霍尔传感器项目交流报告 PPT课件

0 基于霍尔传感器的用电信息采集芯片关键技术研究 1 目录 1 2 前期工作 测试与结论 1 3 存在的问题 4 后续工作 2 2020 4 14 前期工作 2 前期工作重点 一 国外霍尔表概述 七 新型霍尔传感器芯片特性 三 国外霍尔表样机芯片测试 二 国外霍尔表样机测试 四 国外霍尔表磁路设计 五 市面上霍尔传感器选型 六 霍尔传感器磁路设计 3 2020 4 14 一 国外Hall传感器电能表概览 Landis GyrDomestic 3 前期工作 4 2020 4 14 Landis GyrE450 4 前期工作 5 2020 4 14 SIEMENSTD 3511 5 前期工作 6 2020 4 14 国外霍尔电能表主要性能参数 6 前期工作 7 2020 4 14 二 国外霍尔电能表样机测试 由于条件所限只对SIEMENSTD 3511样表及霍尔芯片进行了测试 SIEMENSTD 3511合相误差为 0 26 0 31 A相误差为 0 31 0 3 B相误差为 0 47 0 38 C相误差为 0 47 0 07 可见SIEMENSTD 3511具有很好的线性度 7 前期工作 8 表内hall传感器芯片分析 三 国外霍尔电能表样机芯片测试 8 前期工作 9 2020 4 14 9 SIEMENSTD 3511霍尔芯片测试结果如下表所示 前期工作 10 10 从上图可得 西门子霍尔传感器S极从 40 75 的温漂为1 8799 N极从 40 75 的温漂为1 5354 在75 时霍尔传感器线性度最差 S极 1 6247 N极 1 2104 并依图中所示 S极和N极线性度随温度变化的曲线走势很相似 可知S极和N极具有很好的对称性 前期工作 11 11 西门子霍尔芯片动态范围测试 前期工作 12 从上表可以看出SIEMENSTD 3511霍尔芯片S极在0 10GS磁场条件下测试结果并不是很理想 其灵敏度误差达到了9 以上并且在5GS时达到了20 而在磁场强度大于10GS时 芯片具有较好的线性度 灵敏度误差小于3 2 而N极在1GS 1700GS条件下均具有很好的线性度 最大灵敏度误差为5 8 此测试结果显示此霍尔芯片仅仅在磁场为700 1500GS范围可以满足2级表的线性度要求 然而要实现5 60 A的检测范围是不可能做到的 因此分析有可能是设计者通过磁路设计或者软件补偿的方法来实现宽范围内的电流检测 霍尔可能是因为测试时是将霍尔芯片和聚磁环分离测试的 因此有可能影响到了它的性能 因此而使动态范围不能达到 或者是由于此次芯片测试是交由第三方测试的 因此也不能排除误差是人为引起的 2020 4 14 12 国外霍尔电能表芯片测试 13 2020 4 14 四 国外样表磁路设计 1 西门子电表 SIEMENSTD 3511 磁路设计SIEMENSTD 3511磁路设计为框型聚磁环并且在中间位置有上下凸起 巧妙的使用框形聚磁环将进出电流产生的磁场聚集到了霍尔芯片上 具有很好的聚磁效果 但是由于工艺复杂成本较高 具体结构如下图所示 13 前期工作 14 2020 4 14 2 兰吉尔电表 Landis GyrDomestic 磁路设计 Landis GyrDomestic磁路采用C型聚磁环对霍尔芯片进行聚磁 工艺简单 安装方便 成本相对较低 具体结构如下图所示 14 前期工作 15 2020 4 14 3 兰吉尔电表 Landis GyrE450 磁路设计 Landis GyrE450磁路设计结构为将霍尔芯片嵌入到一个卡槽中 卡槽起到聚磁作用 并且在霍尔芯片的表面有一块金属片起到对芯片的保护作用 可以说Landis GyrE450是Landis GyrDomestic磁路设计的升级 结构更加巧妙 具体结构如下图所示 15 前期工作 16 16 五 市面上的霍尔芯片5 1A1326线性度漂移 前期工作 17 17 5 2A1326温度特性曲线 市面上霍尔芯片分析 18 18 5 3市面典型芯片特性 注 温漂为各芯片在整个温度范围内的温度漂移误差 表格中所选芯片型号均为各供应商结合要求推荐的芯片 对于线性霍尔传感器 如要求检测0 05A 60A电流 需要霍尔传感器达到1 1200的动态检测范围 而目前市面上的线性霍尔传感器无法达到此动态范围 并且线性霍尔芯片的线性度以及温漂都不太理想 因此使用线性霍尔无法满足电能表计量要求 市面上霍尔芯片分析 19 2020 4 14 六 霍尔传感器磁路设计 如上图所示 在检测过程中由于电流产生的磁场强度比较小 传统式霍尔传感器在使用中必须和聚磁环配合使用 6 1传统霍尔传感器磁路设计 19 前期工作 20 20 6 2采用DRV411进行闭环设计消除失调电压及漂移通过采用DRV411可以将霍尔传感器失调电压降至uV级 但是聚磁环模块设计较复杂 前期工作 21 21 6 3电流式霍尔传感器工作示意图 ACS770 测量电流时由于电流是从芯片引脚流入 不需要加聚磁设计 但是其本身抗磁干扰能力不是很好 因此需要进行抗磁干扰磁路设计 如上图右所示 前期工作 22 2020 4 14 6 4平面式 IMC 霍尔传感器平面式霍尔传感器工作示意图 22 前期工作 23 2020 4 14 七 新型霍尔传感器芯片特性 23 前期工作 24 24 7 1ACS770线性度曲线 前期工作 25 25 7 2ACS770温度特性曲线 前期工作 26 2020 4 14 7 3MLX91208线性度曲线图由上图可知在 100A范围内非线性度小于0 4 新型霍尔传感器分析 26 27 2020 4 14 7 4MLX91208温度特性曲线图失调电压漂移曲线由图可知91208的失调电压在 40 120 温度范围内为 0 2 VDD 前期工作 27 28 2020 4 14 7 5灵敏度漂移曲线由上图可知91208温度漂移 150ppm 前期工作 28 29 2020 4 14 7 6双量程 5 60A线性度曲线 前期工作 29 30 2020 4 14 前期工作 7 7ACS770芯片屏蔽罩材料及其抗外磁干扰能力 如上表中所示 采用双边20mil厚的HYMu制作屏蔽罩具有最好的抗磁干扰能力 电流式霍尔传感器由于灵敏度不可调并且具有较高的失调电压导致检测动态范围较小 因此无法满足电能表电流计量的要求 ACS770霍尔芯片 当电流检测范围为 60A时 灵敏度为20mV A 失调电压为 10mV 然而0 05A对应输出为1mV 小于10mV 因此使用此霍尔传感器无法实现5 60 A的电能检测 30 31 目录 1 2 前期工作 测试与结论 31 3 存在的问题 4 后续工作 32 2020 4 14 测试与结论 测试对象 为了获得所需要的动态范围 采用如右图所示的大 小量程两块霍尔传感器芯片MLX91208 系统架构如下图所示 33 2020 4 14 霍尔传感器测试项目 线性度测试 重复性测试 温度漂移测试 失调电压温度漂移灵敏度温度漂移 稳定性测试 33 测试方法 台体加不同的电流 记录电表测得的电流值 测试方法 台体加不同的电流 通过传感器自带的编程器 观察记录传感器输出的电压值 计算电压中心值 得到中心偏移和误差 测试方法 台体加不同的电流 通过6位半数字万用表观察记录加到计量芯片的端口电压 计算端口电压的相对误差 测试方法 以5 为间隔 调节温箱温度从 40 到70 进行温度循环 在1A和30A情况下 分别记录电表测量的电流值 测试与结论 34 2020 4 14 W1 大量程来测 从表中可以看出 小量程霍尔传感器相对误差由负值逐渐增大到0变成正值 可采用分段校表 但是在正值和负值段的误差一致性又不是很好 特别是0 05 1A段 34 小量程线性度测试 测试与结论 35 2020 4 14 35 测试与结论 大量程线性度测试 36 2020 4 14 从上表可以看出 大量程霍尔传感器5 8A 8 26A 26A 42A区间内的误差一致性良好 但是在42 60范围内的误差一致性很差 有没有可能通过校正传感器的方式 优化测试电流范围的头尾的误差一致性 即42 60A 0 05 1 2A 线性度测试结论 整个区间0 60A 至少要分成6段来校 小量程0 5A范围内的误差正负两段 即0 05 1 2A 1 2 5A 大量程起码要分为四个区间 5 8A 8A 26A 26A 42A 42 60A 但是小量程的0 05 1 2A 大量程的42 60A范围内虽然误差的符号一致 但是数值差别较大 36 测试与结论 37 37 1 重复性测试当霍尔芯片重复上电时 输出电压中心点存在偏移 此即霍尔传感器重复性 又为重复性误差 1 1小量程霍尔传感器重复性测试注 电压中心值VC Vmax Vmin 2 中心偏移 VC VC2 VC1 误差 VC VC1 标表红部分输出电压与后续P26温度 电流表格中某一温度点的1mA电流变化对应 测试与结论 38 2020 4 14 1 2大量程霍尔传感器重复性测试注 电压中心值VC Vmax Vmin 2 中心偏移 VC1 VC1 VC0 中心偏移 VC2 VC2 VC0 误差 1 VC1 VC0 2 VC2 VC0 38 测试与结论 39 39 1 3小量程霍尔传感器Demo板重复性测试注 V0 V1和V2分别为霍尔传感器三次重新上电后测得电压值 重复性误差 1 V1 V0 V0 2 V2 V0 V0 测试与结论 40 2020 4 14 1 4大量程霍尔传感器Demo板重复性测试 注 V0 V1和V2分别为霍尔传感器三次重新上电后测得电压值 重复性误差 1 V1 V0 V0 2 V2 V0 V0 结论 1 3 1 4与1 1 1 2检测结果存在较大差异 是由于它们的屏蔽罩更加规则 40 测试与结论 41 41 2 霍尔传感器重复性结论及芯片设计要求由于开环霍尔传感器每次重新上电时 检测电压中心点发生偏移 使得霍尔传感器存在重复性误差 从而使得每次上电后需要对电能表重新校表 若要使霍尔芯片符合1级电能表计量要求 应该使芯片的重复性误差控制在500ppm以内 测试与结论 42 42 1 稳定性测试霍尔传感器的稳定性指的是在温度 检测电流和其它外界条件不变的情况下霍尔芯片输出存在波动性不规则变化 其输出结果不稳定 直接影响了霍尔传感器的检测精度 测试与结论 43 43 1 1大量程霍尔传感器稳定性测试数据如下 如上表所示 大量程霍尔传感器在6A 50A范围内 随着测试电流的减小相对误差逐渐增大 误差最大可以达到1 74 测试与结论 44 2020 4 14 1 2小量程霍尔传感器稳定性测试数据如下 如上表所示 小量程霍尔传感器在0 05A 6A范围内 随着测试电流的减小相对误差逐渐增大 误差最大为9 8 44 测试与结论 45 2020 4 14 2 霍尔传感器稳定性结论及芯片设计要求 由于开环霍尔传感器存在失调电压 从而使得霍尔传感器输出存在不稳定性波动 如果失调电压过大 将会使得失调电压 有效电压的比值降低 影响其电流检测精度 并且会使霍尔传感器电流检测动态范围变小 若要使霍尔芯片符合1级电能表计量要求 应该使霍尔芯片的失调电压差控制在10mv以内 45 测试与结论 46 2020 4 14 46 测试与结论 温漂 47 2020 4 14 1A 功率因素1 0时 2号表温度 电流曲线图2号表温度 功率误差曲线图 47 测试与结论 温漂 48 2020 4 14 1A 功率因素1 0时 3号表温度 电流曲线图3号表温度 功率误差曲线图 48 测试与结论 温漂 49 2020 4 14 温漂结论 从上两页的温度 电流 温度 功率曲线来看 功率因素1 0时 霍尔传感器的电流精度直接决定了功率误差 功率因素0 5L时 温度可能对电流的相位产生影响 可能要进行角差补偿 从温度 电流测试数据表格来看 40 以上温度值时 发生了零点漂移 随着温度的升高 同时也发生了灵敏度温度漂移 49 测试与结论 温漂 50 目录 1 2 前期工作 测试与结论 50 3 存在的问题 4 后续工作 51 2020 4 14 存在的问题 1 在50mA 60A范围内 传感器的线性度不好 不利于校表 2 在25 校表到电流I 1A 重复上电后运行电流为0 999A 重复性不好 3 加1A电流 外界条件不变情况下 由于失调电压的影响产生1mA电流波动 稳定性不好 4 50 以后 电流和功率波动较大 如70 时补偿前电流0 948 0 975A 功率波动为207 8 214 4 灵敏度与零点都产生了温度漂移 5 表2电流随着温度的升高而一直变大 但表3的电流随着温度的升高先变大又变小 这种现象是温度特性不规则 还是屏蔽罩的影响 有待进一步验证 6 温度对电流相位的影响有待验证 即是否需要补偿角差 总结 最核心的问题在于失调电压的影响 51 52 目录 1 2 前期工作 测试与结论 52 3 存在的问题 4 后续工作 53 2020 4 14 后续工作 合同内容与考核目标及责任单位 2015年1月1日 2015年3月31日主要内容 霍尔传感芯片芯片初步成型流片 基于专用电能计量算法的用电信息采集模块的研究 基于用电信息采集芯片的电能表的方案设计 考核目标 基于霍尔芯片的电量信息获取平台 责任单位 上海交通大学 完成霍尔芯片的第一次流片 责任单位 上海交通大学 珠海中慧微电子有限公司 申请专利1项 责任单位 上海交通大学 2015年4月1日 2015年6月30日主要内容 霍尔传感芯片性能测试 霍尔传感芯片长期稳定性 线性度研究 基于用电信息采集芯片的电能表的软硬件实现 考核目标 基于用电量信息采集芯片的电能表框架 责任单位 上海交通大学 投稿论文1篇 责任单位 上海交通大学 申请专利1项 责任单位 上海交通大学 53 54 2020 4 14 2015年7月1日 2015年9月30日主要内容 霍尔传感芯片设计改进及流片测试 基于用电信息采集芯片的电能表的测试 考核目标 完成霍尔芯片第二次流片及测试 责任单位 上海交通大学 珠海中慧微电子有限公司 投稿论文1篇 责任单位 上海交通大学 2015年10月1日 2015年12月30日主要内容 用电信息采集芯片计量算法优化 基于用电信息采集芯片的电能表的测试与优化考核目标 基于霍尔芯片的电量信息获取平台 责任单位 上海交通大学 珠海中慧微电子有限公司 基于霍