使用铁磁核心电流传感器IC的滞后缓解

乔治·埃尔巴夏、肖恩·米兰诺和杰夫·维奥拉著
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介绍

传统的开环电流传感器ic，如AllegroACS758CB.和ACS770CB家庭，有铁芯，作为磁性集中器。如图1所示，它们将通过导体流到霍尔效应传感器IC上的电流所产生的磁通密度(B场)集中起来。

图1:使用霍尔传感器IC和磁芯的电流传感

霍尔效应传感器IC有一个霍尔元件，一个传感器，它将垂直于霍尔元件的B场转换成电压。霍尔传感器的电压与B场成正比。B场也与导体中的电流大小成正比，因此霍尔传感器输出电压与流经导体的电流大小成正比。通过这种方法，可以用霍尔效应传感器和集中核心制作非常精确的电流传感器。

如果没有铁心，导体周围的B场就会很小，很难准确测量。磁芯可以将磁场放大20倍或更多，因此对于提高传感器的精度和分辨率非常有价值。用这种方式测量电流还有其他几个优点，如电隔离、极低的功率损耗和低的发热。使用铁磁性材料作为集中磁芯的一个缺点是磁滞。

什么是磁滞？

通过取一块芯材料并产生B-H曲线来测量磁滞后。将外部磁场（H）施加到材料上，然后测量材料内部的磁通密度（B）'。用于永磁体或“硬”材料的一系列曲线如下图所示。永磁体不用作磁芯，但有助于说明磁磁滞的工作原理。当施加大场时，磁性材料被磁化;当除去磁化场（H）时，在具有图2中所示的磁通密度（B）的材料周围存在永磁场。

永磁体产生的磁场不仅取决于材料，还取决于磁化的强度。换句话说，它取决于磁化过程中施加了多少H场。通过施加不同的磁化场(H)，可以生成如图2所示的曲线族。

图2:B和H曲线族

铁磁性材料是磁化或被永磁体吸引的材料。它们具有高的磁导率，并且它们都有在磁场存在时排列的域(参见图3)。松散保持的域在施加的磁场去除后恢复到随机方向。这些被称为“软”材料，是用作芯材的理想材料。并不是所有的畴都恢复到随机方向，这就是材料如何变得轻微磁化的。这是“剩磁”，是材料的滞后。永磁体域保持锁定在与磁场相同的方向，因此是“硬”材料。

选择用于电流检测应用的芯材料时，需要具有低滞后的软铁磁材料，如图3和4所示。雷竞技最新网址

图3：磁畴

图4:软硬B环和H环

当霍尔电流传感器IC被放置在铁芯的间隙中且没有电流流过时，器件输出电压应指示为零安培。在电流流过导体后，磁芯中的磁滞会保留一个磁场，因为电流会产生一个外加的磁场，并使磁芯材料磁化。当电流不再流动时，霍尔传感器将测量一个非零的电流，这取决于磁芯材料的磁化水平。这将导致零安培读数出现一些错误，因此是不可取的。

软材质与硬材质

Allegro CA/CB封装电流传感器ic采用软铁磁芯材料。这些软磁材料有更少的剩磁或滞后。举例说明，一般使用的最普通的普通钢是1020钢。1020在热轧状态下可保留30高斯(G)，在冷轧状态下可保留更多高斯(G)。在Allegro CB封装中使用的SiFe材料保持在2g的量级，因此该材料被优化用作电流传感核心，因为它将最大限度地减少霍尔传感器的零电流输出误差。

磁滞对ACS758CB电流传感器的影响

ACS758CB静态输出电压（VOUTQ）是当初级电流为零时电流传感器IC的输出。对于双向设备，其标称保持在VCC / 2. VCC = 5 V转换为理想的Voutq = 2.5 V.

如前所述，在电流传感器IC内部使用的核心具有剩余物，当电流被施加到传感器上后，剩余物会影响VOUTQ水平。以下约定将用于本条的其余部分。

正静态输出电压（VOUTQP）：在电流传感器IC中注入“最大正”施加电流后测量的输出电压，然后减少到0 A.
负静止输出电压（VOUTQN）：在电流传感器IC中注入“最大负”施加电流后测量的输出电压，然后减少到0 A.
理想静态输出电压(VOUTQI): VOUTQP和VOUTQN的平均值，其中最大正电流和负电流具有相同的幅度。

图5：Allegro CA / CB封装电流传感器IC

下面的图6示出了在将不同电流脉冲施加到ACS758LKCB-150B（150个传感器的双向版本）之后的静止输出电压。在每个电流脉冲减小到0A后，记录电流传感器IC输出。在测量期间，最大施加电流设定为±130a。为了产生这些绘制，将130施加130脉冲[1]，然后施加一系列的负电流脉冲，范围为-3 a [2]至-130 a [3]。接下来是一系列的正电流脉冲，范围为3 a [4]至130 a [5]。重复相似的测量，最大电流幅度为90a [6]和50a [7]。

ACS758核心的剩磁导致VOUTQ根据注入电流的大小和极性而变化。130a迟滞回线(最外面的绿色曲线)最大VOUTQP为2.5032 V(在130a脉冲后)，最小VOUTQN为2.4932 V(在- 130a脉冲后)，中间点VOUTQI为2.4982 V。这与VOUTQI相差10 mV或±5 mV。

对于150个双向传感器的灵敏度为13.3mV / a，这使得我们为我们提供5 mV / 13.3mV / a =±375.9 mA的磁性偏移或滞后。这只有130个在我们测量期间使用的最大应用电流的0.289％。通常，ACS758CB的磁偏移为±250 mA。在该示例中使用具有较大磁偏移的装置，以说明近似最坏情况的情况。

ACS758 150双向滞后环

图6：ACS758家庭滞后情节

如何减轻磁滞现象?

方法一

我们可以做的最简单的事情只是简单地将全峰降至滞后的峰值。这可以通过应用最大正负应用电流，记录VoutQP，Voutqn和计算Voutqi来完成。VOUTQI应存储在系统内存中并用作预期的零电流输出电压（参见图7）。

图7：如何测量Voutqp，Voutqn和Voutqi

以图6中测量的数据为例，对于±130 a的最大应用电流，VOUTQP = 2.5032 V, VOUTQN = 2.4932 V, VOUTQI = (2.5032+2.4932)/2 = 2.4982 V。通过简单地使用这个VOUTQI作为预期的零电流输出电压，我们永远不会关闭超过±5 mV或±375.9 mA。

在引入下一种补偿方法之前，需要定义矫顽力电流。矫形电流是在传感器暴露于最大应用电流后，将该材料的磁化强度降低到接近零的电流水平。例如在图8中，经过130a脉冲，VOUTQP = 2.5032 V。需要一个- 25a的电流脉冲来降低ACS758的磁化强度到接近零。这将使VOUTQ接近VOUTQI = 2.4982 V，即理想的VOUTQ。在最大应用电流为±130 a的系统中，矫顽力电流为±25 a。

ACS758 150双向滞后环

图8:±130 a最大应用电流系统的矫顽力电流值