摘要

霍爾電流傳感器 IC 的特點(diǎn)是采用創(chuàng)新的封裝技術(shù)，將低電阻銅制主電流通路整合到封裝中。盡管這可以提高應(yīng)用在許多方面的性能，但是封裝問題局限了電流水平的范圍。

此應(yīng)用注釋描述了數(shù)種提高可測量電流范圍的簡單方法。這些方法涉及分割被感應(yīng)電流的路徑。描述設(shè)備和電路的各種選項(xiàng)。

介紹

在所有霍爾電流傳感器 IC 中，其核心元件是精確線性霍爾效應(yīng)—磁場感應(yīng)電路。標(biāo)準(zhǔn)型號采用雙向電路(如圖 1 所示)，允許電流雙向流動(dòng)。

(A) 較高電流應(yīng)用

(B) 較低電流應(yīng)用

圖 1. 電流分配器配置。Allegro 封裝主要導(dǎo)線端子可以直接連接到匯流條，適用于較高電流應(yīng)用。面板 A 顯示此配置，已使用 ACS75x-PSS 封裝選項(xiàng)。對于較低電流應(yīng)用，封裝可以連接到打印電路板導(dǎo)線。面板 B 顯示此配置，正在使用 ACS75x-PSS 封裝選項(xiàng)。在標(biāo)準(zhǔn)型號中，電流可以雙向流動(dòng)。

電流形成的磁場能夠被集成霍爾 IC 感應(yīng)并轉(zhuǎn)化為成比例電壓。通過將電流路徑靠近霍爾傳感器，實(shí)現(xiàn)器件精度優(yōu)化。將主要電流導(dǎo)線整合到封裝，良好地控制霍爾芯片相對于電流路徑的位置。但是，能夠通過封裝的電流量，IPrimary，最終受限于物理和熱條件。為測量電流強(qiáng)度，大于最大 IPrimary 的 ITot，克服這些限制的簡單方法是物理分割電流路徑，只測量總電流中受良好控制的部分。如圖 1 所示，通過在匯流條上刻凹痕，此概念可以應(yīng)用于較高電流應(yīng)用，以及通過使用 PCB(印刷電路板)導(dǎo)線或?qū)拥莫?dú)立分支，應(yīng)用于較低電流應(yīng)用。此方法存在缺點(diǎn)。它會降低系統(tǒng)的電流分辨率，降低幅度等于分流比例。根據(jù)獨(dú)立電流子路徑的比例可以確定最優(yōu)的補(bǔ)償方案。請注意，校準(zhǔn)應(yīng)在器件已組裝到 PCB 的情況下在原位完成，以考慮焊點(diǎn)本身的任何額外電阻。

使用 ACS712 電流傳感器 IC 感應(yīng)部分電流

Allegro 設(shè)計(jì)的參考 PCB 將三分之一的應(yīng)用電流傳輸通過 ACS712(對應(yīng)國產(chǎn)器件CH701) 器件。如圖 2 所示，PCB 傳導(dǎo)路徑是將電流分割成兩個(gè)獨(dú)立子路徑的導(dǎo)線：分流子路徑(導(dǎo)線寬度 3.0 mm)和傳感電流子路徑(寬度 5.0 mm)。圖 3 顯示所得的電流密度的模擬映射。

圖 2. PCB 導(dǎo)線配置，適用于 1/3 ITot 測量。ACS712 或CH701安裝到 PCB 導(dǎo)線，與電流感應(yīng)子路徑串連(與通過器件的 IPrimary 一致)。

圖 3. 模擬電流密度，適用于 1/3 ITot 測量。使用 4-oz. 銅制導(dǎo)線在 45 A ITot 時(shí)采集數(shù)據(jù)。

當(dāng)參考 PCB 使用 4-oz. 銅制導(dǎo)線制造時(shí)，A 點(diǎn)到 B點(diǎn)之間的電阻小于 1 mΩ，功耗低于 2W。表 1 比較了使用 4-oz. 導(dǎo)線和使用 2-oz. 導(dǎo)線制造的參考 PCB 的計(jì)算電阻和功耗。表 1. PCB 導(dǎo)線重量對通過 1/3 電流分配器的功耗的計(jì)算所得作用

導(dǎo)線重量

(oz. Cu.)在 45 A

(W) 時(shí)的功耗整體電阻

(mΩ)

41.140.56

21.940.96

由于制造和組裝誤差，各個(gè) PCB 上的感應(yīng)子路徑和分流子路徑之間的電流分割會有一些小差異。在應(yīng)用中如果必需補(bǔ)償這些差異才能滿足準(zhǔn)確性時(shí)，可以使用客戶可編程的 ACS712(對應(yīng)國產(chǎn)器件CH701) 。這允許在電路板制造和組裝完成后校準(zhǔn) IC 的 mV/A 靈敏度。但是，系統(tǒng)準(zhǔn)確性的漸進(jìn)改善必須能夠彌補(bǔ) IC 中潛在的小比例產(chǎn)量損失，如果某些 IC 在客戶場所沒有適當(dāng)編程，就可能會造成這種問題。發(fā)貨后必須編程意味著我們不能在 Allegro 工廠對所有器件進(jìn)行最終測試。用于分隔電流路徑以測量總電流中指定部分電流的導(dǎo)線布局尺寸可以使用以下等式計(jì)算(參考圖 4)。

給出：

ISens，測量的 ITot 部分 (A)

LSens1，感應(yīng)子路徑側(cè) 1 的長度 (m)

LSens2，感應(yīng)子路徑側(cè) 2 的長度 (m)

LShunt，分流子路徑的長度 (m)

Ρc，銅導(dǎo)線材料的電阻率(典型)(Ω×m)

RPrimary，器件中主要電流通路的電阻(典型)( Ω )

T，導(dǎo)線的厚度(典型)(m)

WSens，感應(yīng)導(dǎo)線的寬度(兩側(cè))(m)

圖 4. 計(jì)算導(dǎo)線尺寸時(shí)使用的符號

感應(yīng)電流子路徑的電阻率 RSens ( Ω ) 和分流路徑的電阻率 RShunt ( Ω )，通過電流分配器電路等式計(jì)算：

(1)

其中

(2)

和

(3)

當(dāng)計(jì)算感應(yīng)路徑的電阻時(shí)，必須包含 ACS712 中主要電流導(dǎo)線和引腳框的電阻 RPrimary。

使用感應(yīng)電流 ISens 與總電流 ITot 的給定比率，以及給定的感應(yīng)路徑寬度 WSens，可以計(jì)算分流導(dǎo)線路徑寬度 WShunt 要求的導(dǎo)線尺寸比率，如下：

(4)

例如，對于參考 PCB：

ISens= ITot / 3

LSens1= 8.5 mm

LSens2= 8.5 mm

LShunt= 18 mm

Ρc = 2.5 × 10–5 Ω × mm

RPrimary= 1.5 m

T = 0.14 mm; 4-oz. 銅制

WSens= 5 mm

然后

平均分割電流，分辨率更高

分配器配置的缺點(diǎn)是他們會降低電流感應(yīng)系統(tǒng)的分辨率。并聯(lián)使用兩個(gè) ACS712 (對應(yīng)國產(chǎn)器件CH701) 器件，移動(dòng)電平和增加其輸出，減少分辨率損失。圖 5 顯示了樣本配置。

圖 5. 雙封裝解決方案，不降低分辨率。使用兩個(gè)有源 ACS712 封裝劃分 ITot。

圖 6 的示意圖顯示，電路壓縮各個(gè)器件輸出的輸出范圍，然后將他們加在一起。在輸出前，各個(gè) ACS712 的信號首先通過減法器子電路處理，增益為 0.5。此子電路可刪除來自 ACS712 輸出信號的典型的 2.5 V 偏移電壓。

圖 6. 用于合并輸出的建議電路。此電路使用兩個(gè) ACS7xx 器件執(zhí)行對稱劃分的電流路徑，分辨率更高。

當(dāng)采用如圖 5 所示的方位時(shí)，器件 A 和器件 B 有相對于電流方向相反的極性。其中一個(gè)器件輸出必須反向。通過使器件 A 的輸出反向，然后為最后的加法階段使用反向 op-amp，從而使整體輸出信號有正確的極性。

通過最后階段的單位增益，輸出信號將 ≈ 50 mV/A 的一部分傳輸通過并行 IC，獲得 0 至 30 A 測量范圍。此模擬如圖 7 所示，測試導(dǎo)線如圖 8 所示。

圖 7. 輸出的模擬。在用于合并輸出的建議電路(圖 6)中使用 ACS712 器件的結(jié)果。

圖 8. 應(yīng)用 ±30 A 模式到 IPrimary，增量為 6 A。器件 A 是綠色導(dǎo)線，器件 B 是紅色導(dǎo)線。最低(藍(lán)色)導(dǎo)線是用于合并兩個(gè) ACS712 輸出的接口電路的輸出。請注意，為清晰觀看，信號是在示波器上移動(dòng)的 DC 偏移。

分辨率將隨著兩個(gè)有源器件的噪音貢獻(xiàn)的相互疊加程度而改變。但是，憑經(jīng)驗(yàn)測量，所得的信噪比大約是使用單個(gè)帶不間斷電流分流路徑的 ACS712 時(shí)的 1.5 倍。如需更大的輸出信號范圍，可以改變電阻比例值 R8 / R7 以調(diào)整增益。

在分配器中使用 ACS758 (對應(yīng)國產(chǎn)器件CH704) 測量高于 200 A 的電流

正如 ACS712(對應(yīng)國產(chǎn)器件CH701) 一樣，ACS758 (對應(yīng)國產(chǎn)器件CH704) 的測量范圍受限于可以通過其集成主電流導(dǎo)線的電流量，該導(dǎo)線的電阻為 100 μΩ。而且，必須考慮其磁通聚集裝置的飽和點(diǎn)。圖 9 顯示分割電流路徑的配置，在分流子路徑和包含 ACS758 的感應(yīng)子路徑之間平均劃分 300 A。使用 1-mm— 厚銅制匯流條，計(jì)算所得的從 A 點(diǎn)到 B 點(diǎn)電流分流器的電阻不足 100 μΩ。

圖 9. 較高電流解決方案。在 1-mm 厚銅制匯流條上串連 ACS758 器件以均等劃分 ITot。

圖 10. 模擬電流密度，適用于 1/2 ITot 測量。使用 4-oz. 銅制導(dǎo)線在 300 A ITot 時(shí)采集數(shù)據(jù)。

使用多層重量級 PCB 導(dǎo)線可額外降低分流路徑裝置的功率?！狿CB 的多層結(jié)構(gòu)允許進(jìn)一步分割電流。分配到分流子路徑的層與感應(yīng)電流子路徑的層之間的比率決定著電流的總分配。此配置如圖 11 所示，提供此類 PCB 的平面和橫截面視圖。

圖 11. 多層電路板的俯視圖和橫截面視圖。此方法使用 ACS758 PFF 封裝選項(xiàng)，按照層的特性分割電流，將 ITot 中的受控部分傳輸通過器件 A。

為調(diào)整電流分割中的某些差異，可以使用客戶可編程的 ACS758/CH704。這允許在 PCB 裝配完成后，對器件靈敏度進(jìn)行編程。

使用 ACS758/CH704 測量高達(dá) 300A 電流，而且分辨率更高。

為提高測量高于 200A 的總電流時(shí)的分辨率，可以并聯(lián)使用兩個(gè) ACS758 器件，以準(zhǔn)確分割電流。輸出需移動(dòng)電平和加在一起。此配置如圖 12 所示?？梢钥紤]用于測量高達(dá) 300A ITot。為匹配 300A 的完整范圍，Allegro 建議使用 ACS758xCB-150。各個(gè) ACS758 /CH704的輸出首先通過減法器子電路處理，增益為 0.5。此子電路可刪除來自 ACS758 輸出的典型的 2.5V 偏移電壓。壓縮各個(gè)輸出信號的輸出范圍并把他們加起來的電路與圖 6 示意圖所示的電路相同。當(dāng)采用如圖 12 所示的方位時(shí)，器件 A 和器件 B 有相對于電流方向相反的極性。其中一個(gè)器件輸出必須反向。通過使器件 A 的輸出反向，然后為最后的加法階段使用反向 op-amp，從而使整體輸出信號有正確的極性。

圖 12. 較高電流解決方案。串聯(lián) ACS758 器件以平均分割 ITot。

圖 13. 模擬電流密度，適用于 1/2 ITot 測量。使用 4-oz. 銅制導(dǎo)線在 300 A ITot 時(shí)采集數(shù)據(jù)。

通過最后階段的單位增益，其結(jié)果是輸出信號將每安培 ≈ 6.67 mV/A 的一部分傳輸通過并行器件，獲得 0 至 ±300 A 測量范圍。此模擬如圖 14 所示。

圖 14. 輸出的模擬。在用于合并輸出的建議電路(圖 6)中使用 ACS758xCB-150 器件的結(jié)果。

所得的信噪比幾乎是使用單個(gè)帶不間斷分流路徑的 ACS758/CH704時(shí)的 1.5 倍。如需更大的輸出信號范圍，可以改變電阻比例值 R8 / R7 以調(diào)整增益。盡管此案例中使用的是 ACS758xCB-150(CH704150CT)，但是通過使用兩個(gè) ACS758-200(CH704200CT) 器件，與此相同的配置和接口電路可以測量最高 400A 電流。在所有配置中，必須注意安全匹配匯流條尺寸和散熱能力與工作電流電平。

總結(jié)

通過仔細(xì)設(shè)計(jì)分割電流路徑，和在需要時(shí)在裝配完成后對器件靈敏度進(jìn)行編程，霍爾電流傳感器可測量更大的電流范圍。

文中提到的CH701芯片是意瑞半導(dǎo)體(上海)有限公司推出隔離集成式電流傳感器芯片

CH701產(chǎn)品特點(diǎn)：

1.0.8 mohm初級導(dǎo)體電阻，用于低功率損耗和高浪涌電流耐受能力

2.集成屏蔽實(shí)際上消除了從電流導(dǎo)體到芯片的電容耦合，極大地抑制了由于高dv/dt瞬態(tài)而產(chǎn)生的輸出噪聲

3.行業(yè)領(lǐng)先的噪聲性能，通過專有的放大器和濾波器設(shè)計(jì)技術(shù)大大提高了帶寬

4.高帶寬120kHz模擬輸出，在控制應(yīng)用中響應(yīng)時(shí)間更快

5.過濾器引腳允許用戶在較低的帶寬下過濾輸出以提高分辨率

6.集成數(shù)字溫度補(bǔ)償電路允許在開環(huán)傳感器中實(shí)現(xiàn)近閉環(huán)精度

7.適用于空間受限應(yīng)用的小尺寸、低剖面SOIC8封裝

8.濾波器引腳簡化了帶寬限制，在較低的頻率下獲得更好的分辨率

9.單電源運(yùn)行

10.輸出電壓與交流或直流電流成比例

11.工廠微調(diào)靈敏度和靜態(tài)輸出電壓

12.提高精確度

13.斬波器穩(wěn)定導(dǎo)致極穩(wěn)定的靜態(tài)輸出電壓

14.近零磁滯

15.電源電壓輸出比率

產(chǎn)品應(yīng)用：

電機(jī)控制;

負(fù)荷檢測與管理;

開關(guān)電源;

過電流故障保護(hù);

文章中提到的CH704芯片是意瑞半導(dǎo)體(上海)有限公司推出隔離集成式電流傳感器芯片，該芯片可以替代Allegro的大電流霍爾電流傳感器ACS758/ACS770/ACS772，其中CH704A是滿足汽車級標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，填補(bǔ)了國內(nèi)的空白。

CH704 是專為大電流檢測應(yīng)用開發(fā)的隔離集成式電流傳感芯片。CH704 內(nèi)置 0.1mΩ 的初級導(dǎo)體電阻，有效降低芯片發(fā)熱支持大電流檢測：±50A, ±100A, ±150A, ±200A。其內(nèi)部集成獨(dú)特的溫度補(bǔ)償電路以實(shí)現(xiàn)芯片在 -40 到150-°C全溫范圍內(nèi)良好的一致性。出廠前芯片已做好靈敏度和靜態(tài)(零電流)輸出電壓的校準(zhǔn)，在全溫度范圍內(nèi)提供 ±2% 的典型準(zhǔn)確性。

產(chǎn)品信息如下：

? 隔離電壓：4800VRMS

? AEC-Q100 汽車認(rèn)證 (CH704A)

? 電源：4.5-5.5V

? 輸出電壓與電流成正比：+/-50A,+/-100A,+/-150A,+/-200A

? 帶寬：120kHz

? 響應(yīng)時(shí)間：4us

? 寬溫度范圍：-40-°C 至 150-°C

? 使用 EEPROM 進(jìn)行高分辨率偏移和靈敏度調(diào)整

? 導(dǎo)線電阻：0.1 mΩ

? 集成數(shù)字溫度補(bǔ)償電路

? 幾乎為零的磁滯

? 電源電壓的比例輸出

? 抗外部磁場

原文標(biāo)題：在電流分配器配置中使用霍爾電流傳感器IC 以擴(kuò)大測量范圍

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審核編輯：湯梓紅