電流採樣霍爾傳感器裝置的製作方法

2023-05-01 09:26:46

專利名稱：電流採樣霍爾傳感器裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及電流採樣領域，特別涉及一種電流採樣霍爾傳感器裝置。
背景技術：
霍爾效應在當今科學技術的許多領域都有著廣泛的應用，如測量技術、 電子技術、自動化技術等。近年來，在對探測電流進行採樣時，也多採用利 用霍爾效應原理的霍爾傳感器裝置來進行測量。現有的用於電流採樣的霍爾 傳感器裝置包括具有通孔的導磁體和內置於該導磁體中的一個霍爾傳感器。 探測電流通過動力線穿過導磁體的通孔，會在導磁體內產生磁場，磁場加在 導磁體中的霍爾傳感器上，對霍爾傳感器的輸入端通以電流，便會在輸出端 產生霍爾電流，可以通過對霍爾電流的測量來間接的測量探測電流。
目前的霍爾傳感器裝置存在對小電流採樣時採樣精度不高、採樣精度提 高採樣範圍又過小的矛盾，在一定程度上阻礙了霍爾傳感器更大範圍的應 用。另外，為了避免產生的霍爾電流值小於零，現有的霍爾傳感器裝置大 分是雙電源供電，這種結構不但使測量裝置複雜化，同時還會增加霍爾傳感 器的成本。

發明內容
本發明針對現有技術中存在的對小電流採樣時採樣精度不高、採樣精度 提高採樣範圍又過小的矛盾，提供一種採樣精度高、採樣範圍大的電流採樣 霍爾傳感器裝置。
本發明的發明人發現，目前的霍爾傳感器裝置僅包括一個單一量程的霍 爾傳感器，所以才導致了採用大量程的霍爾傳感器對小電流採樣時，採樣精度不高，採用小量程的霍爾傳感器採樣時又會有採樣範圍過小的問題，因此， 本發明的發明人提出一種採用多量程方式的電流採樣霍爾傳感器裝置。
本發明提供一種電流採樣霍爾傳感器裝置，該裝置包括導磁體和霍爾傳 感器，導磁體為具有開口的環狀，霍爾傳感器位於該開口中，其中，所述霍 爾傳感器包括多個霍爾晶片，所述多個霍爾晶片量程不同且彼此並聯。
本發明採用了量程不同的多個霍爾晶片，這樣當檢測電流較小時可以使 用較小量程的霍爾晶片測出的電流值，而當檢測電流較大時可以使用較大量 程的霍爾晶片測出的電流值，這樣測量出的電流精度較現有技術中採用單一 量程的精度更高，在同樣的測量範圍的情況下提高採樣電流的測量精度。另 外在較小量程霍爾晶片的量程範圍內，可以對多個晶片測量的結果進行比 對，用來査找故障，提高可靠性。


圖1是導磁體與霍爾傳感器組成的導磁通路示意圖，，本發明提供的電
流採樣霍爾傳感器裝置的結構示意圖2是霍爾傳感器示意圖本發明提供的霍爾傳感器中多個霍爾晶片的 電路連接圖3是根據本發明使用霍爾傳感器裝置進行測試的示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步的說明。
本發明提供的電流採樣霍爾傳感器裝置，如圖1所示，該裝置包括導磁 體1和霍爾傳感器2，導磁體l為具有開口的環狀，霍爾傳感器2位於該開 口中，其中，所述霍爾傳感器2包括多個霍爾晶片4 (見圖2)，所述多個霍 爾晶片4量程不同且彼此並聯。該裝置還可以包括印刷電路(PCB)板(未圖示)，該印刷電路板置於 所述導磁體l的開口中，該印刷電路板用於連接多個霍爾晶片4，印刷電路 板有多個引線端子，分別為電源接線端Vcc、接地端GND、多個輸出端OUTl、 OUT2…OUTn。所述多個霍爾晶片4均勻排布在該印刷電路板上，且多個霍 爾晶片4的輸出端分別連接到所述印刷電路板的多個輸出端，多個霍爾晶片 4的輸入端和接地端分別連接到所述印刷電路板的電源接線端和接地端，多 個霍爾晶片4與印刷電路板上的各個引線端子的連接關係如圖2所示。
多個霍爾晶片4的量程可以根據待測電流的特點(如電流範圍)進行設 置，例如多個量程從小到大按照等比或等差的方式設置，但一般情況下，最 小量程與最大量程的比例大於1.5,且優選為在l: 1.5到l: 7之間，對這個 比例進行限制不會使各個量程的範圍過於接近，從而能夠體現出本發明的優 勢。以兩個霍爾晶片為例，兩個霍爾晶片的量程比可以為1: 2至1: 5之間， 如其中一個霍爾晶片的量程為400A，另一霍爾晶片的量程可以為800A。
根據本發明的一個優選實施方式，所述霍爾傳感器2由兩個霍爾晶片組 成。兩片霍爾晶片均勻排布在PCB板上，採用並聯的方式連接。從PCB板 上引出4個引線端子，分別是GND， Vcc (+5V)， OUT1 ， OUT2。其中 GND是公共端，+5￥端與0,之間的電壓為+5￥， OUT1為第一霍爾晶片 的輸出端，OUT2為第二霍爾晶片的輸出端。
兩塊霍爾晶片的量程不同，其中第一霍爾晶片的有效值是400A,量程 也是400A;第二霍爾晶片的有效值是850A，量程是800A。這樣如果動力 線中的電流小於400A就使用第一霍爾晶片讀取的採樣電流值，電流在 400A 800A之間時就使用第二霍爾晶片讀取的採樣電流值。這樣既可以保證 電流採樣霍爾傳感器2的測量範圍為800A，又能夠在小電流(<400A)情況 下提高採樣精度。
另外，在待測電流小於400A的情況下，利用兩塊霍爾晶片的測量結果
6來互相監督比較，確認對方是否輸出正確，此過程通過軟體來判斷，有利於 分析傳感器的可能失效原因，提高霍爾傳感器的可靠性。
在通過的測試電流反向時，若給霍爾晶片4的輸入端上所加的電壓方向 不變，那麼在霍爾晶片4的輸出端會產生反向的霍爾電壓， 一般情況下，這 會使霍爾電流的測量迴路中產生反向的電流，從而給測量設備帶來損害。現 有技術中多採用雙電源供電來解決這個問題。這兩個電源為相同型號的電 源，但電壓方向相反的加在霍爾晶片4的輸入端上，當探測電流正向通過時， 使用第一電源，在霍爾電流測量迴路中產生正向霍爾電流，當探測電流反向 時，使用電壓與第一電源所加電壓方向相反的第二電源，在霍爾電流測量回 路中仍會產生正向霍爾電流。但使用雙電源的霍爾傳感器會使測量裝置複雜 化，同時成本也較高。
本發明中，所述霍爾傳感器裝置還包括單電源，並且使用的多個霍爾芯 片4優選採用輸出電壓始終為0V以上的霍爾晶片，如型號為S93A的霍爾 晶片。這是因為使用這種霍爾晶片可以不必使用雙電源來使得霍爾電流反 向，而可以僅採用所述單電源對多個霍爾晶片4供電，就能正常工作。本發 明採用的霍爾晶片4在無採樣電流通過時(也就是沒有霍爾電壓產生時)輸 出端電壓不為零，在正向採樣電流通過時，產生的霍爾電壓的方向與已有輸 出電壓的方向一致，但霍爾電壓最大值不會超過已有的輸出電壓，這樣便避 免了輸出電壓的反向，使單電源供電成為了很好的選擇。單電源供電簡化了 測量裝置，同時減小了體積，縮減了成本。
在本發明的優選實施方式中，在PCB板的GND和+5V兩個端子之間加 上5V電壓。當動力線中沒有電流通過的時候，由導磁體1和霍爾傳感器2 組成的導磁通路中沒有磁場產生，輸出端0UT1和輸出端OUT2也沒有霍爾 電壓輸出，在現有技術中，輸出端的電壓一般為零。而本實施方式中，由於 採用了輸出電壓始終為0V以上的霍爾晶片4,這樣在無電流通過時，輸出
7採用了輸出電壓始終為0V以上的霍爾晶片4，這樣在無電流通過時，輸出 端0UT1和輸出端OUT2均為2.5V。若在動力線中通過與正向電流方向一 致的電流，則會產生正向霍爾電壓，輸出端電壓為2.5V 4.8V。這種情況下， 若在動力線中通過反向電流，輸出端電壓在0V 2.5V，也能夠保持為正值。
本發明中，所述導磁體1的形狀為具有開口的環形，這樣構成開環結構， 其中開口的大小以能放入霍爾傳感器2為限。開口的位置任意，但考慮到要 儘可能方便對霍爾傳感器2進行操作，開口位置優選為導磁體中曲率較小的 位置，例如圖l霍爾傳感器2所在的位置。兩個霍爾晶片焊接在同一平面的 PCB上，通孔切割的尺寸與精度有很大關係，必須與選擇霍爾晶片量程匹配 起來確定，本發明中切割的尺寸優選為5mm。
所述導磁體l一般為鐵磁性材料製成的，優選為多片疊壓的矽鋼片，導 磁性能更好，矽鋼片的數量可以為30-40片，厚度為0.2mm-0.25mm。所述 矽鋼片優選為晶粒取向一致的矽鋼片，從而單位橫切面積磁場強度高，中、 弱磁場鐵損小，不易發熱，可靠性高。所述導磁體1由所述矽鋼片通過衝壓、 鉚接而成。
本發明提供的電流採樣霍爾傳感器裝置還可以包括封裝套，該封裝套將 導磁體1和霍爾傳感器2整體密閉封裝，並封裝套上標註有正向標誌，如圖 3箭頭所示，以便於使用時按此標誌在動力線中通入正向電流。所述封裝套 可以由耐180攝氏度高溫的高分子聚合物通過壓縮成型得到。
測量時，使用者可以從多個量程輸出的霍爾電流測量值中選擇未超量程 的霍爾電流測量值，並使用其中量程最小的測量值作為輸出結果。之所以選 擇量程最小的測量值，是因為在所有正確的測量值中，量程最小的測量值精 度最高。上述過程可以是人工完成的，也可以是機器自動完成的，或者也可 以通過其它可實施的手段來實現。
根據本發明的一個優選實施方式，該裝置還可包括A/D轉換器，該A/D轉換器包括多個輸入端和一個輸出端，所述多個輸入端分別與多個霍爾晶片
4的多個輸出端連接，該A/D轉換器用於從接收到的多個霍爾電流測量值確定至少一個未滿量程的霍爾電流測量值，並從至少一個未滿量程的霍爾電流測量值中選擇量程最小的一個霍爾電流測量值，並對所選擇的霍爾電流測量值進行A/D轉換，並輸出A/D轉換後的數位訊號。
如圖3，本發明採用開環電流檢測的方式進行電流採樣。要測試的動力線3穿過導磁體1的通孔，動力線3中通過與封裝套上標註的正向標誌方向一致的待測電流，便可通過霍爾傳感器2進行測量。
本發明通過具有良好導磁性能的導磁體1，聚集探測電流產生的磁場，該磁場加在由多個不同量程的霍爾晶片4組成的霍爾傳感器2上，產生霍爾電流，通過量程的選擇，能在保證測量範圍和測量精度的條件下，實現對探測電流的間接測量。
權利要求
1.一種電流採樣霍爾傳感器裝置，該裝置包括導磁體(1)和霍爾傳感器(2)，導磁體(1)為具有開口的環狀，霍爾傳感器(2)位於該開口中，其中，所述霍爾傳感器(2)包括多個霍爾晶片(4)，所述多個霍爾晶片(4)量程不同且彼此並聯。
2. 根據權利要求1所述的霍爾傳感器裝置，其中，該霍爾傳感器裝置 還包括單電源，所述多個霍爾晶片(4)為輸出電壓始終為0V以上的霍爾芯 片，所述單電源對多個霍爾晶片(4)供電。
3. 根據權利要求l所述的霍爾傳感器裝置，其中，該霍爾傳感器(2) 還包括印刷電路板，該印刷電路板置於所述導磁體(1)的開口中，該印刷 電路板有多個引線端子，分別為電源接線端、接地端、多個輸出端，所述多 個霍爾晶片(4)均勻排布在該印刷電路板上，且多個霍爾晶片(4)的輸出 端分別連接到所述印刷電路板的多個輸出端，多個霍爾晶片(4)的輸入端 和接地端分別連接到所述印刷電路板的電源接線端和接地端。
4. 根據權利要求1所述的霍爾傳感器裝置，其中，所述多個霍爾晶片 (4)中最大量程與最小量程的比例大於1.5。
5. 根據權利要求l所述的霍爾傳感器裝置，其中，所述導磁體(1)為 多片疊壓的矽鋼片。
6. 根據權利要求5所述的霍爾傳感器裝置，其中，所述矽鋼片為晶粒 取向一致的矽鋼片。
7. 根據權利要求6所述的霍爾傳感器裝置，其中，該裝置還包括封裝套，該封裝套將導磁體(1)和霍爾傳感器(2)整體密閉封裝，並且封裝套 上標註有正向標誌。
8.根據權利要求1-7中任一項權利要求所述的霍爾傳感器裝置，其中， 該裝置還包括A/D轉換器，該A/D轉換器包括多個輸入端和一個輸出端， 所述多個輸入端分別與多個霍爾晶片(4)的多個輸出端連接，該A/D轉換 器用於從接收到的多個霍爾電流測量值確定至少一個未滿量程的霍爾電流 測量值，並從至少一個未滿量程的霍爾電流測量值中選擇量程最小的一個霍 爾電流測量值，並對所選擇的霍爾電流測量值進行A/D轉換，並輸出A/D 轉換後的數位訊號。
全文摘要
本發明涉及一種電流採樣霍爾傳感器裝置，該裝置包括導磁體(1)和霍爾傳感器(2)，導磁體(1)為具有開口的環狀，霍爾傳感器(2)位於該開口中，其中，所述霍爾傳感器(2)包括多個霍爾晶片(4)，所述多個霍爾晶片(4)量程不同且彼此並聯。所述電流採樣霍爾傳感器裝置既能夠保證電流採樣的範圍又可以提高電流採樣精度。
文檔編號G01R19/00GK101676735SQ20081016122
公開日2010年3月24日 申請日期2008年9月18日 優先權日2008年9月18日
發明者張朕清, 彭應蔥 申請人:比亞迪股份有限公司