霍尔电流传感器在应用中的基本原理是什么？该如何进行选型？

什么是霍尔效应(HALL)?霍尔效应是电磁效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔于1879年在研究金属的导电机制时发现的。 当电流垂直于外磁场通过半导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在半导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差也被称为霍尔电势差。霍尔效应使用左手定则判断。

霍尔IC通常按输出信号类型分为开关型霍尔IC和线性霍尔IC。开关型的霍尔元件，只输出高低两个电平信号，要么是开要么是关。线性霍尔元件输出一个持续变化的模拟量信号，输出电压从高到低或者从低到高，这样一个不间断

由霍尔效应的原理知，霍尔电势的大小取决于：Rh为霍尔常数，它与半导体材质有关;I为霍尔元件的偏置电流;B为磁场强度;d为半导体材料的厚度。

对于一个给定的霍尔器件，当偏置电流 I 固定时，UH将完全取决于被测的磁场强度B。

一个霍尔元件一般有四个引出端子，其中两根是霍尔元件的偏置电流 I 的输入端，另两根是霍尔电压的输出端。如果两输出端构成外回路，就会产生霍尔电流。一般地说，偏置电流的设定通常由外部的基准电压源给出;若精度要求高，则基准电压源均用恒流源取代。为了达到高的灵敏度，有的霍尔元件的传感面上装有高导磁系数的镀膜合金;这类传感器的霍尔电势较大，但在0.05T左右出现饱和，仅适用在低量限、小量程下使用。

在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压。

磁场中有一个霍尔半导体片，恒定电流I从A到B通过该片。在洛仑兹力的作用下，I的电子流在通过霍尔半导体时向一侧偏移，使该片在CD方向上产生电位差，这就是所谓的霍尔电压。

霍尔电压随磁场强度的变化而变化，磁场越强，电压越高，磁场越弱，电压越低，霍尔电压值很小，通常只有几个毫伏，但经集成电路中的放大器放大，就能使该电压放大到足以输出较强的信号。若使霍尔集成电路起传感作用，需要用机械的方法来改变磁感应强度。下图所示的方法是用一个转动的叶轮作为控制磁通量的开关，当叶轮叶片处于磁铁和霍尔集成电路之间的气隙中时，磁场偏离集成片，霍尔电压消失。这样，霍尔集成电路的输出电压的变化，就能表示出叶轮驱动轴的某一位置，利用这一工作原理，可将霍尔集成电路片用作用点火正时传感器。霍尔效应传感器属于被动型传感器，它要有外加电源才能工作，这一特点使它能检测转速低的运转情况。

霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高(可达1MHZ)，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。

霍尔线性器件的精度高、线性度好;霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高(可达μm级)。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达——55℃——150℃。

按被检测的对象的性质可将它们的应用分为：直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。

位移测量

两块永久磁铁同极性相对放置，将线性型霍尔传感器置于中间，其磁感应强度为零，这个点可作为位移的零点，当霍尔传感器在Z轴上作△Z位移时，传感器有一个电压输出，电压大小与位移大小成正比。

力测量

如果把拉力、压力等参数变成位移，便可测出拉力及压力的大小，按这一原理可制成的力传感器。

角速度测量

在非磁性材料的圆盘边上粘一块磁钢，霍尔传感器放在靠近圆盘边缘处，圆盘旋转一周，霍尔传感器就输出一个脉冲，从而可测出转数(计数器)，若接入频率计，便可测出转速。

线速度测量

如果把开关型霍尔传感器按预定位置有规律地布置在轨道上，当装在运动车辆上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号的分布可以测出车辆的运动速度。

的持续变化。

开关型的霍尔元件，又分为三个小类型：单极霍尔元件、全极霍尔元件、双极锁存霍尔元件。单极霍尔元件指的是只感应一个磁极的霍尔，一般是插件封装的只感应S极。即S极的磁铁靠近霍尔元件时，霍尔元件产生高低电平的变 化，N极靠近的时候，是不感应的。全极霍尔元件可以感应两个磁铁，即NS任意一个磁极靠近霍尔元件时，霍尔元件都会产生高低电平的变化。双极锁存霍尔元件，需要NS两个磁铁交替接近霍尔元件才能产生高低电平的切换，即一个磁极靠近再离开后继续保持开的状态，需要另外一个磁铁靠近才能切换成关的状态。

除了这些，近几年还出现了一些集成度高、功能复杂的专用霍尔 IC，如差分霍尔IC(双霍尔 IC)，集成 ADC、DAC 和信号处理电路的旋转位置传感器、三轴位置传感器，集成了电机控制和驱动电路的无刷电机驱动芯片。此外，利用霍尔原理设计的电流传感器IC也是霍尔IC的一大类别。

随着手机、笔记本电脑、DV 等便携式设备的普及，对霍尔IC的功耗提出要求，由此产生了一类新的霍尔IC—微功耗霍尔IC。它是数字霍尔IC按功耗单独分出的一类，其内部采用休眠机制降低功耗，平均功耗可以达到 uA 级。它也可按功能分为单级型霍尔IC、锁定型霍尔IC、和全级霍尔IC三类。这类一般用于电池长期供电的系统。

我们在设计方案的时候，首选需要确认的就是，需要开关量输出的霍尔元件还是模拟量的霍尔元件，日常生活中大部分的方案，如定位、计数、位置开关等方案，使用性价比更高的开关霍尔就可以了。一些需要模拟量输出的，如角度检测、漏磁检测、电流检测、编码器等方案，再推荐使用精度更高的线性霍尔。

霍尔开关选型：

1)第一项重要参数：供电电压，供电电压大致就可以分两种，低压供电和高压供电的。这个就要对应着我们常见的两种供电方式，电池供电或者电源供电。电池供电，我们一般就是3V、3.3V或者5V供电的比较多，也有较少的方案是使用1.65V或者1.8V供电的，这就输出低压供电。电源供电，一般就是5V、12V、24V的比较多，当然少见的也有3V供电的，5V以上供电我们就认为是高压供电。一般来说，我们使用电池供电的方案，必须要考虑到的一个问题，就是产品的功耗，尽可能的使用微功耗的产品。这类方案目前非常多，像我们常见的蓝牙耳机、小型电子设备、智能门锁、玩具、手机、仪表、键盘、鼠标等等方案，一般都需要使用微功耗的产品。而这些方案，单极和全极的霍尔元件，一般都是通用的，大部分工程师选择全极型微功耗的产品。

电源供电的一些应用，就会涉及到一些12V或者24V供电的设备。如果是5V供电的应用，只要不是开关频率特别高的应用，用微功耗的低压霍尔也行，但是一些12V和24V供电的应用，就需要使用高耐压的霍尔。

2)第二项重要参数，磁灵敏度，也就是我们常说的Bop。Bop数值对于单颗霍尔来说，是一个数值，但是我们看产品规格书的时候，都是一个范围值，是因为霍尔元件的磁灵敏度，都会有一定的差异性，同一个型号产品的差异性又在一定的范围内，这个范围就是我们规格书的Bop范围。Bop指的就是开启霍尔元件所需要的磁场值。

1、电力监测：在电力系统中，霍尔电流传感器可用于检测和测量不同电路的电流值，从而掌握整个系统的电力情况，便于实现系统的运行监测、电量统计及负荷计量等功能。

2、工业自动化：霍尔电流传感器作为一种高精度、低功耗、可靠性高的传感器，可应用于工业自动化领域。比如，在数控加工设备中，可用于对磨削液、润滑油的流量进行检测和控制，保证加工质量和设备安全性。

3、新能源电站：随着新能源的发展，如太阳能发电和风力发电等，霍尔电流传感器也被广泛应用。在太阳能光伏发电系统和风电场中，霍尔电流传感器可以准确测量直流和交流电流，保证系统的正常运行和输出的电能质量。

4、汽车电子：在汽车电子系统、电机控制等领域中，霍尔电流传感器也扮演着重要角色。比如，在电动汽车中，霍尔电流传感器可以实时监测电机输出的电流大小和方向，并将这些数据反馈给电控系统，从而保证电机正常工作。

5、其他领域：在医疗设备、安防监控、智能家居等领域，霍尔电流传感器也有不同的应用场景，如血压计、人体健康检测、烟雾报警器、火灾报警器、智能插座等。