淺談霍爾電流傳感器ACS785/ACS712系列電流檢測方式

 

 

電流檢測方式
一、檢測電阻+運放
優勢：
成本低、精度較高、體積小
劣勢：
溫漂較大，精密電阻的選擇較難，無隔離效果。
分析：
這兩種拓撲結構，都存在一定的風險性，低端檢測電路易對地線造成干擾；高端檢測，電阻
與運放的選擇要求高。
檢測電阻，成本低廉的一般精度較低，溫漂大，而如果要選用精度高的，溫漂小的，則需要
用到合金電阻，成本將大大提高。運放成本低的，鉗位電壓低，而特殊工藝的，則成本上升
很多。

 

二、電流互感器CT/電壓互感器PT
在變壓器理論中，一、二次電壓比等於匝數比，電流比爲匝數比的倒數。而CT 和PT 就是特
殊的變壓器。
基本構造上，CT 的一次側匝數少，二次側匝數多，如果二次開路，則二次側電壓很高，會
擊穿繞阻和迴路的絕緣，傷及設備和人身。PT 相反，一次側匝數多，二次側匝數少，如果
二次短路，則二次側電流很大，使迴路發熱，燒燬繞阻及負載迴路電氣。
CT,電流互感器，英文拼寫Current Transformer，是將一次側的大電流，按比例變爲適合通過
儀表或繼電器使用的，額定電流爲5A 或1A 的變換設備。它的工作原理和變壓器相似。也
稱作TA 或LH（舊符號）工作特點和要求：
1、一次繞組與高壓回路串聯，只取決於所在高壓回路電流，而與二次負荷大小無關。
2、二次迴路不允許開路，否則會產生危險的高電壓，危及人身及設備安全。
3、CT 二次迴路必須有一點直接接地，防止一、二次繞組絕緣擊穿後產生對地高電壓，但僅
一點接地。
4、變換的準確性。
PT，電壓互感器，英文拼寫Phase voltage Transformers，是將一次側的高電壓按比例變爲適
合儀表或繼電器使用的額定電壓爲100V 的變換設備。電磁式電壓互感器的工作原理和變壓
器相同。也稱作TV 或YH（舊符號）。
工作特點和要求：
1、一次繞組與高壓電路並聯。
2、二次繞組不允許短路（短路電流燒燬PT）,裝有熔斷器。
3、二次繞組有一點直接接地。
4、變換的準確性
三、模塊型霍爾電流傳感器
模塊型霍爾電流傳感器分開環模式與閉環模式。
開環模式又稱爲直接測量式霍爾電流傳感器，輸入爲電流，輸出爲電壓。這種方式的優
點是結構簡單，測量結果的精度和線性度都較高。可測直流、交流和各種波形的電流。但它
的測量範圍、帶寬等受到一定的限制。在這種應用中，霍爾器件是磁場檢測器，它檢測的是
磁芯氣隙中的磁感應強度。電流增大後，磁芯可能達到飽和；隨着頻率升高，磁芯中的渦流
損耗、磁滯損耗等也會隨之升高。這些都會對測量精度產生影響。當然，也可採取一些改進
措施來降低這些影響，例如選擇飽和磁感應強度高的磁芯材料；製成多層磁芯；採用多個霍
爾元件來進行檢測等等。
開環模式的結構原理見下圖

根據檢測量程的需求，一般分爲以下兩種繞線模式，左圖爲小量程的結構圖，右圖爲大
量程的結構圖。
閉環模式又稱爲零磁通模式或磁平衡模式，其輸入與輸出端均爲電流信號。原理見下圖

將霍爾器件的輸出電壓進行放大，再經電流放大後，讓這個電流通過補償線圈，並令補
償線圈產生的磁場和被測電流產生的磁場方向相反，最終達到磁平衡。
這個平衡過程是自動建立的，是一個動態平衡。建立平衡所需的時間極短。平衡時，霍
爾器件處於零磁通狀態。磁芯中的磁感應強度極低（理想狀態應爲0），不會使磁芯飽和，
也不會產生大的磁滯損耗和渦流損耗。恰當地選擇磁芯材料和線路元件，可做出性能優良的
零磁通電流傳感器。
現在市場上的模塊霍爾電流傳感器，一般體積較大，爲雙電源供電，價格較高，閉環模
式的霍爾電流傳感器其性能要比開環模式好，但價格也比開環模式的貴許多。
四、其他的電流檢測器件。
除以上介紹的幾種電流檢測方式外，還有其他幾種測量方式，分別爲：
AVAGO 的光耦隔離放大器。
TI 的電容式隔離放大器
ADI 的西格瑪德爾塔式隔離放大器。
這三種電流檢測方式，芯片內部結構，原理是不一樣的，但外圍電路有許多共同點。
一、三種方式均是通過檢測精密電阻兩端的電壓來判定其被檢測電流的大小。
二、原邊與負邊均需加電源供電。
三、輸出爲差分輸出，需考慮共模抑制比，可做到零基準電壓。
四、響應時間與精度差不多，均爲us 級，精度界於1%~5%。
五、Allegro電流傳感器
介紹完了其他的電流檢測方式，接下來，重點介紹一下Allegro 的電流傳感器。鄙人代
理此條線的產品。
Allegro 電流傳感器的共同點：
1． 芯片級霍爾電流傳感器，串聯在電流回路中，外圍電路簡單。
2. 開環模式的霍爾電流傳感器（因體積問題，芯片級霍爾電流傳感器無法做到閉環模
式。）
3. 可測交直流電流。
4. 無需檢測電阻，內置毫歐級路徑內阻。
5. 單電源供電，原邊無需供電。
6. 80~120KHz 的帶寬，外圍濾波電容可調整帶寬與噪聲的關係。
7. 輸出加載於0.5Vcc 上，非常穩定的斬波輸出。
8. us 級響應速度，精度在-40~85℃時小於2%
9. 帶抑制干擾的特殊封裝工藝。
10. 非常好的一致性與可靠性。年出廠不合格率小於1PPM。
常推的幾顆Allegro 霍爾電流傳感器爲：
ACS712

從ACS712 的內部框圖與封裝解剖圖可以看出，原邊電流只是從芯片內部流過，與副邊
電路並沒有接觸，原邊與副邊是隔離的，因爲封裝小，所以ACS712 的隔離電壓爲2100V。
因爲電流的流過會產生一個磁場，霍爾元件根據磁場感應出一個線性的電壓信號，經過內部
的放大、濾波、與斬波電路，輸出一個電壓信號。
ACS712 根據尾綴的不一樣，量程分爲三個規格：5A、20A、30A，溫度等級均爲E 級（-40~85
℃）。輸入與輸出在量程範圍內爲良好的線性關係，其係數Sensitivity 分別爲，185、100、
66mV/A。因爲斬波電路的原因，其輸出將加載於0.5Vcc 上。ACS712 的Vcc 電源一般建議採
用5V。輸出與輸入的關係爲Vout=0.5Vcc+Ip*Sensitivity。一般輸出的電壓信號介於0.5V~4.5V
之間。
Ip+與Ip-之間流經芯片內部的那一部份，我們稱之爲內置路徑內阻，其阻值爲1.2mΩ.
當大電流流經它時，所產生的功耗很小，如30A 滿量程的電流流經它時，產生的功耗爲
P=30*30*1.2/1000=1.08W。
ACS 712 的全溫度範圍的精度爲±1.5%。在25~85℃時，精度特性更好。輸入與輸出之
間的響應時間爲5us。帶寬爲80KHz，通過調整濾波腳與地之間的濾波電容，可根據客戶的
要求來調整噪聲與帶寬的關係，電容取值大，帶寬小，噪聲小。
ACS710
與ACS712 相比，ACS710 多了一個過流保護功能。如上圖所示，藍色虛框爲ACS710 的
電流檢測迴路，紅色虛框爲ACS710 的過流保護迴路。

ACS710 與ACS712 的電流檢測原理是一樣的，所不同的有以下幾點：
1. ACS710 因爲封裝SOIC-16 體積比ACS712 稍大，所以原邊與副邊的隔離電壓也比
ACS712 大，爲3000V。
2. 內置路徑內阻爲1.0 mΩ。
3. 量程不一樣，根據尾綴不同，分12.5A 與25A 兩種量程。這裏的12.5A 量程與25A
量程指的是優化量程，實際上，ACS710 有三倍過載能力，即，他們的實際量程分
別爲37.5A 與75A。但考慮到電流過大，溫升的效應，不建議將ACS710 長期工作
於過載條件下。
4. ACS710 Vcc 可選用5V 與3.3V 兩種。5V 與3.3V 時， 其輸入輸出的線性係數
（Sensitivity）也爲線性。如ACS710 25A 量程的IC，Vcc 爲5V 時，Sensitivity
爲28mV/A. 3.3V 時，Sensitivity 爲28*3.3/5=18.5mV。
5. 溫度等級不一樣，ACS710 爲K 級，-40~125℃.
6. ACS710 的帶寬爲120KHZ，響應時間爲4us，過流保護響應時間爲2us。
ACS710過流保護功能說明
1. 16 管腳爲使能腳。
2. 調整15 腳外圍的兩個分壓電阻值， 可設定過流保護的門限值。Vcc 爲5V 時，
ACS710KLATR-12CB-T（12.5A 量程的型號）其可設定的過流保護的門限範圍爲22.3A~35.7A；
ACS710KLATR-25CB-T（25A 量程的型號）其可設定的過流保護的門限範圍爲44.6A~71.5A。
3.13 管腳爲Fault 輸出腳，過流條件出現時，13 管腳將在2us 內輸出一個低電平信號，其中
外接電容Coc 爲緩衝電容，以防止因干擾而產生的誤報情況。
4. 下圖爲過流保護過程的圖解說明。
ACS758

ACS758 的原理是一樣的。與ACS712、ACS710 相比，其特點是：
1. 量程大，分爲50A、100A、150A、200A 四個等級。
2. 內置路徑內阻小，爲100uΩ.
3. 溫度等級，50A、100A 量程的等級爲L 級，即-40~150℃；150A 量程的爲K 級，即-40~125
℃；200A 量程的爲E 級，即-40~85℃.
4. 帶寬爲120KHz，響應時間爲4us。
5. 25℃時，原邊1200A 大電流時，可承受時間爲1 秒。
85℃時，原邊900A 大電流時，可承受時間爲1 秒。
150℃時，原邊600A 大電流時，可承受時間爲1 秒。
以上介紹的爲Allegro 的三顆代表型芯片級霍爾電流傳感器，我介紹的均爲雙向的霍爾
電流傳感器（可測交直流），輸出加載於0.5Vcc 上。Allegro 也有單向的霍爾傳感器，其單
向的霍爾電流傳感器（可測正電流），輸出加載於0.1Vcc 上。芯片級的霍爾電流傳感器，目
前其最大量程爲200A，對於大於200A 的電流，可用Allegro 線性霍爾做成塻塊型霍爾電流
傳感器。事實上，國內有部份品牌的模塊型霍爾電流傳感器，就是應用Allegro 的線性霍爾
做爲核心做成的。
六．小結
各種電流檢測的方式原理各不同。
檢測電阻+運放與電流互感器屬於低成本的方案，其可靠性與安全性較差，主要用於低端
方案。
模塊式霍爾電流傳感器，其體積較大，雙電源供電，成本較高。
隔離放大器，其原邊，副邊均需電源供電，在消除干擾方面的設計難度更大，成本比模
塊式霍爾電流傳感器要低，比Allegro 的成本高。外圍電路較複雜，需加檢測電阻。
Allegro 的霍爾電流傳感器，量程相對於每一個型號來說，是固定的，最高量程爲200A。
小量程(50A 以下)的霍爾電流傳感器成本低，ACS758 的成本比模塊型霍爾電流傳感器低。輸
出加載於0.5Vcc,輸出信號爲正電壓。

 

目前Allegro這種芯片級的電流傳感器已經廣泛應用於變頻器，伺服驅動，控制器等多個工控領域，價格與體積，品質等具備絕對優勢。