霍尔电流采集电路的设计与应用.pdf

34 集成电路应用 第 40 卷 第 7 期（总第 358 期）2023 年 7 月 Research and Design 研究与设计技术和L1缓冲器，则有助于实现1082CoreMark/462DMIPS。应用该处理器，具有如下性能指标：ARM32bitCortexM7架构，能实现双精度浮点运算，内核的最大工作频率为216MHz；512k16bitSRAM，2 018k16bitFlash；外部存储器接口比较灵活，支持32位数据总线；最多支持4路I2C、3路CAN及SDIO等多种外部总线。与此同时，在内部系统中集成，软件的加载速度则能够得到进一步的提升；集成24通道的12位2.4Msps A/D转换器；集成2路12位D/A；集成通用DMA控制器，进而达到预期加速的目的，且自带FIFO。片上集成6通道的PWM单元；最大支持168个I/O，并且兼容5V接口电压；系统中还包含了18个定时器；可以JTAG调试接口；可以在系统内部配置独立看门狗，当CPU软件发生异常的时候，则能够立即执行复位或是中断程序。2.2 总线缓存器本文使用的总线缓存器SN74LV4T125属于一款低电压CMOS缓冲器门，其在实际的运行过程中，范围主要是针对更宽泛的电压，如电池后备等。在本次设计中，应用了较低阈值电路为此输入，目0 引言在控制系统中，霍尔式传感器的十分重要的组成部分，在具体的设计应用过程中，必须要综合全面的考虑识别精度、体积、环境适应性、成本等诸多因素。同时，霍尔式传感器还具备了可靠性高、灵敏度高、温度稳定等优点，相对于其他传感器而言，应用霍尔式传感器能够发挥应用优势，更好地适应不同环境，发挥较高的稳定性1。1 霍尔传感器 在特定的条件下，如磁场处于恒定状态，环境温度变化也不大。此时，控制电流I和霍尔输出电势UH之间呈线性关系，直线的斜率称为控制电流敏感度2。同时，如果霍尔元件的灵敏度系数越大，则对应控制电流敏感度也越大。2 整体架构设计因为功率负载，接地时稳态电流为1A，接通瞬间电流为7.5A，10ms。在处理的过程中，主要选用处理器，控制信号的输出是交由GPIO引脚，同时配合使用缓冲器，则能够对N沟道场效应管输出的2路1A的离散量信号，可以展开合理有效的控制。而后，经过一段时间，输出的信号会通过HI芯片1回采，再经由GPIO进行读取，动态化的监控相关信号数据，使得BIT的检测结果更加准确。图1为工作原理框图。2.1 MCU选用结合设计应用需求，在本次研究中选用了STM32F7系列处理器，同时应用了ART Accelerator作者简介：王谦君，国能神皖合肥发电有限责任公司，工程师，硕士；研究方向：霍尔电流采集技术。收稿日期：2023-01-31；修回日期：2023-06-22。摘要：阐述霍尔传感器的设计，它被用于复杂信号的隔离转换，不仅电流的测量范围宽、精度高，且过载能力也比较强，抗干扰能力较强。关键词：霍尔效应，电流采集，传感器电路。中图分类号：TP212 文章编号：1674-2583(2023)07-0034-02DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.07.013文献引用格式：王谦君，于德利.霍尔电流采集电路的设计与应用J.集成电路应用,2023,40(07):34-35.霍尔电流采集电路的设计与应用王谦君，于德利 （国能神皖合肥发电有限责任公司，安徽 231500）Abstract This paper describes the design of Hall sensors,which are used for isolation and conversion of complex signals.It not only has a wide measurement range and high accuracy of current,but also has strong overload capacity and anti-interference ability.Index Terms Hall effect,current acquisition,sensor circuit.Design and Application of Hall Current Collection CircuitWANG Qianjun,YU Deli(Guoneng Shenwan Hefei Power Generation Co.,Ltd.,Anhui 231500,China.）图1 原理框图 集成电路应用 第 40 卷 第 7 期（总第 358 期）2023 年 7 月 35Research and Design 研究与设计的是匹配Vcc=3.3V 的条件下1.8V的输入逻辑，同时还能够被应用于1.83.3V的电平上行转换器功能中。输入端上的5V输入耐受可在Vcc2.5V时，芯片配置为3.32.5V，输出的下行转换为1.82.5V，输出的下行转换1.85.5V的宽Vcc范围，这样有概率达到所需要的开关输出电平。在实际的工作运行过程中，仅仅需要通过一个源，不需要其他的元件配合，则能顺利地完成电平转化。通常而言，综合考虑相关影响因素，供电电压会直接影响到电平的实际数值。再加上对于芯片的识别，其门限值本身就比较低。总线缓存器端口的输入信号高电平值为2V，低电平值为9V；处理器端口的输出信号高电平值为2.9V，低电平值为0.4V。图2所示为总线缓存器的电平转化框图。把SN74LV4T125设计成具有8mA的电流驱动能力，如此，在高驱动输出的影响之下，其产生的线路反射等相关情况则能够大大减小。输入引脚可以耐受5.0V电压，工作的温度范围在40125，锁断性能大于250mA。2.3 MOS管组成的开关控制通道当UDS=0，且UGS=0时，栅-源电压成为开启电压UGS(th)。UGS(th)越小，则反型层就越薄，导电沟道电阻也相应变得越大。在复位的时候，处理器执行工作，GPIO引脚始终处于开路状态，在缓冲器的配合使用下，使得能端上拉至电源。这个阶段中，缓冲器以及N沟道场效应管的输出均处于开路状态。在N沟道场效应管以及外围电路的共同作用下，该系列场效应管漏源最大电压是100V，最大漏级工作电流是36A，导通电阻是0.044。2.4 霍尔式电流采集IC当电流感测通路的状态下，其主要依托于铜质电流路径，也就是说从引脚1和引脚2、到引脚3和引脚4，这一个阶段的电流状态如果持续上升，那么器件的输出就具备了正斜率，内阻是m，且功率的损耗整体情况比较低，输出灵敏度为100V/A，可以采集电流的最大限度是20A。依据手册能够明确，总电流采集误差是 ETOT1.5%，对于采集精度的要求可以合理地达到。输出敏感度为100V/A，线性的IC放大增益，有助于保障在全范围电流状态下，电流采集IC获取到的精度。如图3所示，为霍尔式电流采集IC的内部框图。2.5 分压电路对于大功率执行器而言，就其瞬态电流的最大数值为7.5V，依托霍尔式电流采集IC，如果屏蔽其他影响条件，也不考虑误差情况，则可以确定电压的范围处于2.53.25V。在后续经过分压电路之后，可以进一步转化为1.251.625V。已知，要想比较准确的把握系统故障情况，则可以观察电流现象。在通过的条件下，如果工作人员能够敏锐地观察到电流出现异常情况，且第一时间采取相关措施合理解决，则能够最大限度地减少异常对设备的持续损害。通过进一步分析能够明确，应用HI系列接口芯片可以达到离散量输出的目的，应用外围电路可以达到回采的目的。在处理器GPIO的作用下，能够有效地将控制信号给HI芯片1输出。面对不一样的离散量，不考虑其他影响因素，如果输出逻辑的电平为1，其最大的驱动力可以达到200mA，输出导通电阻为4.5，延时最小为400ns；如果数值降到了0，则漏电流小于10nA，开路阻抗超出了100k，延时最大为900ns。不管是任何一路离散量输出，其都具备了一定的过流检测功能，检测值最高为200mA。在发挥功能的过程中，通过GPIO引脚进行检测。发生过电流的时候，逻辑电平的指示显示为1。同时，其还具备了对应的状态回采功能3。该功能也是通过GPIO口对其展开结合控制，判别控制逻辑。在复位处理的时候，处理器发挥了重要作用，GPIO引脚处于开路状态，HI芯片内部控制端被下拉至地，芯片对外输出也处于开路状态。3 结语结合现实应用需求，设计并应用霍尔式高精度电流采集电路，旨在发挥其高稳定性和灵敏度，保障系统功能的安全运行。参考文献1 武旭,王林森,居鹏等.基于闭环霍尔电流传感器驱动电路的设计J.控制工程,2020,27(07):1210-1215.2 刘章旺,魏榕山.基于霍尔电流传感器的读出电路设计J.传感器与微系统,2019,38(05):74-76+79.3 赵文.基于霍尔传感器的电流监测及过流保护设计J.仪表技术,2019(02):10-12+46.图2 总线缓存器的电平转化框图图3 霍尔式电流采集 的内部框图