霍爾效應電能計量技術的集成電路
霍爾效應基本原理
將通有電流 I 的金屬板（或半導體板）置于磁感強度為 B 的均勻磁場中，磁場的方向和電流方向垂直（如圖1，略，詳見《電工儀表與公用表計》行業(yè)信息第3期），電子在均勻磁場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、負電荷，形成電勢差 ，該現(xiàn)象稱為霍爾效應[1]。
經(jīng)實驗測定，霍爾電勢差的大小和電流 I 及磁感強度B成正比，而與板的厚度d 成反比。霍爾電勢差可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。
在金屬導體中，自由電子的濃度大，故金屬導體的霍爾系數(shù)很小，相應的霍爾電勢差也就很弱，即霍爾效應不明顯。
在半導體中，載流子濃度很低，故半導體的霍爾系數(shù)比金屬導體大得多，即半導體能產(chǎn)生很強的霍爾效應。
根據(jù)霍爾效應的特點，讓恒流源I通過均勻厚度的半導體PN結(jié)，將待測量的電信號i（如相電流信號Ia、Ib、/Ic）轉(zhuǎn)化為磁場強度信號B，通過測量UH的電位值，可以建立起下列線性關系：
UH = kH ? i （2）
其中：
kH為材料性質(zhì)有關的系數(shù)，
i為被測量的電參數(shù)信號（如相電流信號
Ia、
Ib、
Ic）。與采用電流互感器（
CT）的常規(guī)測量相比，霍爾效應電流
傳感器具有以下顯著優(yōu)點：
（1） 測量電流范圍大，動態(tài)范圍寬，且大電流不會使
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） 高測量增益，使器件誤差對產(chǎn)品性能影響很小；
（4） 輸入阻抗大，電流回路損耗低；
（5） 輸入輸出信號之間的角差小。
在實際應用中，影響半導體霍爾效應器件的精確度的主要因素有：
（1） 雜散磁場的影響；
（2） 材料的幾何尺寸（如厚度）的均勻性；
（3） 材料的物理性質(zhì)（如半導體內(nèi)雜質(zhì)分布）的均勻性；
（4） 溫度漂移；
（5） 時間漂移。
霍爾效應電能計量技術的集成電路
盡管人們早在1879年就知道了霍爾效應，但直到20世紀60年代末期，隨著固態(tài)電子技術的發(fā)展，霍爾效應才開始被人們所應用。
由于霍爾器件一般由半導體制作，而半導體的加工制作工藝復雜，不容易做到幾何尺寸的均勻性和材料性質(zhì)的一致性，加上半導體本身的溫度漂移和時間漂移等特性一直難以有效地補償，所以直到上個世紀末，霍爾效應還不太適宜用于定量測量磁場強度的大小，當然也更難用于電流或功率信號的精密測量。但霍爾器件在定性測量方面，特別是用于非接觸式位移測量的霍爾接近開關，在航空航天、汽車、數(shù)控機床、手機等行業(yè)獲得了極為廣泛的應用。
CMOS技術的快速發(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)點的實用型高精度霍爾
傳感器（如磁場強度
傳感器、電流
傳感器、位移
傳感器、速度
傳感器等）成為可能。
瑞士蘭吉爾公司開發(fā)的專用集成電路
MESA就是一款基于霍爾效應測量原理的實用化的電能計量芯片。它將先進的電能測量算法和霍爾
傳感器完美地結(jié)合成
ASIC器件。
如圖2（略，詳見《電工儀表與公用表計》行業(yè)信息第3期）所示，MESA的內(nèi)部分成三個功能塊：測量單元、數(shù)字信號處理（DSP）單元和接口電路。
1.2.1測量單元
測量單元內(nèi)集成了霍爾
傳感器、信號調(diào)理器、Σ-Δ原理的16位ADC、三階SINC濾波器、偏置補償電路、基準電壓源、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、信號調(diào)理器和恒流源電路，它除了集成的霍爾效應電路以外，既可以接收普通電流互感器信號，也能接收錳銅分流器信號。對于非霍爾效應方式的
傳感器信號，從SH+和SH-兩個腳上輸入。
（3） 可變程電壓/電流信號延時電路 用于補償電流互感器、電壓互感器、外接分流器等導致的信號角差。
（4） 偏置補償電路 該電路用于系統(tǒng)偏置（一般由運算放大器、
傳感器等模擬電路引起），不能消除直流分量，以便測量直流電流分量的需要。
（5） 三階SINC濾波器 用于將高過采樣速率的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，可以進一步將系統(tǒng)偏置和角差降低到極低程度。
1.1.2數(shù)字信號處理（DSP）單元
數(shù)字信號處理（DSP）單元集成了數(shù)字乘法器、均方根運算、電能積算單元、延時濾波（Hilbert）等功能，用于實現(xiàn)電流、電壓、有功電能、無功電能、功率因數(shù)、頻率、相角等電能參數(shù)的實時處理。
（1） 電能計算用硬件乘法累加器 為16位×16位硬件乘法器和一個能夠連續(xù)累積最大功率Pmax時的乘積至少250ms的累加器，有可供檢測的溢出信號。正是由于內(nèi)部寬大的數(shù)據(jù)乘法累加器，使寬量程計量才有可能。
（2） VRMS/IRMS計算用硬件乘法器 為低速乘法計算器，用于計算電壓、電流的有效值。其計算速度與器件的輸入時鐘CLK有關。例如，在CLK=500kHz時，輸出速度為270Hz。
（3） 精度校正 用于標定測量結(jié)果，保證測量值與實際值對應。
1.2.3接口電路
接口電路包括工作電源、電源監(jiān)測與上電復位、SPI接口等部分。
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業(yè)務：