作者：Allegro MicroSystems, LLC產(chǎn)品線市場總監(jiān)Shaun Milano
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閉環(huán)電流傳感技術(shù)以其高精準(zhǔn)度被廣泛用于工業(yè)和汽車應(yīng)用中。通過在單片和完全集成的電流傳感芯片中采用專有的封裝技術(shù)和先進的集成算法，Allegro MicroSystems，LLC已經(jīng)開發(fā)出磁性電流傳感器IC解決方案，能夠以開環(huán)傳感器的架構(gòu)實現(xiàn)接近閉環(huán)的精度。 本文將詳細討論實現(xiàn)這一目標(biāo)的封裝和算法。
通常，開環(huán)霍爾效應(yīng)傳感器會使用一個磁性傳感器來產(chǎn)生與被感測電流成比例的電壓，然后該電壓被放大成與導(dǎo)體中電流成比的模擬輸出信號。導(dǎo)體通過鐵磁體的中心位置以集中磁場，磁傳感器則被放置在鐵磁體的間隙中，如圖1所示。在開環(huán)架構(gòu)中，霍爾效應(yīng)電流傳感器IC對于溫度的任何非線性和靈敏度漂移都可能產(chǎn)生誤差。
閉環(huán)傳感器使用由電流傳感器IC主動驅(qū)動的線圈來產(chǎn)生一個與導(dǎo)體中電流產(chǎn)生的磁場相反的磁場。這樣，霍爾傳感器總是在一個零磁場的工作點運行。 輸出信號由電阻器產(chǎn)生，該電阻器的電壓與線圈中的電流成比例，該電流也與繞在磁芯線圈中電流的匝數(shù)倍成正比，如圖2所示。
閉環(huán)電流傳感器不僅需要鐵磁芯，還需要一個線圈和額外的高功率放大器來驅(qū)動線圈。 雖然閉環(huán)電流傳感器比開環(huán)架構(gòu)更復(fù)雜，但由于系統(tǒng)僅在零磁場這一個工作點運行，因此消除了與霍爾傳感器IC相關(guān)的靈敏度誤差。 如果設(shè)計合理，閉環(huán)和開環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器通常具有相同的零安培輸出電壓性能，因此兩者的零安培檢測精度非常相似。 與開環(huán)解決方案相比，閉環(huán)傳感器尺寸更大，需要占用的PCB面積也更多。由于閉環(huán)傳感器在驅(qū)動補償線圈時需要一定的電流，因而功耗較高。此外，由于閉環(huán)傳感器需要額外的線圈和驅(qū)動電路，價格也比開環(huán)傳感器更昂貴。
開環(huán)與閉環(huán)傳感器的選擇需要考慮精度和響應(yīng)時間。 如果應(yīng)用要求高精度，通常選擇閉環(huán)電流傳感器，因為它消除了上面談到的系統(tǒng)靈敏度非線性誤差。在某些應(yīng)用中，需要快速響應(yīng)時間來保護IGBT和MOSFET等半導(dǎo)體器件，以便能夠更好地控制應(yīng)用中的電流。如果能夠使開環(huán)傳感器具有足夠的精度和響應(yīng)速度，由于其尺寸、功耗等方面的先天優(yōu)勢，也不失一種選擇。 Allegro已經(jīng)開發(fā)出這種全新的開環(huán)解決方案，體積更小，具備高精度和快的響應(yīng)速度，比閉環(huán)解決方案更經(jīng)濟實惠 。
開環(huán)傳感器IC的封裝
Allegro電流傳感器IC的獨特性在于采用了完全集成的技術(shù)，通過采用專利的倒裝芯片封裝技術(shù)可以產(chǎn)生足夠的磁場，從而消除對鐵磁芯的需求。 圖3所示為SOIC16電流傳感器IC的基本架構(gòu)。 其中電流輸入和電流輸出都處于封裝的一側(cè)，而信號引線則位于封裝的另一側(cè)。 電流產(chǎn)生的磁場集中在圖4俯視圖中3/4匝導(dǎo)體的中心。 芯片具有焊錫凸塊，同時采用倒裝芯片組裝技術(shù)將磁霍爾傳感器的磁場最大化。 圖4的橫截面圖顯示半導(dǎo)體IC和載流導(dǎo)體之間沒有物理接觸 。
這為許多高電壓應(yīng)用提供了所需的電隔離，不同的封裝尺寸將具有不同級別的隔離度，通過由常見和比較難的UL和TUV 以及UL / TUV60950-1第2版規(guī)范評估。關(guān)于獨立傳感器的隔離評級，請參閱器件數(shù)據(jù)表http://www.allegromicro.com/zh-CN/Products/Current-Sensor-ICs.aspx這些表面貼裝封裝的導(dǎo)體電阻非常低，僅為1mΩ，出于客戶PCB的標(biāo)稱散熱性能考慮，這些封裝可用于支持50A 的RMS或DC持續(xù)電流，針對直流和瞬態(tài)電流下的封裝熱性能的詳細說明請見以下鏈接。
http://www.allegromicro.com/zh-CN/Design-Center/Technical-documents/Hall-Effect-Sensor-IC-Publications/DC-and-Transient-Current-Capability-Fuse-Characteristics.aspx
提高準(zhǔn)確度和速度的先進半導(dǎo)體算法
Allegro ACS720電流傳感器IC是新型開環(huán)技術(shù)的代表性產(chǎn)品。 圖5所示為ACS720的典型框圖。
Allegro公司的BiCMOS混合信號半導(dǎo)體工藝允許低偏移模擬電路和中等密度數(shù)字電路共存，可以把各種先進的算法集成到單片集成電路。模擬信號帶寬設(shè)計為120 kHz，響應(yīng)時間<4μs，適用于大多數(shù)電機控制和綠色能源應(yīng)用。對于需要更快響應(yīng)時間來防止過流故障的應(yīng)用，ACS720同時具有用于過流檢測的數(shù)字慢速故障和用于短路保護的快速數(shù)字故障電流輸出。 兩個故障輸出的跳閘點都可以通過VOC引腳上的電阻分壓器進行配置。 快速故障跳閘在1μs多點的時間內(nèi)變?yōu)榈碗娖接行В⑻峁┍苊獗Ｗo半導(dǎo)體開關(guān)短路的信號。 這為大多數(shù)應(yīng)用提供了快速保護。
該傳感器還集成了專門針對逆變器應(yīng)用優(yōu)化的功能，以應(yīng)對其中的功率和信號板通常由不同電源供電的挑戰(zhàn)。 ACS720內(nèi)部穩(wěn)壓器采用5V電源供電，具有較大的電源抑制比，可免受電源噪聲的干擾。該器件的輸出不是比例式輸出，與3.3V電源兼容，并可直接饋入信號板微處理器中的ADC。 即使5V電源存在干擾，也能使輸出信號偏移和靈敏度保持穩(wěn)定，并可兼容3.3V。 故障引腳是開路的NMOS器件，當(dāng)在多相逆變器中使用多個ACS720時，故障引腳在單個數(shù)字I / O引腳上以邏輯OR運算在一起。
為了優(yōu)化整個溫度范圍內(nèi)的精度，ACS720對主信號路徑增益和偏移量都有一個集成式的分段線性溫度補償算法。
溫度補償算法
通過增加包括EEPROM技術(shù)的數(shù)字溫度補償算法，Allegro開環(huán)電流傳感器IC的精度得到大幅度提高。采用五個邊界之間的分段線性溫度補償能夠明顯降低模擬信號路徑的本地漂移，而不犧牲信號帶寬，圖6所示為這種技術(shù)的介紹。通過這種算法，可以調(diào)整零安培輸出電壓（QVO）和靈敏度。點線表示QVO或靈敏度的本地漂移，短劃線表示在邊界之間添加的線性補償，實線表示傳感器輸出的最終結(jié)果。注意圖5中的數(shù)字補償與主信號路徑并行發(fā)生，這使得模擬輸出保持高速，而增益和偏移在溫度隨時間緩慢變化時得到補償。補償參數(shù)在Allegro工廠生產(chǎn)線終端測試時得到確定，并通過在IC上集成EEPROM、一個溫度傳感器和數(shù)字分段線性溫度補償算法完成。這種生產(chǎn)線終端測試編程可以確保器件在整個工作溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的零安培輸出電壓和靈敏度。
傳感器性能
專利封裝技術(shù)和集成式數(shù)字補償算法使傳感器在整個溫度范圍和工作帶寬內(nèi)具有接近±1％的精度，這些結(jié)果可以參考圖7。 在整個工作溫度范圍內(nèi)，QVO（偏移）誤差小于±8mV（±0.5％），靈敏度誤差只有±1％。
結(jié)束語
通過將獨特的封裝技術(shù)、先進的混合信號半導(dǎo)體工藝與先進的數(shù)字溫度補償算法相結(jié)合，開環(huán)電流傳感器IC能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)精度。 Allegro的電流傳感器實現(xiàn)了更小的PCB尺寸，不再需要體積大且價格昂貴的鐵磁芯，因而更易于集成到需要高精度和高速度的應(yīng)用設(shè)計，并且價格低于閉環(huán)傳感解決方案。
有關(guān)該傳感器IC的更多信息，包括布局布線建議和其他應(yīng)用筆記，請參閱霍爾效應(yīng)傳感器IC信息頁面： http://www.allegromicro.com/zh-CN/Design-Center/Technical-documents/Hall-Effect-Sensor-IC-Publications.aspx
欲了解其他應(yīng)用筆記，常見問題和產(chǎn)品信息，可以訪問Allegro網(wǎng)站 www.allegromicro.com.
適用專利
1. Gagnon et al., “Current Sensor”, US Patent 7,166,807; filed June 3, 2005, and issued January 23, 2007; Assignee: Allegro MicroSystems, LLC.
2. Doogue et al., “Current Sensor”, US Patent 7,709,754; filed August 26, 2003, and issued May 4, 2010; Assignee: Allegro MicroSystems, LLC.
3. Milano et al., “Reinforced isolation for current sensor with magnetic field transducer”, US Patent 8,907,437; filed July 22, 2011, and issued December 9, 2014; Assignee: Allegro MicroSystems, LLC.
Originally published in EE Times China, April 2018. Reprinted with permission.
Copyright ?2018, Allegro MicroSystems, LLC
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