霍尔式高精度电流采集电路的设计

    王雅荟 冯浩 孙旭升

    

    

    

    【摘要】? ? 国产飞机采用涡轮螺旋桨发动机作为动力源，将螺旋桨旋转时输出轴的功率转化位为推动力，使飞机前进。一旦润滑油缺失，将会导致润滑失效。故瞬桨泵和引射活门电磁阀的控制以及电流采集、过流保护功能对于动力控制系统的安全性影响巨大。

    【关键词】? ? 霍尔效应? ? 电流采集? ? 功率负载

    一、霍尔式传感器的工作原理与特性

    磁场恒定，在一定环境温度下，控制电流I与霍尔输出电势UH之间呈线性关系，直线的斜率称为控制电流敏感度。霍尔元件的灵敏度系数越大，其控制电流敏感度也越大。

    二、整体架构

    由于功率负载（瞬桨泵和引射活门电磁阀），接地时稳态电流1A，接通瞬间电流7.5A、10ms。

    通过处理器的GPIO 引脚输出控制信号，经过缓冲器后控制N沟道场效应管输出2路1A 的离散量信号，输出信号通过HI芯片1进行回采，由处理器的GPIO进行读取并监控，实现BIT 检测。

    2.1 MCU选用

    选用ST公司的STM32F7系列处理器，借助ART Accelerator?技术和L1缓冲器，可以实现1082 CoreMark/462 DMIPS。

    该处理器性能指标如下：

    ARM 32-bit Cortex?-M7 架构，支持双精度浮点运算，内核最大工作频率

    216MHz;512K×16 Bits SRAM ，2018K×16 Bits Flash;灵活的外部存储器接口，支持32 位数据总线;最多支持4 路I2C，4 路UART，6 路SPI，3 路CAN 及SDIO 等多种外部总线;内部集成上电引导，便于软件加载;集成24 通道的12 位2.4 MSPS A/D 转换器;集成2 路12 位D/A;集成通用DMA控制器，支持加速模式并自带FIFO;片上集成6 通道的PWM单元;最大支持168 个I/O，兼容5V 接口电压;系统自带18 个定时器;支持JTAG 调试接口;内部可配置独立看门狗和窗口看门狗，在CPU 软件出现故障或者运行时钟异常时执行复位或中断程序。

    2.2总线缓存器

    总线缓存器SN74LV4T125是一款低电压CMOS缓冲器门，并且运行在针对便携式和电池后备的更宽电压范围内。采用了较低阈值电路来设计此输入，以便匹配Vcc=3.3V时的1.8V输入逻辑，并且可被用于1.8V至3.3V电平上行转换器功能中。此外，输入端上的5V输入耐受可在Vcc=2.5V时芯片配置为3.3V至2.5V输入耐受可在Vcc=2.5V时将芯片配置为3.3V至2.5V输出的下行转换为1.8V至2.5V的输出的下行转换1.8V至5.5V的宽Vcc范围有可能实现所需的开关输出电平连接至控制器或处理器。仅通过一个源即可完成电平转换，具体的电平由缓存器具体的供电电压决定。且芯片能够识别的门限值很低。针对总线缓存器端口的输入信号高电平值≮2V，低电平值≯0.9V，处理器端口的输出信号高电平≮2.9V，输出信号低电平值≯0.4V，如图2所示。SN74LV1T125被设计成具有8mA的电流驱动能力，以减少由高驱动输出导致的线路反射，过冲和下冲。输入引脚可耐受5.0V电压，40°C至125°C工作温度范围，锁断性能超过250mA。

    2.3 MOS管组成的开关控制通道

    当UDS=0且UGS>0时，使沟道刚刚形成的栅-源电压成为开启电压UGS（th）。UGS（th）愈大，反型层愈厚，导电沟道电阻愈小。

    处理器在复位过程中，GPIO 引脚配置为开路状态，缓冲器的使能端上拉至电源，缓冲器输出为开路，N沟道场效应管输出也为开路。采用N 沟道场效应管及外围电路实现，该系列场效应管漏源最大电压100V，最大漏级工作电流36A，导通电阻0.044Ω。

    2.4霍尔式电流采集IC

    通过用作电流感测通路的主要铜质电流路径（从引脚1和2，到3和4）的电流不断上升时，器件的输出具有正斜率，该传导通路的内阻通常是mΩ，具有较低的功率损耗，100mV/A输出灵敏度，输出电压与交流或直流电流成比例，能够采集最大为20A的电流。

    当通过用作电流感测通路的主要铜质电流路径（从引脚1和2，到3和4）的电流不断上升时，器件的输出具有正斜率，该传导通路的内电阻通常是mΩ，具有较低的功率损耗。

    根据手册可知总的电流采集误差ETOT≯±1.5%。，能够满足采集精度要求。

    输出敏感度是磁感应电路敏感度为100mV/A，线性的IC放大增益可以保证电流采集IC在全范围电流狀态下精度。

    2.5分压电路

    已知大功率执行器的瞬态电流最大为7.5V，通过霍尔式电流采集IC，不考虑误差的情况下，电压范围为2.5V～3.25V。后经过分压电路，电压转换为1.25V～1.625V。

    在本文中，在已知电流异常最能反映系统故障，通过情况下，如果电流异常能够得到关注并迅速解决，能够降低设备的持续伤害率。

    通过分析可知，选用HOLT 公司的HI 系列接口芯片及外围电路分别实现离散量输出和回采功能，由处理器的GPIO 口分别输出控制信号给HI 芯片1输出对应每路离散量输出逻辑电平为1 时，输出地信号，最大驱动能力为200mA，输出导通电阻为4.5Ω，延时最小为400nS;逻辑电平为0时，输出开路信号，漏电流小于10nA，开路阻抗>100kΩ，延时最大为900nS。

    每路离散量输出具备200mA 过流检测能力，由处理器的GPIO 引脚进行检测，过流时逻辑电平指示为1。每路离散量输出具备状态回采功能。由处理器的GPIO 口进行结合控制控制逻辑进行判别。处理器在复位过程中，GPIO 引脚配置为开路状态，HI 芯片内部控制端下拉至地，芯片对外输出为开路。

    参? 考? 文? 献

    [1] 龙芃君. 风速传感器的设计研究 [J]. 低碳世界. 2019 （01）

    [2] 郑晓东，王健. 无线传感器网络安全路由技术研究 [J]. 中国信息化.2018 （12）

    [3] 王晶，周新淳. 现代网络环境下环保共享型智能快递系统研究 [J]. 科学技术创新. 2018 （33）

    [4] 彭仁堂，田占军. HEMIS-用于能源管理和家庭自动化的混合架构 [J]. 现代经济信息. 2018 （23）

    [5] 曹银平. 横河川仪EJA差压/压力变送器年订货量突破30万台 [J].自动化博览. 2018 （11）

    [6] 彩娅. 环境监测中无线传感器网络的应用分析 [J]. 化工管理. 2019 （01）