霍爾效應(yīng)由埃德溫·霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)，但直到數(shù)十年后技術(shù)發(fā)展才使得集成電路能夠充分利用這一現(xiàn)象。如今，霍爾效應(yīng)傳感器集成電路為實(shí)現(xiàn)精確電流測(cè)量提供了便捷方案，同時(shí)保持被測(cè)電流路徑與測(cè)量電路之間的電氣隔離。

從洛倫茲力到霍爾效應(yīng)

霍爾效應(yīng)是洛倫茲力的延伸，后者描述了運(yùn)動(dòng)電荷(如電子)在磁場(chǎng)中受到的力。當(dāng)磁場(chǎng)方向與電子運(yùn)動(dòng)方向垂直時(shí)，電子將受到一個(gè)既垂直于運(yùn)動(dòng)方向又垂直于磁場(chǎng)方向的力。

霍爾效應(yīng)特指洛倫茲力作用于導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)電子時(shí)，導(dǎo)致導(dǎo)體兩側(cè)產(chǎn)生電勢(shì)差(即電壓)的現(xiàn)象。

需注意第二張示意圖中的箭頭表示常規(guī)電流方向，意味著電子實(shí)際運(yùn)動(dòng)方向與之相反。洛倫茲力方向遵循考慮電子相對(duì)于磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)方向的右手定則：第一張圖中電子向右移動(dòng)，洛倫茲力向上;第二張圖中電子向左流動(dòng)，洛倫茲力向下，導(dǎo)致負(fù)電荷在導(dǎo)體下邊緣聚集。最終在導(dǎo)體上下邊緣之間形成上正下負(fù)的電勢(shì)差，即霍爾電壓：

該公式適用于載流薄板，表明霍爾電壓與導(dǎo)體電流強(qiáng)度(I)、磁場(chǎng)強(qiáng)度(B)、基本電子電荷(e)、單位體積電子數(shù)(ρ)以及薄板厚度(t)相關(guān)。

霍爾效應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用

霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的電壓相較于電路中常見(jiàn)的噪聲、偏移和溫度效應(yīng)非常微弱，因此直到半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)步實(shí)現(xiàn)了將霍爾元件與放大調(diào)理電路高度集成后，實(shí)用型霍爾傳感器才得以普及。但霍爾傳感器在微小電流測(cè)量方面仍存在局限。例如Allegro MicroSystems的ACS712靈敏度為185 mV/A，這意味著10mA電流僅產(chǎn)生1.85mV輸出電壓。在低噪聲電路中尚可接受，但若能在電流路徑中加入2Ω電阻，20mV的輸出電壓將顯著改善測(cè)量效果。

霍爾效應(yīng)適用于多種傳感器應(yīng)用，基于電流、磁場(chǎng)和電壓之間這種簡(jiǎn)單關(guān)系的器件可測(cè)量位置、速度和磁場(chǎng)強(qiáng)度。本文將重點(diǎn)討論通過(guò)被測(cè)電流感應(yīng)磁場(chǎng)作用于集成霍爾元件產(chǎn)生霍爾電壓來(lái)測(cè)量電流的器件。

優(yōu)勢(shì)與局限

不同霍爾電流傳感器性能各異，因此難以精確概括其相較于傳統(tǒng)電流檢測(cè)技術(shù)(即在電流路徑插入精密電阻并通過(guò)差分放大器測(cè)量壓降)的優(yōu)缺點(diǎn)。總體而言，霍爾傳感器因其"非侵入性"和電氣隔離特性而受青睞。其非侵入性體現(xiàn)在電流路徑中無(wú)需引入顯著電阻，被測(cè)電路幾乎不受傳感器影響。另一優(yōu)勢(shì)是傳感器功耗極低，這對(duì)大電流測(cè)量尤為重要。

精度方面，當(dāng)前霍爾傳感器可實(shí)現(xiàn)低至1%的輸出誤差。雖然精心設(shè)計(jì)的電阻式電流檢測(cè)電路可能超越此指標(biāo)，但對(duì)于霍爾器件特別適用的大電流/高電壓應(yīng)用，1%精度通常已足夠。

霍爾傳感器的局限性包括有限頻率范圍和高成本。ACS712內(nèi)部帶寬為80kHz，美萊斯的MLX91208作為"寬帶"器件標(biāo)稱可達(dá)250kHz，而采用高速放大器的電阻式檢測(cè)電路可實(shí)現(xiàn)MHz級(jí)工作頻率。此外如前所述，霍爾效應(yīng)在微小電流測(cè)量方面存在固有局限。

電氣隔離特性

霍爾傳感器的主要優(yōu)勢(shì)之一是電氣隔離(在電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中常稱為 galvanic isolation)。當(dāng)設(shè)計(jì)需要兩個(gè)電路在避免直接電流流動(dòng)的情況下通信時(shí)，就會(huì)用到這種隔離原理。典型應(yīng)用如通過(guò)光耦傳輸數(shù)字信號(hào)，將電壓脈沖轉(zhuǎn)換為光脈沖實(shí)現(xiàn)光學(xué)而非電學(xué)數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)施電氣隔離的首要原因是為了消除地環(huán)路相關(guān)問(wèn)題：

基礎(chǔ)電路設(shè)計(jì)假設(shè)互連元件共享零電位地節(jié)點(diǎn)，但現(xiàn)實(shí)中"地節(jié)點(diǎn)"由具有非零電阻的導(dǎo)體構(gòu)成，這些導(dǎo)體作為電流返回電源的路徑。根據(jù)歐姆定律，電流與電阻會(huì)產(chǎn)生電壓，導(dǎo)致系統(tǒng)中不同位置的"地"電位存在差異。這種地電位差可能引發(fā)從輕微到嚴(yán)重的一系列問(wèn)題。

通過(guò)阻斷電路間直接電流，電氣隔離使不同地電位的電路能成功通信。這對(duì)電流檢測(cè)應(yīng)用尤為關(guān)鍵：例如低壓傳感器和處理電路可能需要監(jiān)測(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中的大電流波動(dòng)，這些快速變化的電流會(huì)在返回路徑中產(chǎn)生顯著電壓波動(dòng)。霍爾傳感器既能監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)電流，又能保護(hù)高精度傳感電路免受有害地電位波動(dòng)影響。

共模電壓處理

霍爾傳感器的另一重要應(yīng)用是高壓電流測(cè)量。在電阻式檢測(cè)電路中，差分放大器測(cè)量電阻兩端的電壓差，但當(dāng)這些電壓相對(duì)于地電位過(guò)高時(shí)會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題：

實(shí)際放大器的"共模范圍"有限，當(dāng)輸入電壓(盡管彼此差值很小)相對(duì)于地電位過(guò)高時(shí)將無(wú)法正常工作。電流檢測(cè)放大器的共模范圍通常不超過(guò)80-100V。而霍爾傳感器無(wú)需參考被測(cè)電路地電位即可實(shí)現(xiàn)電流-電壓轉(zhuǎn)換，因此只要電壓不造成物理?yè)p壞，共模電壓不會(huì)影響霍爾器件工作。