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测量50安培以上电流的秘密

测量50安培以上电流的秘密

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乔治·艾尔·巴查、埃文·肖曼和哈里·钱德拉，
雷竞技竞猜下载Allegro微系统有限责任公司

介绍

感应电流超过50A可能是一个挑战，因为这项任务通常涉及热管理，必须在有限的PCB区域内进行，并且在某些情况下，需要一个电压隔离装置。两种广泛使用的高电流感测方法是感测电阻/运算放大器法和霍尔电流感测法。比较这两种技术是有用的。最近开发的Allegro MicroSystems集成电流传感器，雷竞技竞猜下载ACS780LR型和ACS770CB型，将用作示例。

最好是在负载的电源电压附近（高压侧）测量电流，而不是在地面附近（低压侧）。在高压侧进行测量会对地面反弹产生抗扰度，并允许检测对地短路。根据电源电压和应用，感测电路连接可能需要基本或加强隔离。如果使用感测电阻器/运算放大器测量高压侧，则需要具有高共模输入范围的运算放大器，这使得设计更加复杂。为了提供隔离，需要额外的隔离器（如光耦）和隔离电源，增加了复杂性并提高了成本。

另一方面，霍尔效应电流传感器集成电路，如Allegro提供的，消除了对感测电阻器的需要。电流直接流入集成导体，产生一个将被测量的磁场。

ACS780LR型1

ACS780采用6.4×6.4毫米表面贴装LR封装。电流流入集成导体并产生磁场，然后在霍尔元件上感应。使用倒装芯片组装技术使霍尔元件接近引线框架，磁场处于其最高点。这种封装允许优越的信噪比。

该设备使用两个霍尔元件来检测和拒绝任何外部杂散磁场。集成导体具有200μΩ的低电阻以降低功耗，允许在120 kHz带宽下进行100 a以上的连续电流测量。热性能在很大程度上取决于PCB设计和布局。

图1:CB封装中的ACS770（左）和LR封装中的ACS780（右）
图1:CB封装中的ACS770（左）和LR封装中的ACS780（右）

图2:LR封装中ACS780的结构
图2:LR封装中ACS780的结构

ACS770CB型2

ACS770坐落在14×21.9毫米的通孔CB封装中。随着电流在其集成导体中流动，集成的低滞后芯将磁场集中在霍尔元件的典型精度为±1％和120 kHz带宽的典型精度。核心也充当磁屏蔽，拒绝外部流浪场。

集成导体具有100μΩ电阻，提供超低功率损耗。ACS770可在85°C的环境温度下连续测量200 A，并可在工厂编程以测量高达400 A的浪涌电流。

图3:CB包的结构
图3:CB包的结构

热性能

为了确定合适的传感器，了解高电平瞬态电流和恒定DC/RMS电流下的热性能是非常重要的。对于以下示例，所有测量均在25°C环境温度下进行，可用于在不同工作温度下降低传感器的额定值。

大电流脉冲测试

LR包

使用Allegro ACS780评估板对LR封装进行了高电流脉冲测试。这是一个八层板，带有两盎司（70μm）铜和FR4基板。36个直径为0.2毫米的热通孔被放置在集成电流导体的每个焊盘旁边。

然后，包装经历了设定幅度的电流脉冲，并且测量了两个条件的时间：模具温度超过最大结温的时间超过165°C，以及熔断电流导体的时间。

图4：ACS780评估板
图4：ACS780评估板

图5以绿色显示为安全操作面积，其中管芯温度保持在165°C以下。橙色区域表示超过最大结温的条件，但电流导体不融合。
图5:LR封装保险丝和超温时间随外加直流电流的变化
图5:LR封装保险丝和超温时间随外加直流电流的变化

CB包装

CB包的所有测试使用Allegro ACS770评估板进行。这是一个双层板，具有四盎司（140μm）铜和FR4基板。在集成电流导体的每个焊盘旁边放置0.5mm直径的16个热通孔（图6）。

图6:CB包评估板
图6:CB包评估板

当进行大电流脉冲测试时，CB封装在执行此测量的实验室设备的最大电流容量为1.2 kA时没有熔断。下表显示了最大电流脉冲持续时间和占空比，可用于保持在不超过165°C模具温度的安全操作区内。

表1：CB封装过热时间作为应用直流电流的功能

环境温度
（摄氏度）		 最大电流
（一）
电流开启10秒，关闭90秒，施加100个脉冲
25 350
85. 350
150 260
电流开启3秒，关闭97秒，施加100个脉冲
25 450
85. 425
150 375
电流开启1秒，关闭99秒，施加100个脉冲
25 1200
85. 900
150 600

直流电流能力

图7显示当连续的直流电流注入传感器并且温度达到稳定状态时，模具温度升高。正如预期的那样，CB封装显示出较小的温升，因为其100μΩ的导体电阻低于LR封装的200μΩ。

图7：模具温度与直流电流的变化
图7：模具温度与直流电流的变化

热性能布局指南

系统热性能大大取决于PCB布局，可以通过多种方式改善：通过将多层金属加入通过添加尽可能靠近IC的散热器，或通过添加热量来更好地消散IC下的热量通过Allegro IC集成导体焊盘围绕Allegro IC集成导体焊盘的通孔（连接所有金属层）。
三种方法中，增加热通孔对PCB面积和成本的影响最小，且易于实现。为了了解过孔的影响以及使用过孔的数量，使用自然对流模型在ACS780LR评估板上进行了模拟。该模型假设一个300×300×300 mm的空气外壳，外壳壁设置为25°C。电流的注入使稳态模具温度达到150°C。
将热过孔的数量减少50%（每个焊盘18个而不是36个过孔），使模具温度上升5.6°C至156°C。移除所有热过孔使模具温度上升33.5°C至183.5°C。这些结果突出了热过孔的显著优点，虽然显示过孔数量的少量减少（比Allegro评估板减少50%要少得多）对热性能的影响应该是最小的。
图8:ACS780LR评估板的热过孔模式
图8:ACS780LR评估板的热过孔模式

提高LR封装电流传感能力

LR封装中ACS780的小占地面积及其易于表面安装组件的优点使电流超过100a。该方法是通过PCB上的迹线进行传感电流的一部分。因此，要感测的一部分电流不会通过Allegro IC。这里，分离器的电流比至关重要。必须设置，因此最大可能的电流通过传感器（当传感器保留在热安全操作区域时）以获得最佳精度（图9）。
图9：使用ACS780LR的电流分割
图9：使用ACS780LR的电流分割

模拟说明了这种方法的热能力。假设电路板用电流比为6.7：1（即通过迹线：电流通过传感器的电流）以及以下规格：六个铜层（顶部和底层厚度为二盎司（70μm），内层三盎司（105μm）），FR4基板，36个直径为0.2mm的热通孔，以及5mm直径通孔，用于电流在PCB上注射。铝制散热器为94×70毫米，在PCB下连接。
AN296141图10
图10：用于热模拟ACS780LR包装的电流分割板

在PCB中注入250A，模拟假设具有300×300×300mm的空气机箱容积的自然对流，外壳壁设定为25°C。最高观察到的温度在顶部金属上为74℃（相对于环境温度〜50°C），而模芯温度达到71℃。

隔离

Allegro电流传感器是电流隔离的，提供了一种在高端测量的有效方法。ACS780LR针对电源电压小于100 V雷竞技最新网址的应用。其结构提供了固有的隔离，因为管芯上的有源电路没有电连接到电流导体。
ACS770通过UL 60950-1第2版认证，通过4.8 kV 60秒。其基本隔离工作电压为990（V主键或直流）或700 V有效值其强化隔离工作电压为636（V主键或直流）或450 V有效值.

结论

总而言之，封装和电路设计的进步简化了使用霍尔电流传感器IC测量PCB上超过50A电流的任务。通过使用小型表面贴装ACS780或通孔ACS770，可以经济地进行精确和电隔离传感，且功率损耗很小。

表2：比较感测电阻/ OP-AMP和
Allegro电流传感器测量>50 A时
项目 感测电阻器/运算放大器 快板ACS780 快板ACS770
物料清单 增加了BOM表，包括sense
电阻器		 小型表面贴装包装
150 A感应范围		 400 A通孔封装
感应范围
PCB面积 更大的BOM需要更多的PCB
地区		 6.4毫米×6.4毫米 14毫米×21.9毫米
功耗 电阻（2-4×）高于
ACS780，产生更多的热量
印刷电路板		 集成导体电阻
200 μΩ		 集成导体电阻
100 μΩ
杂散磁场 免于杂散磁场 差分传感技术
拒绝杂散场		 集成集中器核心拒绝
杂散场
隔离 需要外部隔离器和
更昂贵的孤立权力
供给		 适用于<100 V的应雷竞技最新网址用。非常适合
48 V系统		 UL 60950-1第2版通过
4.8 kV，提供工作电压
高达990 Vpk。是生产线的理想选择
雷竞技最新网址
精度和分辨率 准确性将取决于阻力
温度过高。难以
用低压测量小电流
感测电阻。更高的抵抗力
提供良好的分辨率但更多
功耗		 典型精度为±1%。
测量小型电流，可以正确地解析为60 mA
过滤
噪声 高电感切换创造
需要消隐的嘈杂事件
和建立时代		 Allegro IC滤波和集成屏蔽层将噪声耦合到GND和
产生更清洁的输出信号

脚注：

  1. /en/Products/Current Sensor ICs/50至200安培集成导体传感器ICs/ACS780.aspx
  2. /en/products/current-sensor-ics/fifty-to-two-hundred-amp-隔膜 - 通讯程序 - sensenor-ics/acs770.aspx.

文章发表在电力电子手册2017年3月。转载许可。