霍尔传感器项目交流报告

1、 目目 录录12 前期工作前期工作测试与结论13 存在的问题4 后续工作2021-7-22前期工作前期工作2前期工作重点前期工作重点一一.国外霍尔表概述国外霍尔表概述七七.新型霍尔传感器芯片特性新型霍尔传感器芯片特性三三.国外霍尔表样机芯片测试国外霍尔表样机芯片测试二二.国外霍尔表样机测试国外霍尔表样机测试四四.国外霍尔表磁路设计国外霍尔表磁路设计五五.市面上霍尔传感器选型市面上霍尔传感器选型六六.霍尔传感器磁路设计霍尔传感器磁路设计2021-7-22 一.国外Hall传感器电能表概览Landis+Gyr Domestic3前期工作前期工作2021-7-22Landis+Gyr E4504前期

2、工作前期工作2021-7-22SIEMENS TD-35115前期工作前期工作2021-7-22国外霍尔电能表主要性能参数国外霍尔电能表主要性能参数6前期工作前期工作2021-7-22 二.国外霍尔电能表样机测试由于条件所限只对SIEMENS TD-3511样表及霍尔芯片进行了测试，SIEMENS TD-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SIEMENS TD-3511具有很好的线性度。7前期工作前期工作 表内表内hall传感器芯片分析传感器芯片分析 三.国外霍尔电能表样机芯片测试8

3、前期工作前期工作2021-7-229 SIEMENS TD-3511霍尔芯片测试结果如下表所示：霍尔芯片测试结果如下表所示：前期工作前期工作10从上图可得，西门子霍尔传感器从上图可得，西门子霍尔传感器S极从极从-4075的温漂为的温漂为1.8799%，N极从极从-4075的温漂为的温漂为1.5354%。在。在75时霍尔传感器线性度最差（时霍尔传感器线性度最差（S极极-1.6247%，N极极-1.2104%）。并依图中所示，）。并依图中所示，S极和极和N极线性度随温度极线性度随温度变化的曲线走势很相似，可知变化的曲线走势很相似，可知S极和极和N极具有很好的对称性。极具有很好的对称性。前期工作前期

4、工作11 西门子霍尔芯片动态范围测试：西门子霍尔芯片动态范围测试： 前期工作前期工作 从上表可以看出SIEMENS TD-3511霍尔芯片S极在010GS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1GS1700GS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7001500GS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

5、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。2021-7-2212国外霍尔电能表芯片测试国外霍尔电能表芯片测试2021-7-22四、国外样表磁路设计四、国外样表磁路设计1 1、西门子电表（、西门子电表（SIEMENS TD-3511SIEMENS TD-3511）磁路设计）磁路设计 SIEMENS TD-3511 SIEMENS TD-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磁路设计为框型聚磁环并且在中间位置有上下

6、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：所示：13前期工作前期工作2021-7-222 .兰吉尔电表（兰吉尔电表（Landis+Gyr Domestic）磁路设计磁路设计Landis+Gyr Domestic磁路采用磁路采用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。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：具体结构如下图所示：14前期工作前期工作202

7、1-7-223 .兰吉尔电表（兰吉尔电表（Landis+Gyr E450 ）磁路设计磁路设计Landis+Gyr E450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。可以说的表面有一块金属片起到对芯片的保护作用。可以说Landis+Gyr E450是是Landis+Gyr Domestic磁路设磁路设计的升级，结构更加巧妙。具体结构如下图所示：计的升级，结构更加巧妙。具体结构如下图所示：15前期工作前期工作16五、市面上的霍尔芯片五、市面上的霍尔芯片

8、5.1 A1326线性度漂移线性度漂移前期工作前期工作175.2 A1326温度特性曲线温度特性曲线 市面上霍尔芯片分析市面上霍尔芯片分析185 5.3 .3 市面典型芯片特性市面典型芯片特性 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0.05A60A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市面上霍尔芯片分析2021-7-22六、霍尔传感器磁路设计六

9、、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传统霍尔传感器磁路设计19前期工作前期工作206.2 采用采用DRV411进行闭环设计消除失调电压及漂移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。前期工作前期工作216.3 电流式霍尔传感器工作示意图（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

10、工作前期工作2021-7-226.4 平面式（平面式（IMC）霍尔传感器）霍尔传感器 平面式霍尔传感器工作示意图平面式霍尔传感器工作示意图22前期工作前期工作2021-7-22七、七、 新型霍尔传感器芯片特性新型霍尔传感器芯片特性23前期工作前期工作247.1 ACS770线性度曲线线性度曲线 前期工作前期工作257.2 ACS770温度特性曲线温度特性曲线 前期工作前期工作2021-7-227.3 MLX91208线性度曲线图线性度曲线图 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新型霍尔传感器分析262021-7-227.4 MLX91208温度特性曲线图温度特性

11、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。 前期工作前期工作272021-7-227.5 灵敏度漂移曲线灵敏度漂移曲线由上图可知91208温度漂移150ppm/。 前期工作前期工作282021-7-227.6 双量程双量程5-60A线性度曲线线性度曲线 前期工作前期工作292021-7-22 前期工作前期工作7.7 ACS770芯片屏蔽罩材料及其抗外磁干扰能力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

12、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 目目 录录12 前期工作测试与结论测试与结论313 存在的问题4 后续工作2021-7-22 测试与结论测试与结论测试对象：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。2021-7-22霍尔传感器测试项目霍尔传感器测试项目线性度测试线性度测试重复性测试重复性测试温度漂移测试温度漂移测试失调电压

13、温度漂移失调电压温度漂移 灵敏度温度漂移灵敏度温度漂移稳定性测试稳定性测试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。 测试与结论测试与结论2021-7-22 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负值逐渐增大到0变成正正值；可采用分段校表

14、；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小量程线性度测试小量程线性度测试 测试与结论测试与结论2021-7-2235 测试与结论测试与结论大量程线性度测试大量程线性度测试2021-7-22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4260A，0.051.2A。线性度测试结论线性度测试结论:整个区间0-60A，至少要分成6段来校；小量程05A范围内的误差正负两段，即0.05-1.2A,1.2-5A;大量程起

15、码要分为四个区间，5-8A,8A-26A,26A-42A，42-60A；但是小量程的0.051.2A,大量程的4260A范围内虽然误差的符号一致符号一致， 但是数值差别数值差别较大。36 测试与结论测试与结论371、重复性测试、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） 测试与结论测试与结论2021-7-2

16、2 1.2 大量程霍尔传感器重复性测试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 测试与结论测试与结论391.3 小量程霍尔传感器小量程霍尔传感器Demo板重复性测试板重复性测试注：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。 测试与结论测试与结论2021-7-221.4 大量程霍尔传感器大量程霍尔传感器Demo板重复性测试：板重复性测试：注：V0、V1和V2分别为霍尔

17、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：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屏蔽罩更加规则。40 测试与结论测试与结论412、霍尔传感器重复性结论及芯片设计要求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重复性误差差控制在500ppm500ppm以内。 测试与结论测试与结论421 1、稳定性测试稳定性测试 霍尔传感器的稳

18、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。 测试与结论测试与结论431.1 大量程霍尔传感器稳定性测试数据如下：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如上表所示，大量程霍尔传感器在6A50A范围内，随着测试电流的减范围内，随着测试电流的减小相对误差逐渐增大，误差最大可以达到小相对误差逐渐增大，误差最大可以达到1.74。 测试与结论测试与结论2021-7-221.2 小量程霍尔传感器稳定性测试数据如下：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如上表

19、所示，小量程霍尔传感器在0.05A6A范围内，随着测试电流的减小相对误差范围内，随着测试电流的减小相对误差逐渐增大，误差最大为逐渐增大，误差最大为9.8。44 测试与结论测试与结论2021-7-222 2、霍尔传感器稳定性结论及芯片设计要求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 测试与结论测试与结论2021-7-2246 测

20、试与结论测试与结论- -温漂温漂2021-7-221A,功率因素1.0时: 2号表号表温度-电流曲线图 2号表号表温度-功率误差曲线图47 测试与结论测试与结论- -温漂温漂2021-7-221A,功率因素1.0时: 3号表号表温度-电流曲线图 3号表号表温度-功率误差曲线图48 测试与结论测试与结论- -温漂温漂2021-7-22温漂结论：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

21、度的升高，同时也发生了灵敏度温度漂移。49 测试与结论测试与结论- -温漂温漂 目目 录录12 前期工作测试与结论503 存在的问题存在的问题4 后续工作2021-7-22存在的问题存在的问题1.在50mA60A范围内，传感器的线性度线性度不好，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0.9480.975A，功率波动为207.8214.4，灵灵敏度敏度与零点零点都产生了温度漂移；5.表2电流随着

22、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。这种现象是温度温度特性特性不规则，还是屏蔽罩屏蔽罩的影响，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角差；总结总结：最核心的问题在于失调电压失调电压的影响。 51 目目 录录12 前期工作测试与结论523 存在的问题4 后续工作后续工作2021-7-22后续工作后续工作- -合同内容与考核目标及责任单位合同内容与考核目标及责任单位2015年年1月月1日日2015年年3月月31日日主要内容：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

23、设计。考核目标：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年年4月月1日日2015年年6月月30日日主要内容：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：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）532021-7-222015年年7月月1日日2015年年9月月30日日主要内容：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：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年年10月月1日日2015年年12月月30日日主要内容：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：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