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(jìn)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(shí)現(xiàn)接近閉環(huán)的精度。 本文將詳細(xì)討論實(shí)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(diǎn)運(yùn)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(diǎn)運(yùn)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(jì)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(bǔ)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?yàn)樗松厦嬲劦降南到y(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(hù)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(jì)實(shí)惠 。
開環(huán)傳感器IC的封裝
Allegro電流傳感器IC的獨(dú)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(dú)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(xì)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(jìn)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(jìn)的算法集成到單片集成電路。模擬信號帶寬設(shè)計(jì)為120 kHz，響應(yīng)時間<4μs，適用于大多數(shù)電機(jī)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(hù)的快速數(shù)字故障電流輸出。 兩個故障輸出的跳閘點(diǎn)都可以通過VOC引腳上的電阻分壓器進(jìn)行配置。 快速故障跳閘在1μs多點(diǎn)的時間內(nèi)變?yōu)榈碗娖接行В⑻峁┍苊獗Ｗo(hù)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(hù)。
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(yùn)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(bǔ)償算法。
溫度補(bǔ)償算法
通過增加包括EEPROM技術(shù)的數(shù)字溫度補(bǔ)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(bǔ)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(diǎn)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(bǔ)償，實(shí)線表示傳感器輸出的最終結(jié)果。注意圖5中的數(shù)字補(bǔ)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(bǔ)償。補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(dú)特的封裝技術(shù)、先進(jìn)的混合信號半導(dǎo)體工藝與先進(jìn)的數(shù)字溫度補(bǔ)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(shí)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(jì)，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.
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