技术洞察 | 精通电流传感系列文章（二）：霍尔 vs. TMR 如何精准匹配电流，告别饱和与噪声？

电流传感器的性能、精度和可靠性从根本上取决于其采用的传感技术。为满足现代应用多样化的需求，Allegro MicroSystems 采用了多种先进的磁传感技术。本节将详细介绍 Allegro 的主要传感技术：霍尔效应和 TMR。

凭借其可靠性、成本效益以及与标准半导体工艺的无缝集成，霍尔效应数十年来一直是磁传感的基石。

当电流流经导电板（霍尔板），且磁场垂直作用于该板时，电荷载流子会受到洛伦兹力而发生偏转。这会在板两端产生可测量的电压（霍尔电压）。该电压与磁场强度成正比。在 Allegro 集成式电流传感器中，金属导体将待测电流引入和引出器件，使电流及其产生的磁场靠近芯片。霍尔板将该磁场转换为成比例的电压。

使用单个霍尔板测量磁场时，传感器容易受到杂散磁场影响。板上其他载流走线或附近布线都可能会在测量中引入误差。为克服这一局限，Allegro 广泛采用差分传感技术，在与内部电流导体相对的位置精确放置两个霍尔板。来自导体的目标磁场会以大小相等、方向相反的方式影响两个霍尔板；而表现为共模信号的外部杂散场则会以相同方式影响两个霍尔板。通过对两个霍尔板信号相减，即可抑制共模杂散磁场，放大目标信号。这显著提高了对外部磁干扰的抗扰度，对于在嘈杂电气环境中使用的传感器而言，这是一项关键特性。

TMR 是一种量子力学效应，相比传统霍尔效应技术具有更优越的性能。Allegro XtremeSense™ TMR 技术代表了磁传感的前沿水平。

TMR 传感器包含一个磁性隧道结（MTJ），这是一个多层堆叠结构，由两个铁磁层与位于其间的超薄绝缘势垒层构成。MTJ 的电阻高度依赖两个铁磁层的相对磁取向。当磁矩方向一致时，电子更容易“隧穿”通过势垒层，表现为低电阻。当磁矩方向相反时，电阻则会非常高。在传感器中，其中一层的磁取向固定（参考层），另一层（自由层）则随外部磁场的变化而旋转。这种旋转会引起较大且可预测的电阻变化，进而被转换为电压输出。

在给定磁场下，TMR 效应产生的输出信号远大于霍尔效应（通常可达 100-1000 倍）。这种高灵敏度可显著改善信噪比（SNR）。对于电流传感而言，这意味着更高的分辨率以及更精确的测量能力，尤其是在电流处于较低水平时。 由于在给定磁场下 TMR 产生的输出信号更大，传感元件输出的原始信号在放大前就具有更好的信噪比。要将霍尔效应传感器的信号提升到可用水平，必须提高增益，而增益提高时，噪声也随之被放大。相比之下，TMR 技术可获得更大的原生信号，达到相同输出电平所需的放大更少。

隧道磁阻的物理效应是瞬时发生的，因此 TMR 技术非常适合高带宽应用。速度更快的电流传感器可对高速开关碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）功率电子器件进行精准、安全的控制。

了解合适的传感器技术只是所需信息的一部分。如果与实际系统电流水平不匹配，即使性能最高的传感器也无法发挥作用。选择适当传感器的下一步，是理解特定应用的电流曲线。如下图，显示了两种传感技术之间的差异。

上下滑动，查看更多

选择合适的电流检测范围，是电流传感器选型的基础性入门步骤。检测范围定义了传感器能够准确测量并转换为成比例输出信号的电流范围。为确保测量精度和系统可靠性，传感器检测范围必须与应用场景的电流曲线良好匹配。检测范围过窄会导致饱和和读数不准确；检测范围过宽则会导致灵敏度和分辨率降低。

检测范围选择需要权衡：目标是找到与系统完整工作特性（包括标称电流和峰值电流）刚好匹配的检测范围。

如果传感器检测范围低于系统经历的峰值电流，传感器输出就会饱和。在饱和事件期间，传感器输出会在最大（或最小）电压处削顶或钳位，超过饱和点的任何电流都无法测量，或无法准确测量。这对依赖传感器进行过流保护的应用尤其危险，因为真实峰值电流会被漏检，可能导致系统损坏。例如，在启动时会经历 40A 浪涌电流的电机应用中使用 ±20A 传感器，会导致输出饱和，无法提供有关该峰值事件或过流状况幅值的有用数据。

反之，如果传感器范围相对于应用的标称工作电流过高，则会导致分辨率差和信噪比低。传感器的输出灵敏度与其检测范围直接相关（通常以 mV/A 指定）。范围越大的传感器灵敏度越低，也就是说给定电流变化产生的输出电压变化更小。例如，对于 10A 标称电流，如果使用 ±400A 传感器，输出信号会非常小，很可能难以从传感器本身和周围系统的固有噪声中准确分辨出来。这会对控制环路性能和功率监测精度产生负面影响。

采用 1.5 到 2 倍规则可提供饱和裕量，并使标称工作点显著高于噪声底，从而使微小电流变化产生可测量且可区分的输出电压变化。例如，传感器能够分辨 7.9A 与 8.1A 之间的差异，否则这些值会淹没在噪声中。为确保传感器在峰值事件期间不削顶，并为典型负载的精准控制提供足够的输出分辨率，标称工作电流必须使传感器输出足够干净、准确且灵敏，能够跟踪微小变化。

为选择最佳检测范围，系统设计人员必须首先全面了解系统的完整电流曲线，并仔细评估若干关键参数，以确保所选传感器符合应用的具体需求。

• 标称工作电流：

  系统在典型工作状态下消耗的稳态电流。这是最需要高精度和高分辨率的工作区域。

• 峰值瞬态（浪涌、涌入）电流：

  系统可能经历的最大电流，即使持续时间很短也应包括在内。这包括电机启动/堵转电流、为电容充电的涌入电流或短路故障状况等事件。传感器必须能够在不饱和的情况下测量这些峰值。对于故障电流检测，应选择响应速度快且集成故障输出的传感器，例如 ACS37010、ACS37032 或 ACS37035，它们均具备过流故障检测功能。

• 频率和交流电（AC）：交流电（AC）是一种周期性改变方向的电流，通常呈正弦波形。交流电常见于家用电器、电网和功率转换系统。对于交流电应用，传感器必须能够精确测量交流信号的正负峰值。在车载充电器或 DC-DC 转换器等应用中进行交流电流检测时，应选择使用具有足够高频率响应的双向传感器。传感器带宽应足以准确测量交流信号的所有频率分量。带宽表示传感器能够准确测量的频率范围。应确保检测范围覆盖预期的峰值交流电流水平。交流电流通常以均方根 (rms)值表示，但传感器必须能够处理峰值电流，而峰值电流大于 rms 值。例如，如果交流电流为 20A_rms，则传感器应至少能够处理 20A_rms × √2 = 28.3A_PK 的峰值电流。

• 最大连续电流：

  连续电流是持续沿一个方向流经传感器的稳态电流。最大连续电流是指传感器在稳态运行中能够连续测量而不超过其热限值或规定精度的最大电流。在预期电流会长时间保持相对恒定的应用中，理解该参数至关重要。为防止传感器过热和永久损坏，适当的热管理应确保不超过传感器最高结温（TJMAX）。传感器耗散的功率应足够低，以将结温维持在 165°C 以下。虽然连续电流是封装相关的性能指标，且很大程度上取决于具体应用，但一些 Allegro 封装比其他封装具有更高的最大连续电流能力。

• 单向：电流仅沿一个方向流动（例如简单电源负载）。零电流时，单向传感器输出 V_DD/10。

• 双向：电流可沿正负两个方向流动（例如电池充放电或电机方向控制）。大多数 Allegro 传感器（如 ACS37002 和 ACS37030）都是双向的。零电流时，双向传感器输出 V_DD /2。
  

表2: 电流曲线汇总

以一款采用无刷直流（BLDC）电机的电池供电工具为例，其电流曲线如下：

对于此电流曲线，检测范围为 ±20A 的传感器可为 8A 标称电流提供出色分辨率，但在电机启动期间会完全饱和，因而无法监测 60A 峰值。

检测范围为 ±100A 的传感器可轻松处理启动峰值，但其较低的灵敏度会损害 8A 标称电流下的测量精度。

检测范围 ±65A 的传感器（如 ACS37032LLZATR- 065B3）是理想选择。它提供足够的裕量，可精确测量 60A 峰值，同时在 8 标称工作点提供良好的分辨率和信噪比，实现精确控制。

通过仔细分析系统的完整电流曲线，并理解饱和与分辨率之间的权衡，就能选择具有合适检测范围的 Allegro 电流传感器，从而确保高性能以及稳健、可靠的运行。