重新思考PCB电流传感的可能性

重新思考PCB电流传感的可能性

作者:Motaz Khadar, Allegro MicroSystems战略营销经理雷竞技竞猜下载

介绍

在所有市场上，从可再生能源、电机驱动到电动汽车，电子设备都面临着更小、更高效、更便宜的挑战。这增加了印刷电路板(PCB)设计的复杂性，并推动工程师寻找创新的解决方案。因为所有这些解决方案都需要功率，所以电流(I)和电压(V)必须被感知，并且在这些应用中是至关重要的。雷竞技最新网址具有准确的电流传感，使系统在各个层面上的控制、保护和监测都是可行的。

当涉及到为PCB设计选择正确的电流传感器时，电流处理能力变得越来越重要。由于PCB内部的热限制，在PCB中测量的电流通常最大值在100 A左右。超过100a通常需要一个复杂的解决方案，这可能会转化为更大的规模和更高的相关成本。然而，能够可靠地测量100 A以上的PCB电流也可以提供巨大的优势，如效率的提高和整体系统级成本的降低。

目前常用的两种电流传感方法是分流电阻和磁传感器。这两种解决方案都使用通过一个小值电阻(分流器)或一个磁敏感元件(如霍尔效应)和一个集成导体产生的电压来解释电流值。虽然分流方法通常提供非常好的分辨率和准确性，但由于其欧姆损耗和与分流电阻连接和焊接电阻在使用寿命内变化相关的布局复杂性增加，导致能源效率低下。新的磁传感器选项克服了这些限制，通过提供独立的集成解决方案，由于其非常小的欧姆损耗和紧凑的尺寸，PCB电流测量可能高达600a。

本文将讨论两种新的创新方法来测量PCB中高达600a的电流:一种采用集成导体的接近无损的霍尔电流传感器和一种非侵入式独立无铁芯和无屏蔽差分霍尔电流传感器。

集成导体的近无损霍尔电流传感器

各种市场上的电子设备越来越需要更高的电流密度解决方案，以提高其整体效率并降低成本。例如，功率转换应用如DC/DC转换器和车载充电器的电流密度正雷竞技最新网址在迅速增加，这是由于越来越多地采用宽带隙晶体管，如碳化硅(SiC)，以实现电路小型化和提高系统的整体效率。在这些应用中，理想的电流传感器需要紧凑、高效、准确雷竞技最新网址，并提供高带宽，以捕获这些高开关晶体管产生的非常快的电流波。

目前有两种流行的解决方案来应对这一挑战——分流电阻式解决方案和磁传感器。对于磁传感器选项，Allegro MicroSystems雷竞技竞猜下载提供了广泛的低电阻、高度集成的电流传感器包，具有不同的电流和电压处理能力。现有的分流解决方案需要复杂的布局和电路实现，以实现高电流和高电压水平，通常具有更高的电阻。相比之下，Allegro的电流传感器因其小巧的尺寸和易于使用而有所不同，如图1所示。

最近，Allegro推出了两种新的表面贴装封装选项，可测量高达500 A的电流。第一个是类似模块的定制包，可以检测电流高达500 a和非常小的电阻(100µΩ)，同时提供优良的工作隔离电压额定值- 1350 V基本工作电压。这被称为“CB”封装，它有一个集成的内部铁磁集中器，将磁场从载流痕迹导向霍尔元件的敏感平面。图2显示了组成CB包的不同组件。通过引线架的电流产生一个磁场，由集中器引导进入集成电路。信号引脚从压过的封装中退出，连接到外部电路。基于霍尔效应的电流传感器的特性允许固有隔离，因为载流引线框不需要与IC电连接。CB封装内的塑料模具化合物也将IC和信号引脚与引线框隔离。CB包装已通过UL规格60950认证。

该封装是高密度PCB设计的独特解决方案，与其他昂贵、笨重和更复杂的解决方案(如分流或更大的模块)相比，客户可以通过一个简单、易于使用的电流传感器缩小整体尺寸。关于热性能的更多细节可以在这里找到应用注．其他可选的高电流密度封装包括Allegro的小型(6.4 × 6.4 mm2)定制LR封装，它可以处理高达500v DC工作电压和100a +电流。第三种产品是新的定制SOIC16W (MC)封装，它有一个厚厚的引线框架，允许该封装通过80a +，同时提供优秀的1600 V基本隔离电压。图3突出了不同的包温升作为不同的连续电流水平。

独立，非侵入性，无芯和无屏蔽电流传感器

对于需要雷竞技最新网址非侵入式、高电流密度解决方案的应用，Allegro最近推出了一系列新的无芯电流传感器，包括新的ACS37612。该产品系列为电流测量提供了真正独立的解决方案;这些解决方案使设计师能够从他们的设计中去除核心和屏蔽。这些传感器测量流经PCB的电流高达600a，典型精度为1%。用于测量磁场的差分霍尔元件提供了很大的抗杂散磁场的能力，而不需要竞争解决方案所要求的层压屏蔽，从而减少了设计尺寸和材料清单(BOM)。有关操作和实现原理的基本概述，请参见图4。

A:基本的操作理论
B: PCB的实现方法

这种解决方案的一个典型应用是电动汽车中的牵引逆变器。在加速过程中，数百安培的电流流过牵引电机逆变器。精确测量这样大的电流对安全运行至关重要。工程师们传统上依靠低迟滞层压铁芯来进行这种测量——根据电机的相位数，使用3到6个铁芯。

决定电流动态范围的系统耦合因子由ACS37612的灵敏度水平和PCB的金属痕迹决定。所需要的电流携带痕迹的修改增加了非常小的电阻，~50µΩ。这为设计人员提供了很大的制造灵活性和在设计的任何阶段轻松增加电流传感范围的能力。

ACS37612去掉了铁芯，制造商可以减少逆变器的空间和重量，从而提高电动汽车的效率。这种非侵入式、无触点电流传感器的设计是为了提高相对于分流解决方案的热效率，因此是降低48v电机平台和高压逆变器系统能耗的理想选择。

结论

随着电子系统的发展，由于电流测量的关键作用，对高效、高电流、高效的PCB电流传感器的需求变得比以往任何时候都更加重要。通过简单易用的表面贴装电流传感器，Allegro的集成导体解决方案满足了市场在电流和电压隔离能力方面的需求。为了获得更大的灵活性，设计师可能会倾向于Allegro的新型无芯电流传感器，用于真正独立的、无损的、非侵入式电流测量。这两种解决方案都为PCB电流传感设定了新的标准，允许系统设计人员达到新的效率和功率密度水平。

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