霍尔传感器温度补偿电路设计

２Ｏ１４．１Ｏ　兵工自动化　Ｏｒｄｎａｎｃｅ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　・８７・　３３００）　霍尔传感器温度补偿电路设计　罗志强，阳桂蓉，王进　（绵阳市维博电子有限责任公司传感器技术部，四川Ｉ绵阳６２１０００）　摘要：针对霍尔传感器输出温度稳定性差的问题，提出一种实现霍尔电势相对稳定的恒流补偿方法。该方法利　用三极管结电压温漂特性来提高霍尔驱动电流，补偿ＧａＡｓ霍尔器件霍尔电势带来的负向温漂影响，实现霍尔电势　输出相对稳定。相比利用热敏电阻补偿方法，该方法具有实现温度补偿更简单、补偿效果更好的特点。　关键词：直测式原理；霍尔传感器；温度补偿；恒流驱动　中图分类号：ＴＰ２１２　文献标志码：Ａ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　Ｈａｌｌ　Ｓｅｎｓｏｒｓ　Ｌｕｏ　Ｚｈｉｑｉａｎｇ，Ｙａｎｇ　Ｇｕｉｒｏｎｇ，Ｗａｎｇ　ｊ　ｉｎ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆＳｅｎｓｏｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍｉａｎｙａｎｇ　Ｗｅｉｂｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｍｉａｎｙａｎｇ　６２１０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｐｏｏｒ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｈａｌｌ　ｓｅｎｓｏｒ，ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄｓ　ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｓｔａｂｌｅ　ｏｕｔｐｕｔ　Ｈａｌｌ　ｖｏｌｔａｇｅ．Ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｕｓｅｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｅａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒｉｏｄｅ　ｊｕｎｃｔｉｏｎ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　Ｈａｌｌ　ｄｒｉｖｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅ　ｔｈｅ　ｉｎｈｅｒｅｎｔ　ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｅａｔｕｒｅ　ｏｆ　ＧａＡｓ　Ｈａｌｌ　ｄｅｖｉｃｅ，ａｎｄ　ｆｉｎａｌｌｙ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｓｔａｂｌｅ　ｏｕｔｐｕｔ　Ｈａｌｌ　ｖｏｌｔａｇｅ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ　ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｓｉｍｐｌｅ　ｔｏ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ，ａｎｄ　ｉｄｅａｌ　ｉｎ　ｔｅｒｍｓ　ｏｆ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｅｆｆｅｃｔ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｈｅ　ｄｉｒｅｃｔ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ；Ｈａｌｌ　ｓｅｎｓｏｒ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｄｒｉｖｅ　Ｏ　引言　霍尔传感器作为一种常用的磁敏检测器件，广　泛应用于电流检测领域。霍尔传感器主要利用霍尔　垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为　的霍尔电压…。通过测量霍尔电势的大小间接测量　载流导体电流的大小，具体原理如图１。其中，霍　元件霍尔效应原理实现电一磁一电转换，达到输入　与输出隔离作用。霍尔元件可采用多种半导体材料　制作，如Ｇｅ（锗）、Ｓｉ（硅）、ＩｎＳｂ（锑化铟）、ＧａＡｓ（砷　化镓）、ＩｎＡｓ（砷化铟）、ＩｎＡｓＰ以及多层半导体异质　尔电势　的大小与控制电流　和磁通密度　的乘　积成正比，即：　ＶＨ：ＫＨ，　Ｂ≈ＫＨ，　＿ＮＩｏ，Ｕｏ　ｆ　（１）　式中：Ｋｎ为霍尔材料灵敏度系数；／ｃ为霍尔器件驱　动电流，　为测试电流；，为气隙长度；Ⅳ为导线匝　数，空气磁导率Ｐ０＝４ｎｘ１０～。　结构量子阱材料等。半导体材料受温度改变输出变　化明显，成为影响霍尔传感器输出精度的主要方面。　直测式原理霍尔传感器主要采用砷化镓类型霍尔元　件，其霍尔系数及器件等效输入输出阻抗都会随温　度发生变化。目前对输出进行温度补偿方法有很多，　如不等位电势补偿、恒流补偿和恒压补偿等。但是，　市面上的霍尔传感器普遍存在输出温漂过大，一般　都超过４００　ｐｐｍ／＂Ｃ。如何提高霍尔传感器的精度是　研究霍尔传感器的主要方向。笔者主要探讨～种实　现直测式霍尔输出稳定的恒流补偿方法，解决由霍　０・—————一　——————＋’　图１霍尔效应　尔器件本身带来的输出漂移问题。　２直测式霍尔传感器温漂参数　２．１　霍尔传感器输出温漂系数　ＷＢ系列霍尔传感器输出温漂系数定义：霍尔　１　直测式霍尔传感器原理　１．１　霍尔效应　传感器随着温度变化所引起传感器额定输出与常温　２５℃额定输出之差与常温２５℃输出之比【２－引，即输　出温漂系数７可表示为：　在半导体薄片两端通以控制电流　，并在薄片　的垂直方向施加磁感应强度为Ｂ的匀强磁场，则在　收稿日期：２０１４－０５—０７；修回日期：２０１４—０７—０７　作者简介：罗志强（１９７８一），男，四川人，本科，工程师，从事维博电量隔离传感器开发研究。　・８８・　兵工自动化　第３３卷　＝　斋隶圳　图３。匿流温度补偿电路　式中：ｔ　为被测温度；　５　ｃ为常温２５℃测量的额定　输出值；　１为被测试温度点额定输出。　２．２　直测式霍尔传感器输出温漂参数　由式（１）可知，影响霍尔传感器输出稳定的因　素主要有霍尔材料灵敏度系数ＫＨ、驱动电流，ｃ和　聚磁环（材料、气隙及截面积）等。在聚磁环选择一　３．２　采用三极管进行驱动电流补偿电路设计　通过测试发现三极管的输出温漂曲线近似如图　４所示。其中，三极管输出约０．６　Ｖ，为便于观察将　定的情况下，霍尔电势仅与霍尔器件及恒流驱动方　式有关。下面以恒流驱动的直测式霍尔传感器温度　补偿为例进行分析说明。　２－３　霍尔系数ＫＨ温漂曲线　从不同材料霍尔器件技术资料对比可知：砷化　镓（ＧａＡｓ）霍尔器件输出霍尔电势线性优于锑化铟　（ＩｎＳｂ）【４】，因此直测原理的霍尔传感器设计普遍选　择ＧａＡｓ霍尔器件实现磁电转换。ＧａＡｓ能承受　２００℃高温，材料相对昂贵。下面以旭化成公司生　产的ＧａＡｓ霍尔元件ＨＧ一１０６Ａ温度特性给予说明。　从文献［５】给的技术参数可知，ＨＧ－１０６Ａ霍尔电势　温度系数为一０．Ｏ６％／℃。从图２可知，在驱动电　流　和磁感应强度　一定情况下，其主要影响输出　温漂温漂因素为霍尔系数ＫＨ。　环境温度／℃　图２霍尔电势温度变化曲线　３　直测式霍尔传感器温度补偿电路设计　３．１　传统恒流温度补偿电路　由式（１）可知，为使输出霍尔电势　稳定，必　须减少由霍尔器件Ｋｎ带来的负向漂移影响，可通　过对应提高驱动电流，ｃ实现ＫＨＩｃ恒定。常见的通过　热敏电阻分流实现恒流补偿方法如图３…。分流电阻　阻值，．０及所需的温度系数　由式（３）计算得到。　ｒｏ（一＝。　　５－ｐ－ａ）￣　（３）Ｊ　“　其中Ｒｉ　为霍尔器件输入电阻，其温度系数为　，霍　尔电势温度系数为　。这种方法在一定温度系数电　阻的选择方面实现起来比较困难。下面介绍一种利　用三极管的温漂特性进行驱动电路补偿的方法。　其放大６倍。从图４可知，可以利用三极管在一定　温度条件下（一４０～８０℃）基极与集电极的ＰＮ结电　压　。随温度一次曲线线性变化特性来补偿霍尔驱　动电流的正向漂移特性，具体原理如图５所示。下　面给　环境温度／℃　图４三极管输出温漂曲线　Ｎ　图５三极管恒流补偿电路　假设霍尔器件输出霍尔电势温漂系数为　（ｍＶ／℃），三极管输出电压温漂系数为ｂ（ｍＶ／℃）。　图５中，三端稳压器Ｎ２的１脚和２脚电压为　＋Ｅ，三极管Ｖｌ输出电流为，Ｃ。，ｃ计算表达式为：　，　：—＋Ｅ－—ＶＢＥ　（４）　。　心　使用环境温度从一４０～８０℃变化，单只三极管　的总漂移量计算可表示为：　ｄＶ：ｂ×｛８０℃一（一４０℃）｝＝６×１２０℃　（５）　此时需补偿的驱动电流，Ｃ漂移比例为：　毛＝　×｛８ｏｏｃ一（一４０℃））＝ｔ２＂×１２０＂Ｃ　（６）　结合式（４）～式（６），此时的＋Ｅ应该满足：　＋Ｅ一　：，。Ｒ　：　（７）　，（１　（下甍繁　氨）ｌ　・９６・　兵工自动化　第３３卷　２）基于变尺度混沌优化的权重分配方法较为　定参数，并结合一般的四级技术状态指标体系对权　值的分配进行分析，得到了优化目标函数以及最优　目标向量，然后具体介绍了利用变尺度混沌优化算　法求解最优权重向量的具体过程，最后通过实例验　合理，能够较为准确地分配不同特征参数的权重。　坦　生　也　媾　响　证了综合参数评估以及基于变尺度混沌优化的权重　分配的合理性。　冀　参考文献：　【１］陈士涛，张志峰，李敏博．地空导弹电子维修车保障效　能的灰色综合评估［Ｊ］．兵工自动化，２００８，２７（２）：１７—１８．　图３　基于状态综合评定结果的样本分布　【２】焦利明，杨建立．一种确定指标权重的新方法【Ｊ］＿指挥　控制与仿真，２００６，２８（１）：９４—９７．　【３】黄太钢，王翔，宁小倩，等．基于Ｆｕｚｚｙ方法的装备管　理人员综合素质评价研究［Ｊ］．军事交通学院学报，２０１０，　１２（３）：８４—８７．　基于变尺度混沌优化的权重分配以及在此基础　上构造的综合参数评估的合理性，也为评价体系的　划分以及技术状态阈值的设定提供了验证基础，能　够辅助进行更加准确的技术状态指标的划分以及相　应阈值的设定。　一　【４］李祥飞，邹恩，张泰山．一种模糊神经网络控制器参数　的混沌优化设计［Ｊ］．控制与决策，２００２，１７（３）：３２０—３２３．　【５】孙宜权，张英堂，李志宁，等．基于核主成分分析的柴　５总结　笔者首先采用混沌算法重构了技术状态综合评　［６】　油机技术状态评估［Ｊ］．车用发动机，２０１２（２）：８９—９１．　罗继勋。高晓光．飞机近距离发射空空导弹时安全性评　估方法［Ｊ］．火力与指挥控制，２０１２，２８（１）：７５—７７．　零点失调所带来的漂移影响，也可以采用类似方法。　由式（７）可以计算出此时所需的＋　，从而确定　另外，该方法针对线性补偿比较有效，但对于非线　性霍尔系数补偿不太明显，除非选择类似曲线的补　偿器件，或者利用软件的方法进行非线性补偿。相　电阻尺ｌ　２阻值，电阻Ｒ３阻值可通过所需驱动电流　大小进行设计确定。　采用此种方法只需选择合适阻值的电阻即可实　现驱动电流的补偿效果。即使阻值不常见，也可通　比软件温度补偿方法，该方法仅需少量的模拟器件　实现，适合低成本产品开发场合。　过电阻的串并联实现。相比采用图４方法，选择具　有一定温度系数的电阻来说要简单些，且易于实现。　３．３　其他温度补偿方法　另外，也有采用模拟与数字结合的补偿方法。　文献［６］介绍了利用单片机进行软件的补偿方法，文　献［７］介绍了利用二维回归分析法进行软件补偿，这　些方法都是通过软件进行温度修正达到输出稳定补　参考文献：　【ｌ】郁有丈，常健，程继红．传感器原理及工程应用【Ｍ】．２　版．西安：西安电子科技大学出版社，２００３：１１９—１２４．　［２】绵阳市维博电子有限责任公司．Ｑ／ＷＢＪ０３２４．０３—２０１ｌ　霍尔传感器试行［ｓ］．绵阳：绵阳市维博电子有限责任　公司。２０１１：７－９．　［３】段武堂，熊正明．ＷＢ系列霍尔电流传感器／变送器ｆＪ１．　兵工自动化，２００２，２ｌ（３）：２卜２３．　偿效果。文献［８】也提供了一些提高霍尔精确度的方　法，在实际产品设计开发中，只有根据实际需求采　［４】缪慧洁，李晶，陆中龙．ＩｎＳｂ霍尔传感器输出电压温度　特性的研究［Ｊ］．物理实验，２０１１，２１（８）：４６—４８．　【５］ＡＫＭ。ＧａＡｓ　Ｈａｌｌ　Ｅｌｅｍｅｎｔ［ＥＢ／ＯＬ］．Ｊａｐａｎ：ＡＫＥ，２００９，　ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｌｌｄａｔａｓｈｅｅｔ．ｎｅｔ／ｄａｔａｓｈｅｅｔ－ｐｄｆｆｖｉｅｗ／８８２　１　２／　ＥＴＣ／ＨＧ　１　０６Ａ．ｈｔｍ１．　取可行的霍尔温度补偿方法，才能收到理想的效果。　４　结束语　笔者利用三极管基极及集电极的结点压线性温　度特性进行驱动电流补偿霍尔电势，可简单补偿由　霍尔器件霍尔系数带来的输出温漂影响，对改善直　【６】杜永平，何小映．浅谈传感器的温度补偿技术［Ｊ］．电子　设计工程，２００９，ｌ７（６）：５９—６３．　［７】高敏，卢文科，孙仁涛．基于二维回归分析法的霍尔电　流传感器补偿［Ｊ】．电子测量与仪器学报，２００９，２３（２）：　１Ｏ０—１Ｏ４．　测式霍尔传感器的额定满量程输出温度稳定性效果　较好。笔者将该方法应用到实际产品开发中，产品　［８］高茜．提高霍尔传感器精确度的研究［Ｊ］．沈阳电力高等　专科学校学报，２００２，４（１）：１—２．　输出温漂特性都能得到明显的改善。对于霍尔器件