霍尔效应电能计量技术的集成电路
霍尔效应基本原理
将通有电流 I 的金属板（或半导体板）置于磁感强度为 B 的均匀磁场中，磁场的方向和电流方向垂直（如图1，略，详见《电工仪表与公用表计》行业信息第3期），电子在均匀磁场B中受洛伦兹力的作用而发生偏转，在上下两侧表面分别聚积正、负电荷，形成电势差 ，该现象称为霍尔效应[1]。
经实验测定，霍尔电势差的大小和电流 I 及磁感强度B成正比，而与板的厚度d 成反比。霍尔电势差可UH定量地表示为：
UH = RH I B/d （1）
式中：RH称为材料性质有关的霍尔系数，其值为。这里n、q分别为载流子数密度和载流子的电荷量。
在金属导体中，自由电子的浓度大，故金属导体的霍尔系数很小，相应的霍尔电势差也就很弱，即霍尔效应不明显。
在半导体中，载流子浓度很低，故半导体的霍尔系数比金属导体大得多，即半导体能产生很强的霍尔效应。
根据霍尔效应的特点，让恒流源I通过均匀厚度的半导体PN结，将待测量的电信号i（如相电流信号Ia、Ib、/Ic）转化为磁场强度信号B，通过测量UH的电位值，可以建立起下列线性关系：
UH = kH ? i （2）
其中：
kH为材料性质有关的系数，
i为被测量的电参数信号（如相电流信号
Ia、
Ib、
Ic）。与采用电流互感器（
CT）的常规测量相比，霍尔效应电流
传感器具有以下显著优点：
（1） 测量电流范围大，动态范围宽，且大电流不会使
传感器饱和；
（2） 输出线性度高，精度高，带宽高(DC～5MHz)，可?直流分量；
（3） 高测量增益，使器件误差对产品性能影响很小；
（4） 输入阻抗大，电流回路损耗低；
（5） 输入输出信号之间的角差小。
在实际应用中，影响半导体霍尔效应器件的精确度的主要因素有：
（1） 杂散磁场的影响；
（2） 材料的几何尺寸（如厚度）的均匀性；
（3） 材料的物理性质（如半导体内杂质分布）的均匀性；
（4） 温度漂移；
（5） 时间漂移。
霍尔效应电能计量技术的集成电路
尽管人们早在1879年就知道了霍尔效应，但直到20世纪60年代末期，随着固态电子技术的发展，霍尔效应才开始被人们所应用。
由于霍尔器件一般由半导体制作，而半导体的加工制作工艺复杂，不容易做到几何尺寸的均匀性和材料性质的一致性，加上半导体本身的温度漂移和时间漂移等特性一直难以有效地补偿，所以直到上个世纪末，霍尔效应还不太适宜用于定量测量磁场强度的大小，当然也更难用于电流或功率信号的精密测量。但霍尔器件在定性测量方面，特别是用于非接触式位移测量的霍尔接近开关，在航空航天、汽车、数控机床、手机等行业获得了极为广泛的应用。
CMOS技术的快速发展，使制造具有成本低、质量好、性能可靠、体积小等多种优点的实用型高精度霍尔
传感器（如磁场强度
传感器、电流
传感器、位移
传感器、速度
传感器等）成为可能。
瑞士兰吉尔公司开发的专用集成电路
MESA就是一款基于霍尔效应测量原理的实用化的电能计量芯片。它将先进的电能测量算法和霍尔
传感器完美地结合成
ASIC器件。
如图2（略，详见《电工仪表与公用表计》行业信息第3期）所示，MESA的内部分成三个功能块：测量单元、数字信号处理（DSP）单元和接口电路。
1.2.1测量单元
测量单元内集成了霍尔
传感器、信号调理器、Σ-Δ原理的16位ADC、三阶SINC滤波器、偏置补偿电路、基准电压源、可编程电流/电压延迟电路、直流分流消除电路等功能：
（1） 传感器及前段处理电路包含霍尔
传感器、信号调理器和恒流源电路，它除了集成的霍尔效应电路以外，既可以接收普通电流互感器信号，也能接收锰铜分流器信号。对于非霍尔效应方式的
传感器信号，从SH+和SH-两个脚上输入。
（2） ∑/∆ 模数转换器 片上集成了二阶Σ-ΔADC模块，进行采样。
（3） 可变程电压/电流信号延时电路 用于补偿电流互感器、电压互感器、外接分流器等导致的信号角差。
（4） 偏置补偿电路 该电路用于系统偏置（一般由运算放大器、
传感器等模拟电路引起），不能消除直流分量，以便测量直流电流分量的需要。
（5） 三阶SINC滤波器 用于将高过采样速率的Σ-ΔADC结果降低到需要的采样速率。
（6） DC分量消除电路 它属于传输速度比较低的一阶高通滤波器，用于将电压和电流回路中剩余的直流分量剔除掉，这样一来，可以进一步将系统偏置和角差降低到极低程度。
1.1.2数字信号处理（DSP）单元
数字信号处理（DSP）单元集成了数字乘法器、均方根运算、电能积算单元、延时滤波（Hilbert）等功能，用于实现电流、电压、有功电能、无功电能、功率因数、频率、相角等电能参数的实时处理。
（1） 电能计算用硬件乘法累加器 为16位×16位硬件乘法器和一个能够连续累积最大功率Pmax时的乘积至少250ms的累加器，有可供检测的溢出信号。正是由于内部宽大的数据乘法累加器，使宽量程计量才有可能。
（2） VRMS/IRMS计算用硬件乘法器 为低速乘法计算器，用于计算电压、电流的有效值。其计算速度与器件的输入时钟CLK有关。例如，在CLK=500kHz时，输出速度为270Hz。
（3） 精度校正 用于标定测量结果，保证测量值与实际值对应。
1.2.3接口电路
接口电路包括工作电源、电源监测与上电复位、SPI接口等部分。
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