浮思特 | 霍尔效应传感器：非接触式电流测量的关键技术

霍尔效应由埃德温·霍尔于1879年发现，但直到数十年后技术发展才使得集成电路能够充分利用这一现象。如今，霍尔效应传感器集成电路为实现精确电流测量提供了便捷方案，同时保持被测电流路径与测量电路之间的电气隔离。

从洛伦兹力到霍尔效应

霍尔效应是洛伦兹力的延伸，后者描述了运动电荷(如电子)在磁场中受到的力。当磁场方向与电子运动方向垂直时，电子将受到一个既垂直于运动方向又垂直于磁场方向的力。

霍尔效应特指洛伦兹力作用于导体中运动电子时，导致导体两侧产生电势差(即电压)的现象。

需注意第二张示意图中的箭头表示常规电流方向，意味着电子实际运动方向与之相反。洛伦兹力方向遵循考虑电子相对于磁场运动方向的右手定则：第一张图中电子向右移动，洛伦兹力向上;第二张图中电子向左流动，洛伦兹力向下，导致负电荷在导体下边缘聚集。最终在导体上下边缘之间形成上正下负的电势差，即霍尔电压：

该公式适用于载流薄板，表明霍尔电压与导体电流强度(I)、磁场强度(B)、基本电子电荷(e)、单位体积电子数(ρ)以及薄板厚度(t)相关。

霍尔效应的实际应用

霍尔效应产生的电压相较于电路中常见的噪声、偏移和温度效应非常微弱，因此直到半导体技术进步实现了将霍尔元件与放大调理电路高度集成后，实用型霍尔传感器才得以普及。但霍尔传感器在微小电流测量方面仍存在局限。例如Allegro MicroSystems的ACS712灵敏度为185 mV/A，这意味着10mA电流仅产生1.85mV输出电压。在低噪声电路中尚可接受，但若能在电流路径中加入2Ω电阻，20mV的输出电压将显著改善测量效果。

霍尔效应适用于多种传感器应用，基于电流、磁场和电压之间这种简单关系的器件可测量位置、速度和磁场强度。本文将重点讨论通过被测电流感应磁场作用于集成霍尔元件产生霍尔电压来测量电流的器件。

优势与局限

不同霍尔电流传感器性能各异，因此难以精确概括其相较于传统电流检测技术(即在电流路径插入精密电阻并通过差分放大器测量压降)的优缺点。总体而言，霍尔传感器因其"非侵入性"和电气隔离特性而受青睐。其非侵入性体现在电流路径中无需引入显著电阻，被测电路几乎不受传感器影响。另一优势是传感器功耗极低，这对大电流测量尤为重要。

精度方面，当前霍尔传感器可实现低至1%的输出误差。虽然精心设计的电阻式电流检测电路可能超越此指标，但对于霍尔器件特别适用的大电流/高电压应用，1%精度通常已足够。

霍尔传感器的局限性包括有限频率范围和高成本。ACS712内部带宽为80kHz，美莱斯的MLX91208作为"宽带"器件标称可达250kHz，而采用高速放大器的电阻式检测电路可实现MHz级工作频率。此外如前所述，霍尔效应在微小电流测量方面存在固有局限。

电气隔离特性

霍尔传感器的主要优势之一是电气隔离(在电路系统设计中常称为 galvanic isolation)。当设计需要两个电路在避免直接电流流动的情况下通信时，就会用到这种隔离原理。典型应用如通过光耦传输数字信号，将电压脉冲转换为光脉冲实现光学而非电学数据传输。实施电气隔离的首要原因是为了消除地环路相关问题：

基础电路设计假设互连元件共享零电位地节点，但现实中"地节点"由具有非零电阻的导体构成，这些导体作为电流返回电源的路径。根据欧姆定律，电流与电阻会产生电压，导致系统中不同位置的"地"电位存在差异。这种地电位差可能引发从轻微到严重的一系列问题。

通过阻断电路间直接电流，电气隔离使不同地电位的电路能成功通信。这对电流检测应用尤为关键：例如低压传感器和处理电路可能需要监测电机驱动电路中的大电流波动，这些快速变化的电流会在返回路径中产生显著电压波动。霍尔传感器既能监测驱动电流，又能保护高精度传感电路免受有害地电位波动影响。

共模电压处理

霍尔传感器的另一重要应用是高压电流测量。在电阻式检测电路中，差分放大器测量电阻两端的电压差，但当这些电压相对于地电位过高时会出现问题：

实际放大器的"共模范围"有限，当输入电压(尽管彼此差值很小)相对于地电位过高时将无法正常工作。电流检测放大器的共模范围通常不超过80-100V。而霍尔传感器无需参考被测电路地电位即可实现电流-电压转换，因此只要电压不造成物理损坏，共模电压不会影响霍尔器件工作。