霍爾效應(yīng)電能計(jì)量技術(shù)的集成電路
霍爾效應(yīng)基本原理
將通有電流 I 的金屬板（或半導(dǎo)體板）置于磁感強(qiáng)度為 B 的均勻磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)的方向和電流方向垂直（如圖1，略，詳見(jiàn)《電工儀表與公用表計(jì)》行業(yè)信息第3期），電子在均勻磁場(chǎng)B中受洛倫茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在上下兩側(cè)表面分別聚積正、負(fù)電荷，形成電勢(shì)差 ，該現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)[1]。
經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，霍爾電勢(shì)差的大小和電流 I 及磁感強(qiáng)度B成正比，而與板的厚度d 成反比�；魻栯妱�(shì)差可UH定量地表示為：
UH = RH I B/d （1）
式中：RH稱為材料性質(zhì)有關(guān)的霍爾系數(shù)，其值為。這里n、q分別為載流子數(shù)密度和載流子的電荷量。
在金屬導(dǎo)體中，自由電子的濃度大，故金屬導(dǎo)體的霍爾系數(shù)很小，相應(yīng)的霍爾電勢(shì)差也就很弱，即霍爾效應(yīng)不明顯。
在半導(dǎo)體中，載流子濃度很低，故半導(dǎo)體的霍爾系數(shù)比金屬導(dǎo)體大得多，即半導(dǎo)體能產(chǎn)生很強(qiáng)的霍爾效應(yīng)。
根據(jù)霍爾效應(yīng)的特點(diǎn)，讓恒流源I通過(guò)均勻厚度的半導(dǎo)體PN結(jié)，將待測(cè)量的電信號(hào)i（如相電流信號(hào)Ia、Ib、/Ic）轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)B，通過(guò)測(cè)量UH的電位值，可以建立起下列線性關(guān)系：
UH = kH ? i （2）
其中：
kH為材料性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，
i為被測(cè)量的電參數(shù)信號(hào)（如相電流信號(hào)
Ia、
Ib、
Ic）。與采用電流互感器（
CT）的常規(guī)測(cè)量相比，霍爾效應(yīng)電流
傳感器具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：
（1） 測(cè)量電流范圍大，動(dòng)態(tài)范圍寬，且大電流不會(huì)使
傳感器飽和；
（2） 輸出線性度高，精度高，帶寬高(DC～5MHz)，可?直流分量；
（3） 高測(cè)量增益，使器件誤差對(duì)產(chǎn)品性能影響很小；
（4） 輸入阻抗大，電流回路損耗低；
（5） 輸入輸出信號(hào)之間的角差小。
在實(shí)際應(yīng)用中，影響半導(dǎo)體霍爾效應(yīng)器件的精確度的主要因素有：
（1） 雜散磁場(chǎng)的影響；
（2） 材料的幾何尺寸（如厚度）的均勻性；
（3） 材料的物理性質(zhì)（如半導(dǎo)體內(nèi)雜質(zhì)分布）的均勻性；
（4） 溫度漂移；
（5） 時(shí)間漂移。
霍爾效應(yīng)電能計(jì)量技術(shù)的集成電路
盡管人們?cè)缭?879年就知道了霍爾效應(yīng)，但直到20世紀(jì)60年代末期，隨著固態(tài)電子技術(shù)的發(fā)展，霍爾效應(yīng)才開(kāi)始被人們所應(yīng)用。
由于霍爾器件一般由半導(dǎo)體制作，而半導(dǎo)體的加工制作工藝復(fù)雜，不容易做到幾何尺寸的均勻性和材料性質(zhì)的一致性，加上半導(dǎo)體本身的溫度漂移和時(shí)間漂移等特性一直難以有效地補(bǔ)償，所以直到上個(gè)世紀(jì)末，霍爾效應(yīng)還不太適宜用于定量測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小，當(dāng)然也更難用于電流或功率信號(hào)的精密測(cè)量。但霍爾器件在定性測(cè)量方面，特別是用于非接觸式位移測(cè)量的霍爾接近開(kāi)關(guān)，在航空航天、汽車、數(shù)控機(jī)床、手機(jī)等行業(yè)獲得了極為廣泛的應(yīng)用。
CMOS技術(shù)的快速發(fā)展，使制造具有成本低、質(zhì)量好、性能可靠、體積小等多種優(yōu)點(diǎn)的實(shí)用型高精度霍爾
傳感器（如磁場(chǎng)強(qiáng)度
傳感器、電流
傳感器、位移
傳感器、速度
傳感器等）成為可能。
瑞士蘭吉爾公司開(kāi)發(fā)的專用集成電路
MESA就是一款基于霍爾效應(yīng)測(cè)量原理的實(shí)用化的電能計(jì)量芯片。它將先進(jìn)的電能測(cè)量算法和霍爾
傳感器完美地結(jié)合成
ASIC器件。
如圖2（略，詳見(jiàn)《電工儀表與公用表計(jì)》行業(yè)信息第3期）所示，MESA的內(nèi)部分成三個(gè)功能塊：測(cè)量單元、數(shù)字信號(hào)處理（DSP）單元和接口電路。
1.2.1測(cè)量單元
測(cè)量單元內(nèi)集成了霍爾
傳感器、信號(hào)調(diào)理器、Σ-Δ原理的16位ADC、三階SINC濾波器、偏置補(bǔ)償電路、基準(zhǔn)電壓源、可編程電流/電壓延遲電路、直流分流消除電路等功能：
（1） 傳感器及前段處理電路包含霍爾
傳感器、信號(hào)調(diào)理器和恒流源電路，它除了集成的霍爾效應(yīng)電路以外，既可以接收普通電流互感器信號(hào)，也能接收錳銅分流器信號(hào)。對(duì)于非霍爾效應(yīng)方式的
傳感器信號(hào)，從SH+和SH-兩個(gè)腳上輸入。
（2） ∑/∆ 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 片上集成了二階Σ-ΔADC模塊，進(jìn)行采樣。
（3） 可變程電壓/電流信號(hào)延時(shí)電路 用于補(bǔ)償電流互感器、電壓互感器、外接分流器等導(dǎo)致的信號(hào)角差。
（4） 偏置補(bǔ)償電路 該電路用于系統(tǒng)偏置（一般由運(yùn)算放大器、
傳感器等模擬電路引起），不能消除直流分量，以便測(cè)量直流電流分量的需要。
（5） 三階SINC濾波器 用于將高過(guò)采樣速率的Σ-ΔADC結(jié)果降低到需要的采樣速率。
（6） DC分量消除電路 它屬于傳輸速度比較低的一階高通濾波器，用于將電壓和電流回路中剩余的直流分量剔除掉，這樣一來(lái)，可以進(jìn)一步將系統(tǒng)偏置和角差降低到極低程度。
1.1.2數(shù)字信號(hào)處理（DSP）單元
數(shù)字信號(hào)處理（DSP）單元集成了數(shù)字乘法器、均方根運(yùn)算、電能積算單元、延時(shí)濾波（Hilbert）等功能，用于實(shí)現(xiàn)電流、電壓、有功電能、無(wú)功電能、功率因數(shù)、頻率、相角等電能參數(shù)的實(shí)時(shí)處理。
（1） 電能計(jì)算用硬件乘法累加器 為16位×16位硬件乘法器和一個(gè)能夠連續(xù)累積最大功率Pmax時(shí)的乘積至少250ms的累加器，有可供檢測(cè)的溢出信號(hào)。正是由于內(nèi)部寬大的數(shù)據(jù)乘法累加器，使寬量程計(jì)量才有可能。
（2） VRMS/IRMS計(jì)算用硬件乘法器 為低速乘法計(jì)算器，用于計(jì)算電壓、電流的有效值。其計(jì)算速度與器件的輸入時(shí)鐘CLK有關(guān)。例如，在CLK=500kHz時(shí)，輸出速度為270Hz。
（3） 精度校正 用于標(biāo)定測(cè)量結(jié)果，保證測(cè)量值與實(shí)際值對(duì)應(yīng)。
1.2.3接口電路
接口電路包括工作電源、電源監(jiān)測(cè)與上電復(fù)位、SPI接口等部分。
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業(yè)務(wù)：