一種電流監測電路的設計與實現

張小虎 云龍 王雪莉 張思

摘要：在雷達天線前端子系統中，為了能夠實時有效監控雷達前端子系統的工作狀態，需要采集前端子系統中T/R組件的狀態信息，諸如T/R組件的溫度信息、工作電流信息等。文中從電流監測電路設計的必要性入手，通過對霍爾效應的介紹，詳細分析了電流監測電路的組成實現，從硬件設計和軟件設計兩個方面對電流監測電路進行了闡述。

關鍵詞： 霍爾傳感器; 電流監測; A/D轉換

1電流監測

霍爾電流傳感器不僅可以測量直流電流，還可以測量交流電流，其所依據的工作原理主要是霍爾效應（3）。霍爾效應可以描述為：當在通電半導體材料上施加一個固定磁場，由于磁場對通電半導體中電子和空穴施加的洛倫茲力不同，則會在通電半導體材料的兩端產生相應的感應電壓，而該電壓值會隨著半導體材料中通過電流的大小而發生變化（1）。利用霍爾電流傳感器進行電流監測的優勢在于它是一種非接觸式的測量方法，測量過程中不會改變被測電路本身的特性，本身的功耗也不高，其測量過程簡單、靈活、可靠（2）。

2監測電路設計

2.1監測電路組成：該監測電路主要利用霍爾電流傳感器監測T/R組件工作時的電流信號，霍爾電流傳感器輸出感應的電壓模擬量在經過AD芯片采樣、量化后得到霍爾電壓數字量送入FPGA控制芯片進行處理。本文中的霍爾電流傳感器選用的是科峰航智公司生產的AN1V50PB22，AD芯片采用的是AD公司生產的10位分辨率AD芯片AD7467BRM，FPGA控制芯片采用的是Altera公司生產的EP2S60F484I4。

2.2硬件設計：AN1V50PB22是一款基于霍爾效應的開環電流傳感器，它內部的原邊與副邊之間完全絕緣，其電流測量值可以保持與被測電源變化的成比例輸出。該霍爾電流傳感器的工作電壓Vc典型值為5V，電流消耗Ic典型值為11mA，理論增益Gth典型值為80mV/A，零點輸出電壓VQOV典型值為0.55V，原邊額定電流有效值最大為50A，工作溫度范圍為-40℃～150℃。其測量輸出的電壓值可以用公式（1）表示：

Vout =（Vc/5）×（VQOV + Gth×Ip） ? ? ? （1）

在公式（1）中，Vout表示測量輸出的電壓值，Ip表示被測試原邊電流值。由于零點輸出電壓VQOV會因實際電路負載的不同而有所差異，因此該電壓值可以使用數字萬用表在實際監測電路中測量獲取。該電壓值測量的條件是：當Vc=5V且Ip =0A。另外，Vc/5可以認為是常量1，因而通過對公式（1）的簡化變換可以得到電流測量值公式（2）。

Ip = （Vout - VQOV）/Gth ? ? ? ? ? （2）

AD7467BRM器件的CS信號，SCLK信號均由FPGA芯片產生，AD芯片完成模數轉換后的串行數據SDATA直接進入FPGA芯片中做后續處理。

2.3軟件設計：軟件部分主要涉及FPGA芯片對AD7467BRM器件的控制及其輸出串行數據的處理。在正常工作情況下，T/R組件作為負載相對變化較小，而且電流監測電路回報數據的速率也不高。為了提高電流監測電路數據采集的可靠性和穩定性，該模塊在一定時間內產生了多次采集觸發，對所監測的電流做了多次采集轉換。由于AD7467BRM是10bit分辨率精度，而其供電電源電壓為3.3V，所以其模數轉換的量化精度為（3.3/210）V。因此，電流監測電路實際的監測電流值可以由公式（2）變換為公式（3）表示，其中Sdd表示電流監測電路采集轉換完成后輸出的并行數據。

Ip = （（3.3/210）×Sdd - VQOV）/Gth ? ? ? ? ? （3）

對電流監測電路做了多次測量驗證，包括不同情況下的正電源電壓負載和負電源電壓負載，通過公式（3）計算可以得到相應的測試結果，如表1所示。

3結束語

文中從設計實現雷達系統中電流監測電路的必要性入手，通過對霍爾效應原理的介紹，詳細分析了某雷達前端子系統中電流監測電路的組成實現，從硬件設計和軟件設計兩個方面對電流監測電路進行了闡述。目前，該電流監測電路已經完成工程設計，通過不同負載條件下的對比測試，獲取了相應的測試數據。

參考文獻

[1] 孟慶巨等. 半導體器件物理[M]. 北京：科學出版社，2009.

[2] 李增國. 傳感器與檢測技術[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2009.