利用霍爾效應(yīng)磁傳感器測(cè)量智能家居中的功率

測(cè)量功率正在成為智能家居中越來(lái)越重要的元素。推出智能電網(wǎng)和智能電表的成本應(yīng)該通過(guò)節(jié)省電力成本來(lái)彌補(bǔ)，但目前還沒(méi)有簡(jiǎn)單的方法來(lái)進(jìn)行測(cè)量。智能網(wǎng)絡(luò)還希望識(shí)別作為主要功率的設(shè)備，以便最小化電流消耗，減少賬單并在公用電網(wǎng)上分散負(fù)載。

測(cè)量功率的一個(gè)關(guān)鍵因素是傳感器，霍爾效應(yīng)磁傳感器的位置理想，可提供用戶(hù)和公用設(shè)施所需的信息。這些傳感器在過(guò)去幾年中一直在悄然發(fā)展，轉(zhuǎn)向標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝技術(shù)并集成鐵磁元件和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器?，F(xiàn)在，智能網(wǎng)絡(luò)的前進(jìn)步驟將這些傳感器連接到無(wú)線收發(fā)器和可選的微控制器，以將數(shù)據(jù)發(fā)送回中央集線器。然后，可以在家中本地檢查數(shù)據(jù)以識(shí)別電力使用，或匿名匯總以提供關(guān)于區(qū)域中的電力使用的準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)。

霍爾效應(yīng)傳感器

Melexis MLX91205電流傳感器是基于霍爾效應(yīng)的單軸磁場(chǎng)傳感器。它是CMOS霍爾電路和薄鐵磁集中器的集成組合。 CMOS電路包含兩對(duì)霍爾元件，其靈敏度方向與芯片表面平行。鐵磁集中器放大外部磁場(chǎng)并將其集中在霍爾元件上，以便為功率測(cè)量提供更大的規(guī)模。這使得它適用于交流和直流電流，產(chǎn)生與施加的磁場(chǎng)平行于芯片表面成比例的模擬，線性，比率輸出電壓。

圖1 ：Melexis MLX91205電流傳感器顯示霍爾電路和鐵磁集中器。

該電路采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制造，鐵磁層采用簡(jiǎn)單的后處理步驟。該單片器件集成了霍爾元件，偏移消除電路，電流源，斬波穩(wěn)定放大電路和參數(shù)編程功能。

通過(guò)使用動(dòng)態(tài)偏移消除，可以降低由溫度變化，封裝應(yīng)力等引起的任何偏移電壓。因此，該器件具有極其穩(wěn)定的信號(hào)輸出，不受機(jī)械應(yīng)力的影響，幾乎不受溫度循環(huán)的影響。這提供了廣泛的應(yīng)用范圍和非常高的精度。與其他線性霍爾傳感器不同，MLX91205可測(cè)量與芯片表面平行的磁場(chǎng)，非常適用于PCB上的開(kāi)環(huán)電流檢測(cè)以及電表或設(shè)備。它具有小尺寸應(yīng)用設(shè)計(jì)和適用于各種電流范圍的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。

快速響應(yīng)時(shí)間和高帶寬意味著該傳感器適用于非接觸式，高電流，高電壓設(shè)置中的高速電流測(cè)量。有兩種不同的產(chǎn)品版本可供選擇。 91205HB的線性磁場(chǎng)范圍為±25 mT，91205LB的線性范圍為±10 mT。 HB指的是高磁場(chǎng)，而LB指的是低磁場(chǎng)范圍。

圖2：使用MLX91205電流傳感器測(cè)量低(頂部)，中(中)和高(底部)電流。

低電流測(cè)量，最高±2 A

MLX91205可以通過(guò)傳感器周?chē)木€圈增加磁場(chǎng)來(lái)測(cè)量低電流。測(cè)量的靈敏度(輸出電壓與線圈中的電流)將取決于線圈的大小和匝數(shù)，但是通過(guò)在線圈周?chē)砑悠帘慰梢垣@得額外的靈敏度和對(duì)外部場(chǎng)的增強(qiáng)的抗擾度。線軸提供非常高的介電隔離，使其成為具有相對(duì)低電流的高壓電源的合適解決方案。應(yīng)對(duì)輸出進(jìn)行縮放，以獲得要測(cè)量的最高電流的最大電壓，以獲得最佳精度和分辨率。

中等電流高達(dá)±30 A

如果PCB上有單根導(dǎo)線，則可以測(cè)量高達(dá)30安培的電流。 PCB走線的尺寸需要考慮電流處理能力和總功耗。 PCB走線需要足夠厚且足夠?qū)?，以便連續(xù)處理RMS電流。

此配置的差分輸出電壓可近似為VOUT = typ。 35 - 40 mV/A * I.這表明，對(duì)于30 A的電流水平，輸出約為1050 mV。

高達(dá)±600 A的高電流測(cè)量

另一種測(cè)量PCB上高電流的方法是使用大而厚的銅線，能夠在PCB的另一側(cè)傳輸電流。 MLX91205應(yīng)位于跡線中心附近;但是，由于跡線很寬，輸出對(duì)PCB上的位置不太敏感。由于導(dǎo)體的距離和寬度，該配置也具有較低的靈敏度。

在許多應(yīng)用中，91205的輸出電壓是通過(guò)微控制器測(cè)量的。在應(yīng)用中組裝91205之后，通過(guò)校準(zhǔn)系統(tǒng)可以顯著提高電流傳感器系統(tǒng)的精度。通過(guò)施加已知電流，例如在100A時(shí)，微控制器的輸出電壓可以校準(zhǔn)到精確值，即100A時(shí)的2.000V。這樣可以在一定溫度下簡(jiǎn)單地校準(zhǔn)偏移和靈敏度。

圖3：MLX91205電流傳感器的單端輸出。[!--empirenews.page--]

傳感器可以在單端模式下使用，如圖3所示，A_out兩端的電壓決定了電流。然后，它連接到集成到低成本微控制器和RF收發(fā)器中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，例如Silicon Labs的Si1013。 12位ADC捕獲電壓并將電壓值傳送到MCU寄存器，收發(fā)器可以訪問(wèn)它。該收發(fā)器工作在240-960 MHz ISM頻段，使其具有較長(zhǎng)的家庭范圍和較低的功耗。然后可以遠(yuǎn)程輪詢(xún)?cè)撝?，或者通過(guò)無(wú)線收發(fā)器作為智能家庭網(wǎng)絡(luò)的一部分發(fā)送該值。

使用圖4中的差分輸出，電流值是A_out和CO_out上的電壓之差。同樣，這兩條線可以鏈接到微控制器中的ADC，以便為網(wǎng)絡(luò)提供價(jià)值。使用差分輸出消除了可能使單端輸出波動(dòng)的噪聲影響。如果電源電壓受到EMI噪聲干擾，則將第二個(gè)電容(100 pF陶瓷)與100 nF電容并聯(lián)可能很有用。

圖4：MLX91205電流傳感器的差分輸出。

其他集成收發(fā)器工作在2.4 GHz頻段，使用ZigBee等協(xié)議在家中提供智能網(wǎng)絡(luò)。德州儀器(TI)的CC2531等器件集成了一個(gè)8通道，12位Σ-Δ型ADC，以及一個(gè)8位微控制器和2.4 GHz前端。這針對(duì)ZigBee協(xié)議以及低功耗的智能照明和其他智能家庭網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化。

使用IPv4的當(dāng)前ZigBee實(shí)現(xiàn)允許網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)連接家庭中的設(shè)備，將它們鏈接回中央集線器。然后可以通過(guò)因特網(wǎng)訪問(wèn)該集線器以顯示這些設(shè)備的能量使用，突出顯示由集成電流傳感器實(shí)現(xiàn)的成本節(jié)省的使用模式和機(jī)會(huì)。下一代ZigBee無(wú)線設(shè)備將支持IPv6協(xié)議。這將允許直接從因特網(wǎng)訪問(wèn)設(shè)備，但仍然需要集線器，因?yàn)閆igBee節(jié)點(diǎn)的范圍是有限的。這可以簡(jiǎn)化中央集線器的設(shè)計(jì)，并降低智能家居系統(tǒng)的推出成本。

家用消費(fèi)類(lèi)設(shè)備

對(duì)于消費(fèi)類(lèi)設(shè)備，Allegro ACS711為《100 V音頻，通信系統(tǒng)和白色家電中的交流或直流電流感應(yīng)提供經(jīng)濟(jì)，精確的解決方案。器件封裝允許輕松實(shí)現(xiàn)電路保護(hù)和電流監(jiān)控。

該器件由線性霍爾傳感器電路組成，銅導(dǎo)電路徑位于芯片表面附近。流過(guò)該銅導(dǎo)電路徑的施加電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)由集成霍爾IC感測(cè)并轉(zhuǎn)換成比例電壓。通過(guò)磁信號(hào)與霍爾傳感器的緊密接近，優(yōu)化了器件精度。

圖5：ACS711霍爾效應(yīng)電流傳感器，顯示溫度補(bǔ)償和信號(hào)恢復(fù)。

器件的輸出具有與從IP +到IP-(引腳1和2，圖6中的引腳3和4)的電流成正比的正斜率。該封裝的內(nèi)部電阻對(duì)于EX封裝為0.6mΩ，對(duì)于LC封裝為1.2mΩ，提供非侵入式測(cè)量接口，可在需要高能效的智能家居應(yīng)用中節(jié)省功耗。這在LC封裝上提供±12.5 A和±25 A滿(mǎn)量程感應(yīng)范圍，在EX封裝上提供±15.5 A和±31 A滿(mǎn)量程感應(yīng)范圍。

圖6：ACS711輸出模擬信號(hào)VIOUT，該信號(hào)在指定范圍內(nèi)與雙向AC或DC初級(jí)電流IP線性變化。當(dāng)IP達(dá)到其滿(mǎn)量程電流的±100%時(shí)，F(xiàn)AULT引腳跳閘。

ACS711針對(duì)低端電流檢測(cè)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，但導(dǎo)電路徑的端子與傳感器IC引線電氣隔離，為低交流或直流工作電壓應(yīng)用提供足夠的內(nèi)部爬電距離和間隙尺寸。銅導(dǎo)體的厚度允許器件在高達(dá)5倍的過(guò)流條件下存活，從而在浪涌情況下得到保護(hù)。 ACS711采用小型表貼封裝SOIC8和QFN12封裝，可輕松安裝在消費(fèi)類(lèi)設(shè)備中，無(wú)需外部檢測(cè)電阻，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

比例電流測(cè)量

某些器件采用不同的架構(gòu)，更適合將模數(shù)轉(zhuǎn)換添加到器件中，允許數(shù)字輸出直接由片上系統(tǒng)收發(fā)器使用有一個(gè)集成的微控制器，如Silicon Labs的Si1013。這使得ADC可以自由地從設(shè)備中的其他傳感器獲取數(shù)據(jù)，并增強(qiáng)智能網(wǎng)絡(luò)在家庭中的作用。

英飛凌的TLE4997霍爾效應(yīng)IC專(zhuān)為電流測(cè)量應(yīng)用而設(shè)計(jì)。傳感器提供比例模擬輸出電壓，非常適合以電源電壓為參考的模數(shù)轉(zhuǎn)換。采用16位DSP架構(gòu)和數(shù)字溫度補(bǔ)償?shù)臄?shù)字信號(hào)處理可確保長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性，最小總體分辨率為12位，盡管某些內(nèi)部級(jí)的分辨率最高可達(dá)20位。

該IC采用BiCMOS技術(shù)制造，具有高電壓能力，并提供反極性保護(hù)。在該器件中，磁通量由霍爾效應(yīng)單元測(cè)量，輸出由DSP從模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字。短路霍爾效應(yīng)單元和連續(xù)時(shí)間A至D轉(zhuǎn)換提供非常低且穩(wěn)定的磁偏移，而可編程低通濾波器可降低噪聲。使用ADC方法，可以測(cè)量溫度并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式，以便使用二階函數(shù)以數(shù)字方式處理溫度補(bǔ)償。

圖7：內(nèi)置DSP和數(shù)字轉(zhuǎn)換的TLE4997霍爾效應(yīng)傳感器

這種方法的優(yōu)點(diǎn)意味著輸出電壓范圍可以是由數(shù)字限幅器鉗位并與電源電壓成比例(比率DAC)。板載診斷(OBD)電路在出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)將輸出連接到VDD或GND。然后，收發(fā)器可以通過(guò)數(shù)字通用I/O引腳直接使用輸出，作為家庭智能網(wǎng)絡(luò)的一部分。

結(jié)論

將電流傳感器放置在智能家居中潛在的功耗源附近，可以在功率測(cè)量中提供更高的粒度。通過(guò)帶有IPv4的集線器或直接使用IPv6將這些傳感器連接到網(wǎng)絡(luò)，可以訪問(wèn)更多有關(guān)實(shí)際情況的數(shù)據(jù)。分析該數(shù)據(jù)為公用事業(yè)公司及其客戶(hù)提供了關(guān)于使用多少電力，何時(shí)以及在何處使用的關(guān)鍵信息。這提高了使用意識(shí)，并使消費(fèi)者能夠降低功耗和費(fèi)用。它還允許公用事業(yè)公司更有效地安排發(fā)電和交付，以降低成本。