减少使用铁磁芯的电流传感器 IC 的磁滞
作者： Allegro MicroSystems, LLC
Georges El Bacha、Shaun Milano 和 Jeff Viola
简介
Allegro ACS758CB 和 ACS770CB 系列等传统开环电流传感器 IC，都采用铁磁芯作为磁力集中器。磁芯可以集中通过导体流入霍尔效应传感器 IC 的电流产生的磁通密度（B 场），如图1 所示。
图 1：使用霍尔传感器 IC 和磁芯感测电流
霍尔效应传感器 IC 采用霍尔元件，即可以将垂直于霍尔元件的 B 场转换为电压的传感器。霍尔传感器的电压与 B 场成正比。B 场也与导线中的电流大小成比例，因此霍尔传感器输出电压与流经导线的电流大小成正比。这样就可以利用霍尔效应传感器和集中磁芯制造出很精确的电流传感器。
如果没有磁芯，导体周围的 B 场会很小，而且很难准确测量。磁芯可以将磁场放大至少 20 倍，因此在提高传感器精度和分辨率方面很有价值。以这种方式测量电流还有其他优势，例如可以隔离电流、功率损失低且发热量低。使用铁磁材料的唯一缺点就是磁芯会产生磁滞。
什么是磁滞？
我们可以通过取一片磁芯材料并生成 B-H 曲线来测量磁滞。首先将外部磁场 (H) 施加到材料上，接着测量材料内的磁通量密度 (B)。一系列永磁体或硬磁化材料的曲线如下图 2 所示。永磁体不用做磁芯，但是可以帮助说明磁滞的工作情况。施加大磁场时，磁性材料会被磁化；当磁场 (H) 消除时，材料周围含有磁通量密度 (B) 的永磁场（如图 2 所示）。
永磁体产生的磁场不仅仅取决于材料，同时还取决于磁化的强度。换言之，该磁场取决于在磁化过程中施加了多少 H 场。通过施加不同的磁化场 (H)，可以按照图 2 所示生成一系列曲线。
图 2：B 与 H 系列曲线
铁磁材料是可以磁化或吸引永磁体的材料，它们具有很高的导磁率，且所有铁磁材料都有和磁场同时存在的磁畴（请参阅图 3）。松散分布的磁畴在施加的磁场消除后恢复到随机分布的方向。这些材料称为软磁化材料，是用做磁芯的理想材料。并非所有磁畴都会恢复到随机方向，这也是材料成为轻微磁化材料的方法。这就是所谓的“剩磁”和材料的磁滞。永磁磁畴仍然锁定在与磁化场相同的方向，因此是“硬磁化”材料。
在为电流感测应用选择磁芯材料时，建议选择软磁化铁磁材料，如图 3 和 4 所示。
图 3：磁畴
图4：软磁化和硬磁化 B 与 H 环
当霍尔电流传感器 IC 置于磁芯间隙中且没有电流通过时，器件输出电压读数应为零安培。磁芯中的磁滞会在电流通过导线后仍然保持磁场，因为电流会产生施加场，并将磁芯材料磁化。电流不再流动时，根据磁芯材料的磁化水平，霍尔传感器将测量非零电流。这样会导致零安培读数产生一些误差，因此不可取。
软磁化和硬磁化材料
Allegro CA/CB 封装电流传感器 IC 采用软磁化铁磁芯材料。这些软磁化材料的剩磁或磁滞要少很多。为了以示例的方式解释，我们使用最常见的通用碳素钢 1020 钢。在热轧状态下，1020 钢可以轻松保持 30 高斯 (G) 的磁通量，在冷轧状态下的数值会更高。Allegro CB 封装中使用的 SiFe 材料大约可以保持 2 G。因此这种材料是电流感测磁芯的理想材料，可以尽量降低霍尔传感器的零电流输出误差。
ACS758CB 电流传感器的磁滞效应
ACS758CB 静态输出电压 (VOUTQ ) 是指一次电流为零时电流传感器 IC 的输出。双向器件名义上可以保持在 VCC ⁄ 2。VCC = 5 V 转换为理想 VOUTQ = 2.5 V。
如前所述，电流传感器 IC 内的磁芯的剩磁会影响电流施加到传感器后的 VOUTQ 水平。下述惯例将用于其余的内容。
- 静态输出正电压 (VOUTQP)：”最大正“施加电流流入电流传感器 IC 并减少至 0 A 后测量得出的输出电压
- 静态输出负电压 (VOUTQN)：”最大负“施加电流流入电流传感器 IC 并减少至 0 A 后测量得出的输出电压
- 理想的静态输出电压 (VOUTQI)：VOUTQP 和 VOUTQN 的平均值，其中最高正电流和最高负电流大小相等。
图 5：Allegro CA/CB 封装电流传感器 IC
图 6 显示了不同电流脉冲施加到 ACS758LKCB-150B (150 A 双向型传感器) 后的静态输出电压。每次电流降低到 0 A 后，将记录电流传感器 IC 输出。测量过程中施加的最大电流将设置为 ±130 A。要生成这些图，要向传感器 [1] 施加 130 A 脉冲，接着施加范围在 -3 A [2] 到 -130 A [3] 的负电流脉冲。接着施加一系列范围在 3 A [4] 到 130 A [5] 的正电流脉冲。以 90 A [6] 和 50 A [7] 的最大电流振幅重复进行类似的测量。
ACS758 磁芯的剩磁使 VOUTQ 发生变化，取决于注入电流的大小和极性。130 A 磁滞环（最外部的绿色曲线）的最大 VOUTQP 为 2.5032 V (130 A 脉冲后) 且最小 VOUTQN 为 2.4932 V (-130 A 脉冲后)，其中间点 VOUTQI 为 2.4982 V。VOUTQI 的差值为 10 mV 或 ±5 mV。
150 A 双向传感器的灵敏度为 13.3 mV/A，由此得出的磁偏移量或磁滞为 5 mV/13.3 mV/A = ±375.9 mA，它仅为测量过程中施加 130 A 最高电流的 0.289%。通常 ACS758CB 的磁偏移量为 ±250 mA。在本示例中也使用了磁偏移量更大的器件来说明接近最坏的境况。
ACS758 150 A 双向磁滞环
图 6:ACS758 系列磁滞图
如何减少磁滞？
方法 1
最简单的方式是将磁滞的峰峰值减少一半。这可以通过施加最高正和负施加电流，记录 VOUTQP 和 VOUTQN 并计算 VOUTQI 来完成。VOUTQI 应储存在系统内存中，并作为预计的零电流输出电压（请参阅图 7）。
图 7：如何测量 VOUTQP、VOUTQN 和 VOUTQI
要使用图 6 中测得的数据作为我们的示例，对于 ±130 A 最高应用电流，VOUTQP = 2.5032 V、VOUTQN = 2.4932 V、VOUTQI = (2.5032+2.4932)/2 = 2.4982 V。通过简单使用此 VOUTQI 作为预计的零电流输出电压，所得的偏差不得超过 ±5 mV 或 ±375.9 mA。
在介绍下一种补偿方法前，需要定义抗磁电流。抗磁电流是指在传感器暴露在最高应用电流后，将材料的磁化强度降低到几乎为零所需的电流水平。例如在图 8 中，在应用 130 A 脉冲后，VOUTQP = 2.5032 V。将 ACS758 的磁化水平降低到几乎为零所需的电流脉冲为 A -25 A。这样得到的 VOUTQ 接近 VOUTQI = 2.4982 V，是理想的 VOUTQ 值。在最高施加电流为 ±130 A 的系统中，抗磁电流为 ±25 A。
ACS758 150 A 双向磁滞环
图 8:±130 A 最高施加电流系统的抗磁电流值
方法 2
就像方法 1 一样，我们施加正负最高电流并记录 VOUTQP 和 VOUTQN，接着计算系统校准过程中的 VOUTQI。在操作过程中，应记录电流极性和大小。
如果电流极性不变，且电流值小于等于上次测量的最大电流，则不需要更新 VOUTQ。
如果电流极性发生变化，且电流值接近抗磁值，则应使用 VOUTQI。
如果电流极性发生变化，且电流值明显大于抗磁值，则使用 VOUTQP (针对正电流) 或 VOUTQN (针对负电流)。
如果电流极性发生变化，且电流值低于抗磁值，则 VOUTQ 应保持当前值。
根据具体的施加情况，用户可以选择明显大于和小于抗磁值的限值。这些限值构成抗磁窗口，如图 9 所示。
方法 2 算法的详细框图如图 10 所示。
在最高施加电流为 ±130 A 的示例中，方法 1 产生的最高偏差为 ±5 mV，而方法 2 产生的最高偏差为 ±2.5 mV。
ACS758 150 A 双向磁滞环
图 9:选择的构成抗磁窗口的电流值示例
图 10：方法 2 算法
总结
使用铁磁集中器的电流传感器 IC 会产生磁滞。在使用 ACS758CB 和 ACS770CB 时，磁滞通常较小，通过采用适当的系统和软件，可以大大降低磁滞。
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