì)的均勻冷卻設(shè)備，否則又會(huì)因?yàn)槔鋮s不一致導(dǎo)致再一次的內(nèi)應(yīng)力發(fā)生。
如果可以，盡量將硅鋼片與殼體采用后組裝的方式，通過(guò)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)定位或工裝定位的方式，將硅鋼片按照有效地定位管控（主要是居中和氣隙位置）組裝到塑料殼體中，最后通過(guò)額外的塑料蓋板與殼體進(jìn)行密封，蓋板和殼體之間采取超聲波焊接的方式，減少螺絲組裝和泄露風(fēng)險(xiǎn)。
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論