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在开环电流传感器中实现闭环精度

肖恩·米兰,
雷竞技竞猜下载快板微系统公司有限责任公司

闭环电流传感技术被用于许多工业和汽车应用，以精确的电流传感。雷竞技最新网址通过在单个单片、完全集成的电流传感器IC中采用专有封装技术和先进集成算法，Allegro MicroSystems公司开发了基于磁的电流传感器IC解决方案，使用开环拓扑实现接近闭环精度。雷竞技竞猜下载用于实现这一点的封装方法和算法是本文的主题，将详细讨论。

开环与闭环电流传感拓扑

一般来说，开环霍尔效应传感器使用磁传感器来产生与所感知的电流成比例的电压。然后对该信号进行放大，以提供与流过导体的电流成比例的模拟输出信号。将该导体馈入铁心中心以集中磁场，磁换能器置于铁心的间隙中。这个拓扑如图1所示。在开环配置中，霍尔效应电流传感器IC对温度的灵敏度的任何非线性或漂移都可能产生误差。闭环传感器使用一个由电流传感器IC主动驱动的线圈来产生一个磁场，该磁场与导体中电流产生的磁场相反。

霍尔传感器然后观察传感器处的净零磁场。电阻器产生输出，电阻器的电压与输入线圈的电流成正比，电压也与流过主导体的电流成正比，而流过主导体的电流与绕磁芯的线圈匝数成比例。闭环拓扑如图2所示。闭环电流传感器不仅需要铁磁磁芯，还需要一个线圈和附加的更高功率放大器来驱动线圈。而闭环电流传感器比开环电流传感器更复杂
配置时，它们确实消除了与霍尔传感器集成电路相关的灵敏度误差，因为系统仅在零场的一个点上运行。闭环霍尔效应电流传感器和开环霍尔效应电流传感器如果设计得当，一般具有相同的零安输出电压性能，因此开环和闭环霍尔效应电流传感器的零安检测精度非常相似。闭环传感器比开环传感器尺寸更大，占用更多的PCB区域。他们也消耗更多的电力，因为他们需要驱动补偿线圈，更贵，因为
的附加线圈和线圈驱动电路。

开环和闭环传感的选择，然后成为精度和响应时间要求之一。如果应雷竞技最新网址用要求高精度，闭环电流传感器通常是一个容易和明显的选择，因为它消除了上述灵敏度非线性误差在系统中。闭环的快速响应时间要求保护半导体开关，如igbt和mosfet，在应用中用于控制电流。接下来的挑战就变成了制作具有足够精度和速度的开环传感器，从而成为这些应用程序的一个选择。雷竞技最新网址Allegro已经开发出一种技术，能够提供行业领先的开环解决方案，具有小尺寸因数、高精度和速度，比闭环解决方案以更低的价格吸引更少的电流，使其成为新的合理选择。

开环传感器集成电路封装

Allegro电流传感器芯片的独特之处在于大部分芯片都是完全集成的。专利倒装芯片封装技术被用来创造足够的磁场，以消除铁磁的需要
核心。图3显示了SOIC16电流传感器集成电路的配置。注意电流从包的一边进来又出来，信号导线在包的另一边。的
电流产生的磁场集中在图4顶视图中所示的四分之三匝导体的中心。对集成电路进行碰撞，采用倒装技术进行放置
磁霍尔传感器位于最大磁场区域。

从图4的横截面视图还可以看出，半导体IC与载流导体之间没有物理接触。这提供了所需的电隔离
在许多高压应用中。雷竞技最新网址不同的封装封装脚印将提供不同级别的隔离，按照通用和困难的UL和TUV规范UL/TUV60950-1版进行评级
2.请参阅设备数据表//www.wasanxing.com/en/Products/Current-Sensor-ICs.aspx用于单个传感器的隔离等级。这些表面贴装封装的导体电阻非常低，仅为1mΩ。这些封装可用于50a RMS或DC的连续电流，并在客户PCB上考虑标称热因素。关于直流和瞬态电流封装热性能的详细应用说明位于以下链接。//www.wasanxing.com/en/Design-Center/Technical-Documents/Hall-Effect-Sensor-IC-Publications/DC-and-Transient-Current-Capability-Fuse-Characteristics.aspx

先进的半导体算法，以提高精度和速度

阿莱格罗电流传感器IC提供了新的开环技术的一个很好的例子。图5显示了集成电路的典型框图。

Allegro BiCMOS混合信号半导体工艺允许低偏置模拟电路与中密度数字电路结合，使先进算法集成到单个单片集成电路成为可能。模拟信号路径设计工作在120 kHz带宽，响应时间小于4μs，在大多数电机控制和绿色能源应用中工作良好。雷竞技最新网址对于需要雷竞技最新网址更快响应时间来保护过流故障的应用，ACS720还具有用于过流检测的数字慢故障和用于短路保护的非常快的数字故障电流输出。两个故障输出的跳闸点都是用户可配置的，VOC引脚上有一个电阻分压器。快速故障跳闸在仅仅超过1μs的低电平活动，并提供一个信号，可以用来保护半导体开关从短路事件。这为大多数应用提供了所需的高速保护。雷竞技最新网址

该传感器还集成了为逆变器应用优化的功能，其中电源和信号板通常由不同的供电电压供电。雷竞技最新网址ACS720内部调节器
运行在5v电源上，具有较大的电源抑制比，对电力轨道上的噪声提供免疫。然而，设备的输出是非比率测量的和兼容的
带3.3 V电源，可直接送入信号板上的微处理器的ADC。这使得输出信号偏移和灵敏度保持稳定，3.3 V兼容，即使在5 V电源上的干扰。当在多相逆变器中使用多个ACS720器件时，故障引脚也是开放的NMOS器件，可以逻辑地或在单个数字I/O引脚上连接在一起。

为了优化温度精度，IC有一个集成的分段线性温度补偿算法，用于主信号路径增益和偏移量。

温度补偿算法

Allegro开环电流传感器集成电路的准确性大大提高了数字温度补偿算法，其中包括EEPROM技术。分段线性
为了在不牺牲信号带宽的情况下大幅度减少模拟信号路径的本地漂移，在五个边界之间采用了温度补偿。图6演示了
技术。该算法既能调节零安培输出电压，又能调节灵敏度。用虚线，虚线表示QVO或灵敏度的原生漂移
线表示边界之间添加的线性补偿，实线表示传感器输出的结果行为。注意图5中的数字补偿
与主信号路径同时发生。这允许模拟输出保持高速，而增益和偏置补偿的温度变化缓慢的时间。

补偿参数在Allegro工厂终线测试中编程，并通过集成EEPROM、温度传感器和数字分段线性来实现
IC上的温度补偿算法。这种线路末端编程在整个工作温度范围内提供了稳定的零安培输出电压和灵敏度。

传感器的性能

专利封装技术和集成数字补偿算法的结果提供了传感器在整个温度范围和操作精度接近±1%
传感器的带宽。这些结果可以在下面的图7中看到。在整个工作温度范围内，QVO(偏置)误差小于±8mv(±0.5%)
灵敏度仅超过温度的±1%。

总结

通过结合独特的封装技术和先进的混合信号半导体工艺和先进的数字温度补偿算法，一个开环电流传感器集成电路
实现闭环的准确性。小的PCB占地面积和消除笨重和昂贵的铁磁磁芯，使Allegro的这些电流传感器ic很容易集成到需要高精度和高速度的应用中，价格都低于闭环传感解决方案。雷竞技最新网址

有关当前传感器集成电路的更多信息，包括布局建议和其他应用注意事项，请参阅霍尔效应传感器集成电路出版物登录页面://www.wasanxing.com/en/Design-Center/Technical-Documents/Hall-Effect-Sensor-IC-Publications.aspx

其他应用笔记、常见问题和产品信息也可以在Allegro网站www.wasanxing.com上找到。

适用的专利
1.Gagnon等人，“电流传感器”，美国专利7,166,807;2005年6月3日提交，2007年1月23日发布;受让人:Allegr雷竞技竞猜下载o MicroSystems, LLC。
2.Doogue等人，“电流传感器”，美国专利7,709,754;2003年8月26日提交，2010年5月4日发布;受让人:Allegr雷竞技竞猜下载o MicroSystems, LLC。
3.Milano等人，“带磁场传感器的强化隔离电流传感器”，美国专利8,907,437;2011年7月22日提交，2014年12月9日发布;受让人:Allegr雷竞技竞猜下载o MicroSystems, LLC。

最初发表于2018年4月《EE时报》中国版。允许转载。