利用 Allegro 霍尔效应传感器 IC 进行大电流传感应用磁集中器设计的指南
利用 Allegro 霍尔效应传感器 IC 进行大电流传感应用磁集中器设计的指南
作者：Cedric Gillet 和 Andreas Friedrich
Allegro MicroSystems, LLC
和任何半导体装置一样，Allegro™ 提供的集成电流传感解决方案可以限制在该解决方案可经受的最大允许电流和隔离电压范围内。能量耗散和包装尺寸是限制参数。对于大电流应用 (>200 A)，Allegro 建议使用配有霍尔效应传感器 IC（图 1）的磁集中器。该系统由环绕电流导体的铁磁体集中器组成，这些集中器设有称为气隙的小窗口，传感器 IC 就布置在气隙内。此文档的目的是为设计大电流集中器提供基本指导。
图 1。配有磁集中器的典型大电流传感系统。
简介
集中器将导体电流产生的磁通线集中在气隙中心，而霍尔效应磁传感器 IC 也布置在此处。集中器（也称为磁芯）的效率以及相应的电流传感系统的效率主要取决于以下因素：
- 磁芯材料
- 磁芯尺寸
- 气隙
- 磁芯几何形状
以下各节逐一详细介绍了上述每个因素。
集中器材料
集中器材料的选择是其磁导率、电阻率和成本的微妙平衡。要将磁通线集中于传感元件上，磁芯不得在大电流条件下饱和。因此，集中器必须具有相对空气较高的磁导率，但不能高到永磁材料的水平，以避免暴露于高电流时，产生不良的残余磁化效应，这会导致测量磁滞。硅铁 (FeSi) 或镍铁 (FeNi) 等铁合金材料最常用于电源系统，因为这种材料具有很高的磁导率和高饱和点（图2）。
图 2。硅铁（3％）和 1010 钢的磁芯增益。对于相同的磁芯，硅铁产生的增益斜率较高（1 G（高斯）= 0.1 MT（毫特斯拉））。
铁的缺点是电阻率较低，这使其容易受到涡流（感应反向电流）的影响，从而降低在频域中的电流测量精度。为了尽量减少这种效应，铁必须和硅等低导电率材料组成合金。此外，建议使用通常为 0.3 mm 厚的铁芯片层叠成铁芯，这将显著降低涡流（铁芯片越薄，涡流较小）（图3）。各层也必须涂硅，以提高效率。
图 3。松散材料（左）和层压材料（右）的涡流。层压材料的涡流更小。
其他材料（如羰基铁、非晶态金属或铁素体）粗看可能有吸引力，但目前不建议使用，因为这些材料的磁特性会随时间的推移而劣化（羰基铁），或是具有较大的磁滞（非晶态金属）。尽管铁氧体的成本低，电阻率高（最大限度减少涡流），但铁氧体的磁导率较低，饱和点很低，因此不太适合大电流应用场合。
集中器尺寸
假定使用圆形、环形铁芯，其尺寸由外径 (O.D.)、内径 (I.D.) 和厚度 (T) 的尺寸限定（图4）。这三个尺寸定义了气隙处铁芯截面积大小。
图 4。集中器尺寸
以固定气隙长度 (E) 和截面积运行磁模拟已经表明，最佳磁芯宽度 (W) 大约为 3-4 mm，以获得最佳的磁集中度（图5）。
图 5。磁场与磁芯宽度 (O. D. – I. D.)。磁通密度 (B) 在气隙中心测量（1G（高斯）= 0.1 MT（毫特斯拉））。
附加磁性评估表明，磁芯直径越大，饱和点越高。同样地，磁芯截面积越大，饱和点越高。需要注意的是，集中器的直径（假设外径 O.D. 和内径 I.D. 之间具有恒定宽度 W）不会显著影响其磁性增益，只会影响其饱和点（图6）。
图 6。磁芯截面积和直径对磁通密度 (B) 的影响。相对直径不会显著影响磁性增益，但的确会影响磁芯的磁饱和点。
显然，在应用允许条件下，集中器直径和截面积应尽可能大。此外，建议在导电体与集中器之间留出最小 3 - 4 mm 间距（图 4 中的 S），以确保集中器在大电流条件下不会饱和。
集中器气隙
气隙 (E) 长度是集中器设计的关键参数，因为它直接定义了系统的增益。气隙（恒定截面积处）越小，增益越大。但是，如果气隙太小，磁芯残余磁滞显著增加，从而降低小电流情况时的精度。建议气隙为 3 - 5 mm。显然，必须根据传感器封装厚度调整气隙。图 7 显示了在不同气隙条件下，集中器具有不同的增益。
图 7。气隙对磁通密度 (B) 的影响。气隙越小，磁增益越大，但小气隙导致的饱和点限制电流传感范围。
集中器几何形状
只要集中器将磁力线集中到传感元件上，集中器的几何形状将不会对系统产生巨大的影响。通常，磁芯采用环形，可以将磁通线沿一个方向聚集，并避免角度效应，但也可以使用矩形集中器。如果使用矩形磁芯，建议将磁芯的内角倒圆，以避免磁集中效应（图8）。在磁芯外部，倒圆角相关性较低，因为这些角远离导体。
图 8。矩形集中器配置。圆形环集中器适用于相同的设计规则。此外，为了避免角度效应，内角必须倒圆，外角可以倒圆。
总结
大电流传感应用设计（> 200 A）的集中器应使用以下规则进行优化：
- 磁芯应该采用硅钢或铁镍合金制造。
- 磁芯必须采用层压工艺，并且涂覆硅材料。
- 在应用环境允许条件下，磁芯直径应尽可能大，并使用较大的材料截面积（最小 25 mm2）。
- 集中器宽度应为约 3-4 mm。
- 在所有方向上，保持磁芯和导体之间具有最小间距 3 - 4 mm。
- 气隙应为 3 - 5 mm。
- 非环形集中器形状必须使内角尽可能为圆形。
KT 封装的 Allegro 线性传感器 IC，例如A1363LKT，非常适合这些大电流感应系统。