霍尔电流传感器的制作方法

本实用新型涉及霍尔传感器技术领域，具体涉及一种霍尔电流传感器。

背景技术：

目前市场上电流检测设备采用霍尔电流传感器和互感器居多，但是都有其局限性，比如霍尔电流传感器检测直流或者交流信号时则输出相应的直流或者交流信号，而互感器则只能检测交流信号，同时由于输出信号中往往夹杂着交流量与直流量会造成系统数字采样后整体误差偏大。

并且，传统的霍尔电流传感器通常采用正负电源对称供电，采用直流或交流大信号到直流或交流小信号的转化方式。这种实现方法往往对电源的对称性和稳定性要求较高，一旦电源对称性出现问题就会造成整个产品发生故障；同时由于产品的输出信号中往往夹杂着交流量和直流量，会造成系统数字采样后整体误差偏大，影响检测效果。

技术实现要素：

本实用新型为解决目前电流检测设备只能检测单一种类的直流或交流信号、霍尔电流传感器采用对称供电检测效果差的技术问题，提供了一种霍尔电流传感器。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种霍尔电流传感器，包括：霍尔驱动模块，所述霍尔驱动模块用于采集直流或交流形式的初始电流信号并生成初始电压信号；信号放大模块，所述信号放大模块与所述霍尔驱动模块相连，所述信号放大模块用于对所述初始电压信号进行放大；真有效值转换模块，所述真有效值转换模块与所述信号放大模块相连，所述真有效值转换模块用于将直流或交流形式的放大后的初始电压信号转换成直流电流信号；电压电流转换模块，所述电压电流转换模块与所述真有效值转换模块相连，所述电压电流转换模块用于将所述直流电流信号转换为预设大小的电流信号并输出；单电源供电模块，所述单电源供电模块分别与所述霍尔驱动模块、所述信号放大模块、所述真有效值转换模块、所述电压电流转换模块相连，所述单电源供电模块基于单电源为所述霍尔驱动模块、所述信号放大模块、所述真有效值转换模块、所述电压电流转换模块供电。

所述信号放大模块包括由单运放组成的减法电路、调零调整电路和比例缩小电路。

所述真有效值转换模块包括低通滤波电路和真有效值转换芯片。

所述电压电流转换模块包括限压电路和精密电压电流转换芯片。

所述单电源供电模块包括LDO(Low Dropout Regulator，一种低压差线性稳压器)和并联的两个晶体管。

所述单电源供电模块提供的电压范围为20-50Vdc。

所述电压电流转换模块输出的电流信号为4-20mA的标准信号。

本实用新型的有益效果：

本实用新型通过设置真有效值转换模块将直流和交流信号均可转换为直流信号，从而能够实现对直流信号、任意波形的交流信号的检测，通过单电源供电，供电范围广、稳定性好，能够提高电流检测的稳定性和精确度。

另外，在单电源供电模块中采用两个晶体管并联的方式分压分流，形成多个供电电平，通过晶体管和LDO来分担功耗，如此可以采用板级散热代替散热器散热，对于霍尔电流传感器紧凑的空间来讲更有优势；信号放大模块更改了普通霍尔电流传感器零点的传统调零方式，同时优化了微弱信号放大之后的精度。

附图说明

图1为本实用新型实施例的霍尔电流传感器的方框示意图；

图2为本实用新型一个实施例的霍尔电流传感器的电路结构示意图；

图3为本实用新型一个实施例的单电源供电模块的电路结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型实施例的霍尔电流传感器，包括霍尔驱动模块10、信号放大模块20、真有效值转换模块30、电压电流转换模块40和单电源供电模块50。其中，霍尔驱动模块10用于采集直流或交流形式的初始电流信号并生成初始电压信号；信号放大模块20与霍尔驱动模块10相连，信号放大模块20用于对初始电压信号进行放大；真有效值转换模块30与信号放大模块20相连，真有效值转换模块30用于将直流或交流形式的放大后的初始电压信号转换成直流电流信号；电压电流转换模块40与真有效值转换模块30相连，电压电流转换模块40用于将直流电流信号转换为预设大小的电流信号并输出；单电源供电模块50分别与霍尔驱动模块10、信号放大模块20、真有效值转换模块30、电压电流转换模块40相连，单电源供电模块50基于单电源为霍尔驱动模块10、信号放大模块20、真有效值转换模块30、电压电流转换模块40供电。

在本实用新型的一个实施例中，霍尔电流传感器设计原理为开环原理，霍尔工作电流的变化会直接影响输出电压，从而导致霍尔电流传感器输出的变化，因此选择恒流驱动模式来设计霍尔驱动模块10。霍尔作为采集电流信号的源头，通过感应磁场的变化产生电桥的失衡，从而与内部驱动电流结合产生差分电压，而这正是霍尔驱动模块10需要采集的动态信号。

在本实用新型的一个实施例中，信号放大模块20包括由单运放组成的减法电路、调零调整电路和比例缩小电路。如图2所示，由单运放组成的减法电路包括运放N1A、同相和反相输入端电阻R9和R10、同相输入端接地电阻R11和接地电容C9、连接在反相输入端和输出端之间的电阻R12和电容C10以及电源接地电容C11和C12。调零调整电路包括电阻R13、R14、R15、R16、和可调电阻RP1，其中，电阻R15一端连接直流电源VCC、另一端与可调电阻RP1的一端相连，可调电阻RP1的另一端通过电阻R13接地，可调电阻RP1的滑动端与电阻R14的一端相连，电阻R14的另一端与电阻R16的一端相连，电阻R16还并接有电容R13。比例缩小电路包括运放N1B，运放N1B的同相输入端与电阻R14的另一端相连、反向输入端连接到运放N1A的输出端、输出端连接到电阻R16的另一端。霍尔元件的输出电压通常只有数毫伏至数百毫伏，因而需连接上述信号放大模块20。为了消除非磁场因素引入同向电压的影响，需用差分放大电路。在用单运算放大器进行差分放大时，如果不将放大器的输入电阻增加到大于霍尔元件输出电阻的程度，误差就会变大。从这个角度来说，放大器的输入电阻越大越好，但是输入电阻太大，后续运放的输入偏置电流引起的偏置误差就会变大，所以考虑到以上因素，信号放大模块20采用N1A单运放组成的减法电路。由R13、R14、R15、R16、RP1组成的调零调整电路可将信号电平抬高5V来设计单电源基准VCC2，把电路中器件引起的误差先放大进行调零，这样器件本身的偏置电压引起的误差减小，后面电路中加入比例缩小电路配合，可以极大优化由于器件偏置引起的误差，调零便可以一次完成，后续不需要再进行调零。本实用新型实施例更改了普通霍尔电流传感器零点的传统调零方式，同时优化了微弱信号放大之后的精度。

在本实用新型的一个实施例中，真有效值转换模块30包括低通滤波电路和真有效值转换芯片。如图2所示，低通滤波电路包括运放N2A、反相输入端电阻R17、连接在反相输入端和输出端之间的电容C14以及与电容C14并联的电阻支路，电阻支路包括电阻R18、R19和可调电阻RP2。真有效值转换芯片N4的EN引脚接N2A的同相输入端，真有效值转换芯片N4的IN引脚接N2A的输出端。真有效值转换模块30的功能是将直流电压信号和交流电压信号都转化成为统一的直流电流输出。以N3A搭建一个带增益的反向滤波器，其增益绝对值是小于1的，根据N4芯片输入范围要求，差模信号峰值不得超过1vpp，频率范围为DC或小于6kHz，故前端设计带增益的低通滤波电路。真有效值转换芯片N4在50Hz到1kHz具有0.25％的整体误差。

在本实用新型的一个实施例中，电压电流转换模块40包括限压电路和精密电压电流转换芯片。如图2所示，限压电路包括运放N3B、同相输入端接地电阻R20、连接在同相输入端和输出端之间的电阻R21和电容C15，运放N3B的反相输入端与真有效值转换芯片N4的Vout引脚相连。精密电压电流转换芯片N5的VIN引脚通过电阻R22连接到运放N3B的输出端，并通过电阻R24和可调电阻RP3连接到5V直流电源。电压电流转换模块40输出的电流信号为4-20mA的标准信号。精密电压电流转换芯片用于标准的4-20mA、0-20mA的模拟信号，其输入电压与输出电流之间的转换比率是由电阻R23决定，输出电流取决于VIN，如果VIN持续增大，过大的电流会损坏芯片或电源系统，故设计一种限流方式，采用N3B运放的限压电路，运放采用±5V供电，信号被5V电源轨限制，将输出被限制在安全范围之内，最终最高输出不会超过22mA。

在本实用新型的一个实施例中，单电源供电模块50包括LDO和并联的两个晶体管。如图3所示，晶体管VT2和VT3的基极均接LDO NR1的OUT引脚，在LDO的IN引脚与晶体管VT2的集电极之间连接有电阻R2，在LDO的IN引脚与晶体管VT3的集电极之间连接有电阻R4，在LDO的ADJ引脚与OUT引脚之间连接有电阻R3。单电源供电模块50提供的电压范围为20-50Vdc。本实用新型实施例的霍尔电流传感器采用单电源供电，并且供电电压最高可以达到50Vdc，产品功耗最大只有2.4w，而同样是电流输出的磁平衡霍尔电流传感器供电为±24Vdc，功耗最大可以达到8W。该单电源供电模块50不仅要满足电路的各部分供电，而且要满足相对应产品的器件散热的要求。单电源供电模块50宽范围的供电一般可以采用DC-DC来降压，但是2.5-3W的DC-DC的体积和价格并无优势，故采用低成本的LDO。如图3所示，宽压范围供电和较大电流输出使得LDO功耗较大，因此采用两个晶体管并联的方式分压分流，形成多个供电电平，通过晶体管和LDO来分担功耗，如此可以采用板级散热代替散热器散热，对于霍尔电流传感器紧凑的空间来讲，本实用新型实施例的设计更有优势。

根据本实用新型实施例的霍尔电流传感器，通过设置真有效值转换模块将直流和交流信号均可转换为直流信号，从而能够实现对直流信号、任意波形的交流信号的检测，通过单电源供电，供电范围广、稳定性好，能够提高电流检测的稳定性和精确度。

另外，在单电源供电模块中采用两个晶体管并联的方式分压分流，形成多个供电电平，通过晶体管和LDO来分担功耗，如此可以采用板级散热代替散热器散热，对于霍尔电流传感器紧凑的空间来讲更有优势；信号放大模块更改了普通霍尔电流传感器零点的传统调零方式，同时优化了微弱信号放大之后的精度。

在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。