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霍尔效应电流传感的最新趋势

霍尔效应电流传感的最新趋势

约翰·卡明斯、迈克尔·c·杜格、安德烈亚斯·p·弗里德里希著

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摘要

本文介绍了基于霍尔效应的集成电流传感器集成电路的最新进展。它涵盖了将初级电流路径集成到系统中的各种封装概念，集成电路参数的主要改进，以及不间断电源(UPS)、逆变器和电池监控的典型应用电路示例。

介绍

在过去十年中，工业、汽车、商业和通信系统对低成本、精确、小型电流传感器解决方案的需求迅速增长。各种技术可用来将电流转换成比例电压。霍尔效应磁探测器的优点是与电流路径的固有电压隔离，以及霍尔元件和接口电子集成在单个硅片上新的设计概念和先进的BiCMOS技术的系统使用使集成电路的性能得到进一步改善。通过支持附加功能的集成，如电源保护，本文涵盖了Allegro™ACS电流传感器IC系列的基本封装和IC设计概念，并探索了一些最近的趋势，使Allegro能够开发其下一代完全集成的低成本电流传感器设备。

包装的概念

Allegro电流传感器集成电路器件的特点是将单片线性霍尔集成电路和低电阻一次电流传导通路集成到单次压模封装中。通过霍尔传感器相对于铜导体的近距离和精确定位，优化了器件的精度。低功耗和高电压隔离是封装概念的本质。封装电流测量系统的最终尺寸、形状和附加组件取决于要测量的一次电流的振幅。本节详细介绍了不同电流测量范围的创新封装技术。

电流可达20 A

对于标称电流为±20 A的小电流，霍尔芯片和一次电流路径封装在标准尺寸SOIC8表面安装包中，如图1和图3所示。这提供了一个紧凑、低调的解决方案，与大批量自动化电路板组装技术兼容。使用倒装芯片技术可以在霍尔元件的主动面和被感知电流产生的磁场之间实现优化的磁耦合。因此不需要通量浓缩器。用于电流传感的铜通道的内阻通常为1.5 mΩ，以降低功耗。电源端子也与低压信号I/O引脚电隔离。仔细的集成电路和封装设计允许进一步改进设备的电压隔离，典型的直流隔离电压为5 kV，一次电流路径和信号侧之间的有效值隔离电压最小为1.6 kV，典型为2.5 kV(在60 Hz下持续1分钟)。

图1

图1所示。ACS封装的内部结构，显示u形初级铜导体和单倒装霍尔IC。

图2

图2。CB封装的内部结构，显示初级导体(铜，左)，磁通集中器(红色)和线性sip霍尔ic(黑色)和信号引脚(铜，右)。

图3

图3。±20a (LC封装)和±200a (CB封装)电流传感器集成电路照片，与硬币对比。

电流高达200a

对于更高的电流，铜导体的横截面必须增加，以适应在CB封装中提供的材料内的电流密度。由于这种较厚的导体和线性霍尔元件之间的磁力耦合，必须使用磁通集中器。铜路、直线SIP霍尔器件、聚光器在过模前经过精密装配。通过精心设计的系统，一次导体电阻通常低至100µΩ，在一次路径和信号侧之间实现最小有效值3 kV(在60 Hz下持续1分钟)的隔离电压。图2显示了这种±200a电流传感器的内部结构，图3显示了该和±20a封装类型的照片。

200a以上电流

如果要测量的电流高于200a，集成电路可用于分电流配置这种方法涉及分割被感知电流的路径。最简单的方法是设计一个缺口母线，这样只有一部分电流通过设备，另一部分通过分流路径(见图4)。电流分流比由母线的几何形状决定。这种方法的一个固有缺点是，它降低了当前分辨率的相同比例的电流被除以。

解决当前传感系统可以增加如果当前平均分为和两个设备是用于并行(参见图5)。一个简单的电路的输出电平移动和添加两个设备可以用来获得一个线性输出总一次电流成正比。[2]

图4

图4。分流器配置。电流传感器IC可以直接连接到母线上。

图5

图5。等电流分裂，提高分辨率。这两个器件的输出可以组合在一起，以获得与要检测的总电流成比例的线性输出。

集成电路设计

本节详细介绍基本芯片架构和最重要的IC参数。

框图该器件的中心元件是一个精确的、低偏置硅霍尔集成电路。一次电流产生的磁通影响霍尔元件。BiCMOS斩波稳定电路用于减少信号偏移，并在工作温度范围内稳定IC的输出片上电子器件产生与输入电流成比例的模拟电压。

图6

图6。电路框图。

输出是比值，这意味着偏移量和灵敏度都以V为刻度CC．通过对偏移量、灵敏度和温度响应进行行尾微调，优化了设备精度。集成电路被设计用于测量正电流和负电流，但如果需要，参数可以调整为单向。该器件在包装后进行修剪，以减少包装应力对霍尔元件的影响。如图6所示，为了降低噪声，建议使用外部旁路电容。如果应用程序的带宽允许，可以在输出端使用一个简单的rc滤波器来进一步提高信噪比。

±20a模型主要功能虽然SOIC8器件设计为±20 A，但它们可以承受高达100 A的大瞬态过电流。决定器件过流能力的限制因素是集成电路的结温(TJ(max)，等于165°C)，因此由应用中印刷电路板(PCB)的热设计决定。

主要特点和优点总结如下:

  • 交流和直流电流测量
  • 1.5 mΩ内导体电阻
  • 1600vrms (min)隔离电压
  • 4.5至5.5 V供电运行
  • 50千赫带宽
  • ±1.5%的总输出误差在室温
  • 工作温度范围-40°C至85°C
  • 占地面积小，低调的SOIC8封装
  • 接近于零的磁滞
  • 电源电压的比率输出
  • 符合RoHS要求(倒装芯片高温铅基焊锡球目前不符合RoHS要求)

±200a型号主要特点铜导体的厚度允许设备在超过5倍的过流条件下存活。主要特点和优点总结如下:

  • 交流和直流电流测量
  • 100µΩ内部导体电阻
  • 3000vrms (min)隔离电压
  • 4.5至5.5 V供电运行
  • 35至50千赫带宽
  • ±1.0%室温总输出误差
  • 工作温度范围-40°C ~ 150°C(一次电流的功能)
  • 体积小，安装方便
  • 电源电压的比率输出
  • 领导(Pb)免费

最近的趋势

用于先进工业、汽车、商业和通信系统的电流传感解决方案正面临着新的挑战。尽管在前面的段落中提出的解决方案已经涵盖了各种各样的客户需求，但总体趋势显然是朝着低成本、高精度和小型系统发展，但增加了功能。本节介绍了Allegro为满足这些需求而开发的两种创新设备。

提高集成电路的性能为了进一步改善±20a低调SOIC8的特性，Allegro开发了第三代设备，专门专注于减少噪声和总输出误差。芯片设计采用了最新的Allegro低噪声0.65 μ m BiCMOS工艺(DABIC6)。总共23个编程位可用于优化封装后的IC参数:

  • 静止的输出电压
  • 灵敏度
  • 灵敏度温度系数

改进的过程性能、新的设计理念和额外的编程能力相结合，使噪音降低了2倍。在I处的总输出误差P=±20 A在40°C至85°C的工业温度范围内从±8.4%提高到±1.5%。

这个新设备也有一个滤波器引脚，可以用来设置-3 dB点与电容器。这减少了提高集成电路分辨率所需的外部元件的数量(不需要检测电阻)。在T = -40°C ~ 85°C, IP =±20 A条件下，不同滤波电容值的峰值电流噪声水平如下表所示:

过滤器销
外部电容器
(nF)
带宽
(赫兹)		 峰
噪音
(mV (Typ。)
1 50 40
4．7 20. 24
47 2 10

这款新的ACS712设备是前几代ACS704和ACS706的drop-in替代品。

添加功能

对于大量的应用，在霍尔集成电路上集雷竞技最新网址成一些额外的功能可能是值得的，这些功能通常是通过外部组件实现的。在下面描述的实现中，这种方法产生了一种新的保护IC，集成了热插拔门驱动器和基于内部霍尔效应的元件。

ACS760设备的框图如图7所示。电源负载是在不使用外部传感电阻的情况下测量的。该部件采用集成的1.5 mΩ铜导体和霍尔效应元件，可精确测量高达30 a的负载电流。该设备包含过流保护电路，在用户可选择的水平之间跳闸30至40 a。如果检测到过流状态，部件的故障输出跳闸，外部mosfet的栅极被拉到地。在检测过流状态和门关闭之间的延迟是由外部电容设定的。

图7

图7。集成热插拔门驱动器和内置1.5 Ω霍尔效应元件的保护IC的框图。

应用实例

本节给出了ACS设备支持最佳电流传感解决方案的雷竞技最新网址两个应用实例。

电池监控智能电池系统需要监控电池电压、温度和电流的电路。对于容量监控应用程序，所有这些测量都是至关重要的雷竞技最新网址。然而，最难以正确设计的是当前的测量。其原因是对精度、功耗和方案尺寸的要求。

当前的测量精度是确保容量监控算法良好运行的关键。测量这种电流的传统方法是在接地路径或低侧使用分流器。这种方法的关键问题是，最小化I2R损失时，分流器的值需要保持非常小。使用这种方法，小电流测量精度会受到影响。对于笔记本电脑应用程序来说，这意味着在暂停、休眠或其他低功耗状态下，电池雷竞技最新网址很难准确监测流入系统的电流。

如果电池使用10mΩ检测电阻以最小化额定负载下的功耗，当在低功耗状态下只有50ma的功率消耗时，分流器的电压将只有500pv。这种电压是很难解决的，为了补偿这种影响，必须开发复杂的算法来估计电池的剩余容量。这些惯例在本质上是保守的，这意味着他们倾向于假设电池损失的容量比实际计算的多一点。随着时间的推移，其结果可能是电池容量的过度损耗。

根据电池和应用，需要1至2 W范围的感应电阻来监测电流。然而，通常在便携式解决方案中，没有足够的空间容纳2w电阻，因此解决方案通常被限制为1w电阻。对于高电流解决方案，多个电阻并联使用，以保持额定功率在设备限制内。这两种解决方案都对安装这些组件所需的电路板空间有很大的影响。

通过在电池组中使用霍尔效应器件作为分流解决方案，可以降低电池组中的功耗。使用霍尔效应器件的优势很明显，器件的插入损耗很低。在SOIC8封装中，ACS712引线框插入损耗仅为1.5 mΩ。图8显示了在负载电流范围内的功耗差异。

如图9所示，使用霍尔效应装置可以提高电流测量的准确性。这个框图显示了高电流路径和低电流路径。可以启用低电流路径，以更好地监测小电流。图9所示的解决方案不仅提供了更低的充放电电流更高的精度，而且在测量范围内提供了比分流解决方案更多的信号。假设霍尔效应器件的增益为100 mV/ a，这个信号比通过分流电阻产生的信号大得多，如下图10所示。

图8，分流电阻器，霍尔效应测量

图8。分流与霍尔效应电流传感方案中的功率损耗。

图9，分流电阻器，霍尔效应测量

图9。提高霍尔效应装置电池监测的准确性和效率。

图10，分流电阻器，霍尔效应测量

图10。输出电压霍尔效应解决方案比较20mΩ分流。

霍尔效应解决方案的增益阶跃增加假设该应用程序能够实现图9所示的大电流路径。所需的过渡和迟滞水平的实际阈值将取决于应用程序以及所采用的分流器的值。

在电池系统中使用霍尔效应器件将有助于减少分流传感方案所需的PCB面积，并实现不中断接地路径的高边传感。使用霍尔效应器件的两个主要好处是在更宽的电流范围内提高电流测量精度，并通过显著降低12分流器的损耗。

霍尔效应器件在UPS和逆变器中的应用雷竞技最新网址在UPS系统中，使用霍尔效应器件或电流互感器(CT)是很常见的。虽然ct被视为低成本的解决方案，但它们实际上需要比霍尔效应解决方案更多的支持组件，并严格限制在ac应用。雷竞技最新网址使用ct监测交流线路电压的另一个次要成本是额外的电路，用于管理涌流事件期间的涌流影响和可能的铁芯饱和。

UPS解决方案需要使用线路电压给电池充电，电池在电源故障时用于为系统提供线路电压。UPS的目标是以最大的效率提供尽可能多的能源。例如，2200va UPS典型充电时间为3小时。同样的UPS在半负载(990w)情况下只能提供大约24分钟的电力，在满负载(1980 W)情况下只能提供6.7分钟的电力。输入和输出电流都受到监控，以保护和能够显示电池充电状态的信心水平。

ACS712霍尔效应装置是理想的监测输入功率或电池充电电流的几个原因。小尺寸霍尔效应解决方案的明显好处是，所需体积是等效CT解决方案的一小部分，此外还消除了增益和额外的保护组件。这样做的原因是ACS712不能在设备的隔离侧超调电压。

当在高负载下为逆变器阶段供电时，霍尔效应IC的最佳位置是在线电压本身，以直接监测负载电流。原因是线路电压电流可能高达15至20 ARMS，而电池源电流可能超过50至60 A，这取决于电池组的电压和变换器的效率。下图11显示了在ups动力系统中使用霍尔效应装置的示例。

图11，电流互感器

图11。UPS动力系统架构。

下一代霍尔效应器件有助于解决ct已知的问题，并提高系统的可靠性。在蓄电池充电系统和逆变器动力系统中采用霍尔效应器件，可以优化变换器的效率。这有助于减少系统的整体规模并节省成本。

结论

针对工业、汽车、商业和通信系统提出了创新的电流传感解决方案。封装的器件包括一个低电阻一次电流路径和一个集成了霍尔元件和最先进的BiCMOS接口电路的单片线性霍尔效应IC。

该设备覆盖的测量范围高达±200a，也可以通过使用电流分压器配置设计成更高电流的应用。雷竞技最新网址本文详细介绍了低成本、高精度和小尺寸电流测量系统的新方法，并给出了两个应用实例。

笔记

  1. 波波维奇，《霍尔效应装置》，第2版，北京工业大学出版社，2004年。
  2. R. Dickinson和A. P. Friedrich，在扩展测量范围的电流分配器配置中使用Allegro电流传感器，Allegro MicroSystems, LLC，应用说明AN295036, 2005年4月。雷竞技竞猜下载雷竞技最新网址
  3. A. Bilotti, G. Monreal和R. Vig，“基于动态正交偏移抵消的单片磁霍尔传感器”，IEEE J.固态电路，第32卷，第2期。6(1997): 829 - 36。