【经验】基于线性霍尔套磁环的电流传感模块设计指导，高性能霍尔传感器CC652x/651x系列的应用
在遍及工业与生活的各大领域中，电流检测是不容忽视的一个重要市场门类。传统上，常见到的检测技术包括电阻采样式（Shunt），电流互感器式（Current Transformer），罗氏线圈式（Rogowski Coil），磁阻式（xMR），以及本文会着重分析到的霍尔式（Hall）。
霍尔式能检测的范围涵盖DC和AC，电流从A级到kA级，灵敏度适中。它具有当今业界技术最成熟和性价比最高等特点，因而广受行业内人士的喜爱。
霍尔式又可以分为闭环式和开环式。从构造复杂度和性价比而言，开环式有着更高的综合效益。开环霍尔检测，主要有单芯片检测技术，和霍尔检测模块技术两种。单芯片技术对于小电流范围和低功耗应用最佳。
而霍尔检测模块技术，具有对更大电流、大功耗的应用具有更广阔的适应空间。直接购买检测模块，对快速切入很有利，然而，模块核心技术依然主要受制于LEM（莱姆），Yazaki等国际上的电流模块生产大厂。而研制检测模块，虽然更耗费开发时间和精力，对于拥有自研技术而言，大有裨益。
本文将针对霍尔电流模块，着重探讨其中的磁场学考量和电子设计因素，以帮助您进行模块设计。
我们知道，霍尔效应利用垂直磁场中的霍尔板，感应出与磁场成正比的电压（即霍尔电压）的原理，进行磁场测量。现实世界中的磁场源无非三种，磁铁是其中一种，而导体流过的电流，也是重要的一种。根据安培右手螺旋定则，直导线电流，产生环绕导线方向的磁场。但是，当单纯依靠电流产生磁场时，由于相对自由的散布在空间，非常容易受到外在杂散磁场影响。比如，其他通电导线，或者附近电机的磁场都有可能完全混淆到磁场中，使原本的待测电流信号不可辨分。
图1 以检测磁铁为例的霍尔效应示意图(图片来自知乎)
图2 一种磁环材料（带气隙）（图片来自google）
作为基本的磁学原理，所有各条磁感线具有永不相交和各自闭合的特性。当使用带气隙（airgap）的磁环时，由于磁环本身为软磁（Soft Iron）材料的导磁（magnetic conduction）特性，使电流产生的磁场汇聚到磁环中，并在气隙中产生均匀磁场（homogeneous field）。由此，很容易直观理解其结构的两大优点，即，外在杂散磁场对气隙中的磁场影响小到可以忽略，并且在气隙中磁场因获得额外增益而得以加强。
图3 线性霍尔模块方案检测电流示意图（左 原理示意；右 外形示例）
在气隙狭小的空间中，磁环方案的电流检测获得出色的抗干扰、抗共模特性。
图4 气隙内均匀磁场区域放大图
假设气隙的大小是g（mm)，如图所示。而导线通过的电流为I（A），则磁感强度B（mT）可以由经验公式计算出：以电流为400A、气隙大小是2.5mm为例，在气隙内的区域，可以产生200mT(即2000Gauss)的磁场。
这时候，为了检测该磁场，气隙中需要一颗能够处理200mT磁感应强度的线性霍尔传感器芯片放置在气隙中，它可以用来反映被检测的电流。
CC652x/651x系列芯片就是这样的高性能线性霍尔传感器芯片。它们是由成都芯进电子自主研发的高性能线性霍尔传感器。该系列芯片是原厂可编程的单片传感器IC，采用标准SIP封装。该系列传感器支持的输出采样频率高达200kHz，高速输出正比于磁感强度的模拟信号。CC652x系列更是令用户获得3.7μs快速响应时间的精密传感器。CC652x通过MTP技术，提供灵敏度、失调量等基本参数的多次可编程特性。出厂芯片皆通过片内温度补偿获得高品质的温度特性和参数一致性。
仍以刚才的条件为例，如果采用CC652x芯片默认的灵敏度值，则0~400A的电流范围将产生2.5V+-1.8V的输出电压范围，支持峰-峰值3.6V的高速输出。
在实际设计中，上面的经验公式一般具有非常高的指导意义。同时，设计中需要留意的电磁因素，主要是磁环和芯片应用两方面。
图5 磁饱和示意图 (电流磁场达到足够大，磁材料饱和，不再明显增加)
磁环方面涉及：磁饱和(saturation)，磁环的磁温度漂移(magnetic temperature drift)，层压（lamination），边缘效应（fringing effect)，机械固定与应力(housing and strain)，散热(thermal heating)等。
磁饱和，普遍存在于所有磁材料，无论软磁(soft iron)、硬磁（hard magnet），而磁环材料属于软磁。其机理是超过磁材的磁饱和阈值后，内部可极化的微粒已经几乎极化迨尽。因此，使用前请认真查阅磁环材料规格书，了解其饱和极限。正如示例图中所示，超过磁饱和的阈值使用，会大幅度降低系统的电流检测精度。
磁环的磁温度漂移，即环境温度的不同，会导致其磁性强度随着温度改变。在磁环的规格书中也有对温度漂移系数的明确说明，需要查明。
层压，即厂家所生产的磁环材料直接成形为平行独立片层。这样有什么好处呢？可以大大降低磁环材料的趋肤效应（skin effect）。强磁场下尤其必要，因为越强磁场，趋肤效应越明显，越增加误差。通过磁感线方向的层压生产技术，可以削弱该影响到可以忽略不计的程度。
边缘效应是指：越靠近磁环气隙边缘处，磁感线变得越发弯曲。而且更容易受外界干扰影响，所以使用中需要避免将传感器芯片放置于太靠边的位置。
图6 磁环边缘效应（气隙越靠近红色位置的磁感线越弯曲）
磁环直径的考虑，要为磁环与被测的通电导体之间留出充足的间隙，以利于电气安全和散热效率。
另外，磁环在受到机械应力作用下时，其磁场性质也会有所改变，因此，在保证磁环方便固定的前提下，尽可能避免受强压力/强应力碰撞、挤压。
芯片应用方面， CC652x/651x系列IC， VCC对GND端需要外挂去耦电容。经过严格的测试验证，选取100nF电容值，可以确保电源电气品质。
安全可靠使用方面，使用芯片元件，需遵守防静电（ESD）可靠性要求。芯片为精密微电子元件，切不可超越极限参数使用，否则可能会造成不可逆的损坏。
避免芯片受到极端的管脚应力和塑料封装应力，否则甚至可能完全破坏芯片功能。
总体上，线性霍尔搭配磁环的方案，由于性价比、以及非接触式的优点，加上电气安全能力、散热好等优势，在非常多的应用领域中非常受欢迎，诸如：电力配电柜，大型通信机柜，电池管理，大功率智能储电设备，分布式电源系统组元（PDU），大电流焊机、电机等系统中皆可用于感测电流。
图7 来自芯进客户的应用示例
图8 芯进电子基于线性霍尔的经济型电流测量演示板
结论：
基于CC6521配合磁环方案，非常适合搭建电流传感器应用。传感器IC置于环形软铁磁芯精巧的气隙中，电流导体穿过铁磁环的内部，磁环汇集并放大磁通密度，均匀磁场线由此垂直穿过传感器IC的传感元，从而产生与电流成比例的输出电压。依据此原理，组建电流测量系统，典型的精确测量范围从100A~1000A，广泛适用于工业与生活的方方面面。
附表：成都芯进电子-可编程线性霍尔IC系列
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ROHM(罗姆) IC/功率器件/分立式半导体/无源元件/光学器件/模块 选型指南
描述- ROHM launched the ComfySIL™ brand for customers involved in the design of functional safety to use products that support SIL (Safety Integrity Level) in a ‘Comfy’ (comfortable) manner, and for social systems' greater safety, security, and convenience to which ROHM can contribute through its products.
型号- DTC143TE3,KA2004-H05N20A,ML62Q20XX,RCJ220N25,SML-S13UT,DTC143TEB,RSX101VYM30,SML-D12M8W(C),SDR,R6002JND4,BD60A00NUX,RB238NS150,SML-D12Y8W,SMLA12BN8T,MG6405WZ,BDJ0GA3VEFJ-M,SML-811UT (A),SML-010VT,BD94130EFV-M,DTA124XM,BM2SC123FP2-LBZ,RS3L110AT,RB298T100,DTC143TCA,RSS060P05,BD71L4LG-1,SFR,BR25A512,RGPR20BM36HR,BD95821MUV,BD6995FV,KD2002-G0JB10A,BU23TD2W,SML-S13VT,BD12IC0WEFJ,BU97941FV,SLI-325YC(W),RQ5L015SP,BH7673G,SML-811UT (C),BD52XXG-2C,BD6046GUL,RGW60TS65HR,BD10KA5WFP,BA03CC0FP,SML-D12Y3W,BM6241FS,BD450S5FP2-C,MH2206WZ,BD63521EFV,BU94702AKV,SML-S13PT,RB168MM200,DTC144WCA,BD22621G-M,SLI-343URC,RS6R035BH,BDJ2FC0WFP,RGT20NL65,DTD123TC,DTA015TUB,BD750L5FP-C,BM521Q25F,R8003KNX,BD52XXG-1 SERIES,SML-D12D8W (C),DTA023YEB,UCR006,BD95514MUV,BD9S200MUF-C,SML-H10PD2B,DTD123TK,RFN6T2D,IMX25,BD80FD0WHFP,R6000ENH,SML-S13RT,BU64253GWZ,BD70GC0VEFJ-M,BD52XXG-2M,RBR2LAM30A,CSL0902DT 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Application Brochure for AUTOMOTIVE
型号- YQ10RSM10SD,BD52W04G-C,PSR SERIES,BD900N1W,BD5310XG-CZSERIES,YQ12RSM10SD,YQ15RSM10SD,SCT4062KW7HR,BR25H020,BR24H64,BD900N1G-C,YQ20BM10SD,BD9XXN1 SERIES,BD933N1,SCT4045DRHR,PSR400,BD5310XG-CZ,BD933N1WG-C,YQ3LAM10D,BD52W01G-C,SCT4026DEHR,SCT4062KRHR,BR25H128,BR25H010,BR25H1M,BR25H256,BD53103G-CZ,RB520ASA-30FH,BD950N1WEFJ-C,RB551ASA-30FH,BD53106G-CZ,BD950N1WG-C,BM2LE160FJ-C,BV1LE080EFJ-C,YQ2LAM10B,SCT4045DEHR,BD54105G-CZ,BR24H01,BR25H320,BM2LE250FJ-C,BR24H02,RGW00TS65CHR,BR24H04,YQ2MM10A,BR25H040,RB751ASA-40FH,BV1LE250EFJ-C,BR25H160,BR24H08,SCT4026DW7HR,YQ40NL10CD,BD52W03G-C,RB520ASA-40FH,SCT4045DW7HR,BD48W00G-C,RGW80TS65CHR,CISPR25,BD7XXL05G-C SERIES,BD53108G-CZ,BD54103G-CZ,BD52W06G-C,RB521ASA-30FH,BR24H512,BR24H256,BD900N1EFJ-C,RB550ASA-30FH,BR24HXXX-5AC,BR25HXXX-5AC SERIES,BD7XXL05G-C,BR24H1M,SMLVN6RGBFU,BD54102G-CZ,BD950N1,BD48HW0G-C,REFLED003-EVK-001,REFLED003-EVK-002,SCT4036KEHR,REFLED003-EVK-003,YQ8RSM10SD,BD9XXN1,REFLED003-EVK-004,YQ5RSM10SD,BR24H128,YQ3MM10B,YQ3RSM10SD,RB886ASAFH,BD53104G-CZ,YQ30NL10CD,BD52W05G-C,YQ SERIES,PSR,BD900N1WEFJ-C,BM2LEXXXFJ-C,YQ30NL10SE,BD733L05G-C,SCT4062KWAHR,BD933N1WEFJ-C,YQ30NL10SD,BD54107G-CZ,BD950N1W,BD725L05G-C,BM2LE040FJ-C,BR24H16,BD933N1W,BD730L05G-C,BD750L05G-C,BD900N1,BD933N1G-C,PSR350,REFRPT001-EVK-001,BD52W02G-C,SCT4036KRHR,BR25HXXX-5AC,BR25H512,BD933N1EFJ-C,BD950N1EFJ-C,BM2LE080FJ-C,BR25H640,BD53105G-CZ,BR24HXXX-5AC SERIES,BR25H080,PSR100,BV1LEXXXEFJ-C SERIES,BD950N1G-C,PSR500,YQ2VWM10B,YQ20NL10CD,LMR1901YG-M,RGW60TS65CHR,BD5410XG-CZ,SCT4062KEHR,BV1LE040EFJ-C,YQ1VWM10A,BD54104G-CZ,YQ60NL10CD,BD900N1WG-C,BD9S402MUF-C,SCT4045DWAHR,YQ20NL10SE,BV1LE160EFJ-C,YQ20NL10SD,BM2LEXXXFJ-C SERIES,BD53107G-CZ,BR24H32,YQ5LAM10C,YQ5LAM10D,YQ5LAM10E,SCT4026DRHR,PSR330,SCT4026DWAHR,BV1LEXXXEFJ-C,BD5410XG-CZ SERIES
芯进（CrossChip）霍尔开关传感器/风扇驱动器/电机驱动器/电流传感器选型指南
目录- 霍尔传感器开关 单相风扇驱动器 单相正弦波风扇驱动器 电流传感器
型号- CC6521,CC6203,CC6401,CC6522,CC6201,CC6121,CCH477,CC6213,CC6411,CC6412,CC6211,CC6410,CC6210,CC6401S,CC6409,CC6527,CC6209,CC6407,CC6206,CC6404,CCH477E,CC6525,CC6921,CC6207,CC6204,CC6402,CC6523,CC6205,CC6403,CC6524,CC6920,CC6422,CC6423,CC6101,CC6420,CC6102,CC6421,CC7030,CC6511,CC6112,CC6111,CC6407S,CC6903,CC6904,CC6901,CC6902,CC6503,CC6900,CC6501,CC6425,CC6502
纳芯微工业控制解决方案
型号- NSI6801,NSI1311,NSI1312,NSH050,NSI824X,NSAD114X,NCA8244,NSM2017,NSM211X,NST175,NSM2019,NSM2013,NSI22C11,NSL82XX,NSM2015,NSI68515,NSM2011,NSD5604,NSM2012,NSA2862X,NSR33XXX,NST86,NSOPA9XXX,NSI1300,NSI6801M,NSREF31XX,NSI1306,NST112X,NSI1303,NCA1044,NSI1305,NSR7808,NSE11409,NSI8266,NSI8100,NSR28C4X,NIRS21,NSI8260,NSOPA8XXX,NCA9555,NSI1200C,NSD1026V,NCA1042B,NSAD124X,NSI8608,NSD12416,NCA3176,NSCSA24X,NSI83086,NSM201X,NSI83085,NSM2113,NSM2311,NST235,NSR31XXX,NSCA199,NSA2860X,NST60,NSD1624,NST20,NIRS31,NSR104XX,NSR35XXX,NSD1224,NSREF30XX,NSI1200,NSI1042,NSI1400,NSCSA21X,NSD11416,NSC2860X,NSI22C12,NCA1051A,NCA3485,NST1002,NST1001,NSI82XX,NSI8200,NSI1050
NOVOSENSE Automotive Solution Enable the Electrification and Intellectualization of xEV
型号- NSL23916-Q1,NSI1311,NSI6601,NSI7258,NPC060N065A,NCA8244,NSM2017,NSM2019,NSM2013,NSI22C11,NSM2015,NSM2011,NSR33XXX,NSC9262,NSI1300,NSC9264,NSREF31XX,NSI1306,NSR2240X,NPS0X0N065A,NSP1830,NCA1169,NCA1044,NCA1043,NSR7808,NSOPA240X,NSE11409,NSP1831,NSC9260X,NSP1832,NSM2020,NSL2161X-Q1,NSD8306,NSOPA8XXX,NSD731X,NSD8308,NSI67XX,NSD1026V,NSE34050,NSL31682-Q1,NSCSA24X,NSL21912-Q1,NSI6622V,NSPDC1,NSR31XXX,NCA1021S,NSD8310,NSD1624,NSD8312,NPI030N065A,NSR104XX,NSI6651,NSD11416,NSI22C12,NCA1051A,NSUC1602,NCA1462,NSD8381,NSD56008,NSM3011,NSPADX,NSM3013,NSM3012,NSI6801,NST60-Q1,NSUC1610,NSI824X,NCA9539,NST175-Q1,NSR7850,NST175,NSM203X,NSIP605X,NSIP3266-Q1,NSOPA9XXX,NSI6911,NST86-Q1,NSP1631,NSD12409,NSP1632,NSPASX,NSP1630,NSE425X,NSM1013,NPI040N120A,NSL23924-Q1,NCA9555,NSI822X,NSA9264,NCA1042B,NSD12416,NSA9260X,NSPGM2,NSM2117,NSPGM1,NSI6602V,NSD3608,NSM2113,NSM2115,NSD3604,NSL31520-Q1,NSL2163X-Q1,NSR35XXX,NST20,NSREF30XX,NPC0X0N120A,NSI1200,NSI6611,NSPAS1,NSPAS3,NCA1145,NST235-Q1,NSCSA21X,NCA1043B,NSE5702,NSI6601M,NSE5701,NSR114XX,NSR1048,NSL23716X-Q1,NSM1030
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服务
可定制电感最大电流100A，尺寸最小7 x 7 x 3.0mm到最大35 x 34 x 15.5 mm，工作频率100KHZ ~ 2MHZ，感值范围：0.15 ~ 100uh；支持大功率电感，扁平线电感，大电流电感，高频电感，汽车电感器，车规电感，一体成型电感等定制。
最小起订量： 5000 提交需求>
可支持TI AM335x/AM5718 和NXP iMX6/iMX8芯片定制核心板和计算单板；支持NXP iMX6核心模组X / F / H系列、TI AM335x核心模组X / N / H系列，与兼容的底板组合定制单板计算机。
最小起订量： 1pcs 提交需求>
授权代理品牌：集成电路
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授权代理品牌：部件、组件及配件
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授权代理品牌：电子材料
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