홀 효과 전류 센서 전문 가이드: 개루프 및 폐루프 구성

이 기술 문서에서 홀 효과 전류 센서의 기초를 학습하세요.

전류 센서는 다양한 응용 분야에서 널리 사용됩니다. 일반적인 기술은 션트 저항 양단의 전압 강하를 측정하여 미지의 전류를 결정하는 저항성 전류 감지입니다. 션트 저항 기반 솔루션은 갈바닉 절연을 제공하지 않으며, 특히 큰 전류 측정 시 전력 효율이 좋지 않습니다.

또 다른 널리 사용되는 기술은 홀 효과에 기반합니다. 홀 효과 전류 센서는 센서와 측정 대상 전류 사이의 갈바닉 절연으로 더 높은 안전성을 제공합니다. 또한 저항성 전류 감지 방식에서 사용하는 션트 저항의 상당한 전력 소모를 피할 수 있습니다.

이 글에서는 홀 효과 전류 센서의 기초를 살펴봅니다.

 

개루프 전류 감지

홀 효과 기반 개루프 전류 센서의 구조는 그림 1에 나와 있습니다.

 

그림 1. Dewesoft 제공 이미지

 

측정할 전류가 자성 코어 내부의 도체를 통해 흐릅니다. 이렇게 하면 전류가 코어 내부에 자기장을 생성합니다. 이 자기장은 코어 에어 갭에 배치된 홀 효과 센서에 의해 측정됩니다.

홀 센서의 출력은 코어 자기장에 비례하는 전압으로, 이는 입력 전류에도 비례합니다. 홀 소자가 생성한 신호는 보통 신호 조절 회로에 의해 처리됩니다. 신호 조절 회로는 단순한 증폭 단계이거나 홀 소자 드리프트 오류 등을 제거하기 위해 설계된 더 복잡한 회로일 수 있습니다.

 

자성 코어가 필요한 이유

자성 코어가 없다고 가정해 봅시다. 무한히 긴 직선 도체가 전류 I를 흘릴 때 거리 r에서의 자기장은:

 

\[B = \frac{\mu_0I}{2\pi r} ~ , ~ \mu_0 = 4\pi \times 10^{-7}\frac{H}{m}\]

 

여기서 μ₀는 자유 공간의 투자율입니다. I=1A, r=1cm일 때:

 

\[B = 2 \times 10^{-5}~Tesla = 0.2~Gauss\]

 

이 자기장이 얼마나 작은지 감을 잡으려면 지구 자기장이 약 0.5 Gauss임을 상기하세요. 따라서 자유 공간에서 전류가 생성하는 자기장을 감지하여 1A 전류를 측정하는 것은 매우 어렵습니다. 이 문제를 해결하기 위해 전류가 생성하는 자기장을 가두고 안내하는 자성 코어를 사용할 수 있습니다. 코어는 자기장에 대한 높은 투자율 경로를 제공하며 자기장 집중기 역할을 합니다. 코어 내부의 자기장은 주어진 전류가 자유 공간에서 생성할 수 있는 것보다 수백 또는 수천 배 더 클 수 있습니다.

 

에어 갭

그림 1에 표시된 것처럼 홀 센서가 배치된 에어 갭이 자성 코어에 설계되어 있습니다. 에어 갭은 일부 자력선이 직선 경로에서 벗어나 센서를 예상대로 통과하지 않는 프린징 플럭스 현상을 유발할 수 있습니다. 이 프린징 효과는 그림 2에 나와 있습니다.

 

그림 2. R. Jez 제공 이미지

 

프린징 효과 때문에 홀 소자가 감지하는 자기 플럭스 밀도는 코어 내부의 자기 플럭스 밀도보다 작을 수 있습니다. 즉, 에어 갭이 주어진 전류를 강한 자기장으로 변환하는 코어의 효율을 감소시킬 수 있습니다. 그러나 갭 길이가 갭 단면적에 비해 작으면 프린징 효과는 상대적으로 작을 수 있습니다.

코어 내부의 자기장을 측정하기 위해 에어 갭이 필요합니다. 게다가 에어 갭을 통해 코어의 전체 렐럭턴스를 수정할 수 있습니다. 높은 전류는 코어 내부에 큰 자기장을 생성하여 포화시킬 수 있습니다. 이는 측정 가능한 최대 전류를 제한할 수 있습니다. 에어 갭 길이를 조정하여 코어 포화 레벨을 변경할 수 있습니다. 그림 3은 주어진 코어에 대해 감지된 자기 플럭스 밀도가 에어 갭 길이에 따라 어떻게 변하는지 보여줍니다.

 

그림 3. Allegro 제공 이미지

 

더 작은 에어 갭으로 더 큰 자기 이득(가우스/암페어 이득)을 달성할 수 있습니다. 그러나 더 작은 에어 갭은 코어가 상대적으로 더 작은 전류에서 포화되게 만들 수 있습니다. 따라서 갭 길이는 측정 가능한 최대 전류에 직접 영향을 미칩니다. 갭 길이 외에도 코어 재료, 치수, 형상 등 다른 요소들이 자성 코어의 효율을 결정합니다. 200A 이상 고전류 응용 분야에 적합한 코어에 대한 자세한 내용은 Allegro의 이 응용 노트를 참조하세요.

 

개루프 전류 감지의 한계

개루프 구성에서는 선형성 및 이득 오류 같은 비이상적 효과가 측정 정확도에 영향을 줄 수 있습니다. 예를 들어 센서 감도가 온도에 따라 변하면 온도 의존적 오류가 출력에 나타납니다. 게다가 개루프 전류 감지에서는 코어가 포화될 수 있습니다. 또한 홀 센서의 오프셋과 코어 보자력도 오류에 기여할 수 있습니다.

 

폐루프 전류 감지

폐루프 홀 효과 전류 감지 기술은 그림 4에 나와 있습니다.

 

그림 4. Cheemi-Tech 제공 이미지

 

이름에서 알 수 있듯이 이 기술은 음의 피드백 개념에 기반합니다. 이 경우 피드백 경로의 출력에 의해 구동되는 2차 권선이 있습니다. 피드백 경로는 코어 내부의 자기장을 감지하고 2차 권선을 통한 전류를 조정하여 코어의 총 자기장이 0이 되도록 합니다. 이 회로가 어떻게 작동하는지 봅시다.

측정할 전류가 1차 도체를 통해 흐르고 코어 내부에 자기장을 생성합니다. 이 자기장은 코어 에어 갭에 배치된 홀 효과 센서에 의해 측정됩니다. 코어 자기장에 비례하는 전압인 홀 센서의 출력이 증폭되어 2차 권선을 통해 흐르는 전류 신호로 변환됩니다. 시스템은 2차 권선을 통한 전류가 1차 전류의 자기장과 반대되는 자기장을 생성하도록 설계됩니다. 총 자기장이 0이 되면 다음이 성립해야 합니다:

 

\[N_pI_p = N_sI_s\]

 

여기서 N_p와 N_s는 각각 1차 및 2차 권선의 턴 수이고, I_p와 I_s는 1차 및 2차 전류입니다. 그림 4에서 N_p= 1이고 \[V_{out} = R_m \times I_s\]입니다. 따라서 다음을 얻습니다:

 

\[V_{out} = R_m \times \frac{1}{N_s} \times I_p\]

 

이는 1차 전류에 비례하는 전압을 제공합니다. 비례 계수 \[R_m \times \frac{1}{N_s}\]는 턴 수와 션트 저항 값의 함수입니다. 턴 수는 상수 값이고 저항기도 매우 선형적입니다.

 

개루프 대 폐루프 전류 감지

폐루프 아키텍처에 사용된 음의 피드백은 선형성 및 이득 오류 같은 비이상적 효과를 줄여줍니다. 그래서 개루프 구성과 달리 폐루프 아키텍처는 센서 감도의 드리프트에 영향을 받지 않습니다. 따라서 폐루프 구성이 더 높은 정확도를 제공합니다. 폐루프 전류 센서는 코어 내부의 자기 플럭스 밀도가 매우 작기 때문에 코어 포화에 더 강건합니다.

폐루프 감지에서는 2차 코일이 고전력 증폭기에 의해 능동적으로 구동됩니다. 폐루프 아키텍처에 사용된 추가 구성 요소는 더 큰 PCB 면적, 더 높은 전력 소비, 더 높은 가격으로 이어집니다.

안정성 문제는 폐루프 전류 센서의 또 다른 단점입니다. 폐루프 구성에서는 시스템 전달 함수를 도출하고 시스템이 안정적인지 확인해야 합니다. 불안정한 시스템은 입력 전류의 급격한 변화에 대해 오버슈트나 링잉을 보일 수 있습니다. 폐루프 시스템을 안정적으로 만들려면 보통 대역폭을 제한해야 합니다. 그러나 시스템 대역폭을 줄이면 응답 시간이 증가하고 입력이 급격히 변할 때 시스템이 대응하지 못하게 될 수 있습니다. 개루프 구성은 일반적으로 더 빠른 응답 시간을 보일 것으로 예상됩니다.

홀 센서의 오프셋은 폐루프와 개루프 구성 모두에서 오류에 기여할 수 있습니다. 품질 좋은 인듐 안티모나이드(InSb) 홀 소자의 오프셋은 일반적으로 ±7mV입니다.

 

현대 통합 솔루션

현대 홀 효과 기반 전류 센서는 위에서 언급한 일부 한계를 해결하기 위해 혁신적인 기술을 사용한다는 점은 주목할 만합니다. 예를 들어 TI의 DRV411은 홀 소자 오프셋과 드리프트 오류를 제거하기 위해 전류 스피닝 기법을 사용하는 폐루프 전류 감지 응용 분야용 신호 조절 IC입니다. 이 기법은 그림 5에 나와 있습니다.

 

그림 5. DRV411에 사용된 전류 스피닝 기법. Texas Instruments 제공 이미지

 

또 다른 예는 Allegro의 ACS720[PDF 다운로드 링크]으로, 개루프 전류 감지 응용 분야용으로 설계되었습니다. ACS720은 온칩 온도 보상 알고리즘을 사용하여 온도 범위에서 정확도를 최적화합니다.

 

그림 6. ACS720의 블록 다이어그램. Allegro Microsystems 제공 이미지 [PDF 다운로드 링크]

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