基于Σ-ΔADC的莱姆开环数字输出电流传感器

• 关键词：Σ-Δ模数转换,开环电流传感器,数字输出
• 作者：闫四玉
• 摘要：首先介绍了Σ-ΔADC的基本工作原理及其主要特点，阐述了LEM 数字化输出开环传感器的工作原理以及特点，并对比传统模拟输出型的优势；然后针对莱姆开发的新型传感器HLSR/HO等数字化输出传感器，分别做了详细的特性分析；最后给出了一个数字输出传感器的电路接口实例实现方式。

1、引言

在微处理器和传感器变得越来越便宜的今天，全自动或半自动系统可以包含更多智能性功能，能从其环境中获得并处理更多不同的参数。数字传感器的体积非常微小并且能耗与成本也很低，具有巨大的应用潜力和前景。同时，数字化传感器对电子市场具有重要的推动作用。现在系统设计所包含的传感器和处理器越来越多。随着传感器和处理器价格的不断降低，取代机械控制结构的阈值也在不断变化。在电力电子系统中选择正确的传感器组合和处理算法可以显著地降低原材料及能耗的费用并提高系统的总体性能。

本文就针对电力电子行业的数字化需求，介绍了莱姆新一代数字化传感器解决方案。

2、S-D型ADC原理及特点

所谓的 S-D ADC的原理，就是利用过采样(Oversampling)技术、噪声整形技术和数字滤波技术以很低的采样分辨率和很高的采样速率将模拟信号数字化，将高分辨率的转换问题化简为低分辨率的转换问题，增加有效分辨率。与几种传统ADC相比，过采样Σ-ΔA/D变换器由于采用了过采样技术和Σ-Δ调制技术，增加了系统中数字电路的比例，减少了模拟电路的比例，并且易于与数字系统实现单片集成，因而能够以较低的成本实现高精度的A/D变换器，适应了VLSI(VeryLarge Scale Integrated circuites）技术发展的要求。

其主要的特点为：

◆Σ-△型A/D转换器基于过采样Σ-△调制和数字滤波，利用比奈奎斯特采样频率大得多的采样频率得到一系列粗糙量化数据，并由后续的数字抽取器计算出模拟信号所对应的低采样频率的高分辨率数字信号。

◆其表现出的优点是元件匹配精度要求低，电路组成以数字电路为主，能有效的用速度换取分辨率，无需微调工艺就可获得较高位数的分辨率，制作成本低，适合于标准CMOS单片集成技术。

◆∑-△调制器以采样速率输出1bit数据流，频率可高达MHz量级，例如莱姆HMSR/HO等系列产品频率均可达20MHz。数字滤波和抽取的目的是从该数据流中提取出有用的信息，并将数据速率降低到可用的水平。

◆∑-△ADC 中的数字滤波器对1bit数据流求平均，移去带外量化噪声并改善ADC的分辨率。数字滤波器决定了信号带宽、建立时间和阻带抑制。

3、LEM 开环数字输出电流传感器

LEM公司针对数字化的市场需求，在经典开环传感器的基础上基于∑-△ ADC的技术，开发出了一系列的先进数字输出传感器。其基本原理如图1所示。

图1 数字传感器及滤波应用框图

原边电流，即被测电流Ip产生的磁场被敏感元件HALL检测输出弱电压信号VH, VH与检测到电流成正比。然后经过O.A放大、∑-△调制及标准数字化转换等信号处理后，输出Vout表示原边电流模拟量的实际状况。为了优化性能，HALL和信号处理电路被组合成一个单独的CMOS ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit).  

LEM开发研制了性能优越的新一代带二阶∑-△调制器的集成ASIC，并被应用在新的产品系列中。传感器输出信号为比特流，比特流中1的密度与被测量的电流成比例（如图2所示）。

图2 输出比特流示意

用户需要使用一个数字滤波器来处理比特流，如图3所示。其优点是接口简单，而且使用者可以选择和定义滤波器，以便输出格式适用具体的应用和匹配系统的需求。

图3 数字传感器及滤波应用框图

4、LEM数字传感器HLSR/HO及应用实例

4.1 新型数字输出传感器HLSR/HO系列特点

莱姆最新发布的系列数字输出型开环霍尔效应电流传感器：HO和HLSR，它们就是基于Σ-Δ调制器原理，输出信号为1位串行比特流信号的数字传感器。该新品具有4种不同的机械设计来满足PCB安装和盘式安装的要求，其可以对额定值为16、32、40、50、80、100、120、150、200、250ARMS的电流进行测量（如表1所示，图4所示），并具有20kHz带宽，12位的分辨率。

图4 新型数字传感器

新型数字传感器能够提供多种数字信号输出。包括2线制模式，CMOS（时钟可以为输入或输出模式）、RS422 Manchester或LVDS Manchester，可满足最小化所需的连接；或LVDS或RS 422（时钟输入或输出）4线制模式。数字输出允许使用者选择合适的滤波器来处理比特流，以便于在分辨率和响应时间之间进行优化。

表1.新型数字传感器特性表（部分特性）

HO系列增加了2个额外的引脚，可实现时钟和数据的差分信号处理，满足RS422和LVDS标准。另外，传感器时钟输入信号可配置范围为5 – 12.5MHz，所以整个系统可以使用同一时钟。

4.2 数字传感器应用实例

对一个给定的比特流，用户可以采用几个不同的滤波器（如图5）。例如：为实现“电流环”功能：如果采用sinc3滤波器、512的过采样率（OSR），则可得到有效分辨率为12位，带宽为5.5kHz的信号。

同样的，为实现“超限检测”功能，如果采用sinc2滤波器、16的OSR，对应相同的比特流则可得到分辨率为6位，5.5µs响应时间的信号。

另外，为了提高设备的安全性，HO系列传感器还具有过流检测（OCD）功能，它可以在A/D变换器前级检测过流信号，并给出相应的输出值，使系统快速启动保护电路，得到保护目的。OCD的响应时间为2us。

图5 数字信号处理实例

5、结论

本文针对电力电子数字化的需求做了简要介绍，结合对∑-△ADC原理的阐述，以及莱姆开环数字输出传感器原理的分析，说明了使用数字输出的滤波器的特点；在此基础上较为全面的介绍了莱姆新型数字传感器HO/HLSR系列产品，并给出了应用实例。通过该实例可以明显看到数字输出传感器的灵活性、优越性，为未来电流检测的数字化奠定了基础，具有较深远的意义。

参考文献：

[1]https://en.wikipedia.org/wiki/Delta-sigma_modulation

[2]LEM application note: digitaloutput transducers andΣΔconversion.

[3]LEM datasheet: digitalcurrent transducer HO-SW Series. 15March2018/version 2

[4] LEM datasheet: digitaloutput transducers HO-PW series. 15March2018/version 3

[5] LEM datasheet: digitaloutput transducers HO-NPW series. 14March2018/version 2

[6] LEM datasheet: digitaloutput transducers HLSR-PW series. 15March2018/version 3

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