淺談基于霍爾傳感器的電流監測及過流保護設計與選型

摘要：根據機載電子設備健康監測和視情維修的要求，發射裝置內場測試儀需增加對被測產品進行精確電流監測的功能;同時，為避免測試期間因過流而導致的產品或測試設備損壞，亟需實現對被測產品的動態過流保護。基于此需求，設計了一種基于霍爾傳感器的實現方案。硬件方面，電路由敏感器件、電流監測調理電路和過流保護控制電路組成，一方面將工作電流轉化為對應的指示電壓并調理輸出;另一方面根據設置的動態電流閾值實現過流保護。軟件方面，在測試儀原有的三層軟件框架基礎上，增加了電流閾值設定、電流指示、超限報警等模塊，實現了電路控制、狀態顯示和數據存儲等功能。通過該設計，測試儀的智能化程度得到有效提升，滿足了健康監測的需求，并有效降低了發射裝置研制過程中因過流損壞而造成的財產損失和進度風險。

關鍵詞：發射裝置;內場測試儀;霍爾傳感器;電流監測;過流保護;健康監測

0引言
隨著航空裝備的快速發展，通用型的自動測試系統(ATS)逐步成為機載電子設備可靠運行的必要保證，用于實現對某類機載設備進行功能和性能測試。此類測試設備一般與被測產品進行同步研發設計，如空空測試儀、發射裝置測試儀等。這些測試設備在測試產品時，通過運行自動的測試流程，一方面為被測產品提供所需的電源，一方面通過發送和接收相應的測試信號，檢驗被測產品的功能和性能是否正常。
為了防止被測產品或測試設備故障導致的短路及過流問題，測試設備需要設計相應的保護措施。傳統的方案是安裝保險絲或空氣斷路器，這種方法雖然簡單，但由于不同測試條件下的測試電流往往并不相同，只能保護電流的極限狀態，無法實現動態保護。另一方面，隨著健康監測和視情維修的理念逐步被引入航空裝備的維護體系，在測試過程中對被測產品的工作電流監測成為了故障診斷和視情維修判斷的重要依據，也成為測試設備*的設計要求之一。
近年來，在機載發射裝置的研制過程中，因缺乏有效的電流監測及過流保護措施，而在測試過程中損壞被測產品或測試設備的情況時有發生，這不僅造成了巨大的財產損失，還會造成研制進度的延誤。因此，對測試設備的供電電流進行準確監測并實現動態過流保護已成為測試設備設計所面臨的一個迫切問題。本文以發射裝置內場測試儀為平臺，提出了一種基于霍爾傳感器的電流監測及過流保護方案。經實驗驗證，該方案能夠準確地實現電流監測，并可以按照設定值進行有效的過流保護。同時，該方案具有良好的通用性和可移植性，能夠為同類設備的設計提供參考。

1硬件設計
機載發射裝置用于在飛機上安裝和運載，并按規定的發射程序控制和實施的發射。發射裝置內場測試儀的功能是通過模擬飛機和系統的電氣接口，完成對機載發射裝置的電氣功能測試。測試儀的基本工作原理如圖1所示。

圖1測試儀基本工作原理

測試時，測試儀通過測試電纜與發射裝置連接，發射裝置的工作電源由測試儀模擬飛機提供。為了監測發射裝置工作過程中的電流情況，同時避免發射裝置和測試儀損壞，在供電電路上設計了電流監測及過流保護控制電路，電路原理圖如圖2所示。

圖2電路原理圖

電路的核心器件選用AllegＲo公司的ACS712霍爾式電流傳感器，其基本原理是利用霍爾效應，感應流入電流所產生的磁場強度，然后轉化為電壓輸出。利用霍爾傳感器進行電流測試具有電路簡單、靈敏度高、動態特性好等優點。該芯片采用SOIC8封裝，內阻僅為1.2mΩ，輸出精度在25℃時可達1.5%，在-40℃～85℃全溫度范圍內可達4%。該芯片具有3種量程可選，分別為±5A、±20A和±30A，本文根據被測電流的大小選擇±20A量程，其輸出公式為： 

式中:IIN的單位為A。
后續調理電路分為兩部分，一部分為電流監測調理電路，一部分為過流保護控制電路。
電流監測調理電路用于對傳感器輸出信號進行調理，由運放及匹配電阻構成，其中R2/R3=5/3，R1/R4=1/3，從而有:

（2）

通過此電路，將測試靈敏度由100mV/A提高到300mV/A，同時將零位點由0.5VCC調整至0V，便于采集和計算。該電路的輸出信號通過測試儀的AD采集板卡進行采集后由測試軟件進行讀取，實現電流監測的功能。
過流保護控制電路用于實現測試儀的過流保護功能。之所以通過硬件電路直接實現過流保護而沒有采取軟件判定再控制的方式，是為了獲得更快的響應速度和更高的可靠性。過流保護控制電路由比較器、達林頓管等器件組成。比較器的參考電平根據需求由測試儀的DA板卡設置，根據不同的被測產品和測試流程可以隨時更改參考電平，以實現對不同電流的動態過流保護功能。一旦實際電流超過要求值，傳感器輸出將超過參考電平，則比較器翻轉，從而驅動達林頓管控制繼電器動作，切斷電源輸出。同時，為防止電流在限額附近波動造成繼電器反復斷開閉合，在比較器的正輸入端和輸出端之間設計了箝位二極管，一旦比較器翻轉，二極管導通，會將正輸入端電平拉低，從而使比較器一直保持在翻轉狀態，需將系統斷電復位后方可恢復。
通過此電路的設計，實現了對測試儀輸出電源的電流監測和過流保護功能。

2軟件設計
測試儀的測試軟件基于LabVIEW進行開發，軟件框架分為三層，由上到下分別為應用層、中間層、板卡驅動層，示意圖如圖3所示。其中，板卡驅動層直接對硬件板卡資源進行控制，負責控制板卡的輸出、采集、總線數據發送、接收等任務;中間層是建立在驅動層之上、但不直接和操作者進行交互的一層，實現底層板卡驅動層和應用層的隔離，它負責測試系統軟、硬件資源的統一調度，包括測試軟件的內部數據管理、測試流程的生成和管理、報表的存儲和管理等功能;應用層為直接和用戶交互的一層，它包括人機交互功能和調用測試序列的功能。

圖3測試平臺的軟件框架
對于電流監測功能而言，首先在中間層設置電流保護閾值，此閾值不是固定不變的，而是根據不同被測產品和不同測試流程動態變化的，以實現精準控制的目的。電流保護閾值按2檔進行設計，1檔為提示值，用于電流值略微超出正常范圍、但還不會損壞產品的情況;第2檔為保護值，用于電流大幅超出正常范圍、且有可能損壞產品的情況。閾值設置完成后，通過板卡驅動層控制相應DA板卡輸出參考電平給電流保護電路，另一方面調用AD板卡對電流指示信號進行采集并在應用層進行顯示和記錄。
含電流監測及保護功能的測試流程圖如圖4所示。

圖4測試軟件工作流程圖
測試過程中，如某一時刻產品的工作電流達到提示值，測試流程繼續進行，但會在測試界面上以黃燈提示，并將此時的電流值、工作流程、日歷時間等信息進行存儲，作為產品故障診斷和視情維修的重要判據來源。如某一時刻產品的工作電流達到保護值，硬件電路直接控制測試儀給產品斷電，同時測試流程中斷，并在測試界面上以紅燈顯示，達到保護產品和測試儀的目的。

3實驗結果與討論
為了驗證所設計電路的性能，分別對其進行了靜態性能測試和動態性能測試，靜態性能測試主要考核電路的電流監控能力，動態性能測試主要考核電路的過流保護能力。
靜態性能測試:使用功率電阻對電路的輸出電源加載，使用電流表測試輸出電源上的實際電流，電壓表測試電流指示信號的電壓值。在0A~10A的范圍內，測得其輸入-輸出關系如圖5所示。

圖5靜態性能測試特性曲線
可見，電流指示信號的電壓值與實際電流值線性度較好，靈敏度與設計參數一致。
動態性能測試:在輸出電源不上電的情況下，連接足以使電流超限的功率電阻，用示波器監視保護后的電源信號，記錄該信號從上電到被切斷的變化波形，如圖6所示。

圖6電源過流保護波形
由圖可見，從電源上電到超限保護僅用了不到3ms時間，而所用保護繼電器的動作時間指標為≤6ms，從而可知超限保護時間主要取決于繼電器動作的速度，翻轉電路的動作時間可忽略不計，該時間足以滿足在被測產品或測試儀損壞前切斷電源。

4安科瑞霍爾傳感器產品選型
4.1產品介紹
霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復雜信號的隔離轉換，通過霍爾效應原理使變換后的信號能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受，響應時間快，電流測量范圍寬精度高，過載能力強，線性好，抗干擾能力強。適用于電流監控及電池應用、逆變電源及太陽能電源管理系統、直流屏及直流馬達驅動、電鍍、焊接應用、變頻器，UPS伺服控制等系統電流信號采集和反饋控制。

4.2產品選型
4.2.1開口式開環霍爾電流傳感器

4.2.2閉口式開環霍爾電流傳感器

4.2.3閉環霍爾電流傳感器

4.2.4直流漏電流傳感器

5結論
本文針對發射裝置內場測試儀無法實現精確的電流監測及缺乏動態過流保護功能的問題，設計了一種基于霍爾器件的電流監測及過流保護電路，該方案結構簡單、使用靈活。經過靜態性能測試和動態性能測試，該方案能夠準確、有效地實現所需功能，這對于降低發射裝置的研制風險、加快研制進度有著重要的意義，同時可為同類設備的設計提供有效的參考。

【參考文獻】
[1]趙 文.基于霍爾傳感器的電流監測及過流保護設計
[2]袁超．機載設備通用自動測試系統現狀與發展［J］．測控技術，2015，34(Z):112－114．
[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2020.06版