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作者：By Shaun Milano，
Allegro MicroSystems, LLC
摘要
已研發(fā)出來的新型霍爾效應(yīng)線性電流傳感器 IC 能有效滿足混合動(dòng)力汽車 (HEV) 逆變器電流傳感應(yīng)用的精度與帶寬要求。該器件不僅采用了專有 SIP 封裝，它還采用了下一代斬波穩(wěn)定信號調(diào)節(jié)與濾波電路，它們能共同提供帶寬最大 120 kHz 的低噪聲模擬輸出信號。通過采用專有、分段的線性溫度補(bǔ)償功能，以穩(wěn)定整個(gè)操作溫度范圍內(nèi)的零場偏移和輸出靈敏度，同時(shí)不影響高帶寬信號路徑，能達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先的精度水平。該器件適用于所有采用鐵芯外形（要求高頻運(yùn)行）的電流傳感應(yīng)用。本文以混合動(dòng)力汽車的逆變器應(yīng)用為例。
簡介
典型 HEV 逆變器中的全橋式驅(qū)動(dòng)器能將直流電池電壓轉(zhuǎn)換為 3-相交流電壓，以驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)系連接的交流電機(jī)（參閱圖 1）。
圖 1：典型逆變電路應(yīng)用
測量逆變器的相電流后，可使用測量結(jié)果控制脈寬調(diào)制 (PWM) 逆變器開關(guān)（通常為 IGBT）。逆變器控制回路需要具有高精度的高帶寬電流傳感器 IC，以最大限度提高電機(jī)扭矩和電機(jī)的總效率。響應(yīng)時(shí)間快的高側(cè)電流傳感器 IC 還能啟用使電流保護(hù)功能。Allegro? A1366 霍爾效應(yīng)線性傳感器 IC 能滿足 HEV 逆變器應(yīng)用的高帶寬和高精度要求。在此類應(yīng)用中，通常會將霍爾效應(yīng)線性傳感器 IC 放在“C”型鐵磁芯的間隙，鐵磁芯會圍繞電機(jī)內(nèi)的每個(gè)逆變器相導(dǎo)體（參閱圖 2）。當(dāng)電流通過相導(dǎo)體時(shí)，鐵磁芯會通過單列直插式封裝 (SIP) 集中產(chǎn)生的磁場。
圖 2：A1366 電流傳感配置
Allegro 的專有設(shè)計(jì)特征使 A1366 成為能在混合動(dòng)力汽車逆變器、大電流電機(jī)控制或其他高頻大電流應(yīng)用中使用的理想傳感器 IC。這些特征包括特殊封裝、高級斬波和濾波技術(shù)，以及數(shù)字溫度補(bǔ)償算法。這些創(chuàng)新技術(shù)能使行業(yè)領(lǐng)先、精度高、帶寬可達(dá) 120 kHz 的霍爾效應(yīng)線性傳感器 IC 在混合動(dòng)力汽車的電流傳感器應(yīng)用中發(fā)揮出色的性能。
本文件將重點(diǎn)介紹下一代封裝，IC 設(shè)計(jì)創(chuàng)新，以及它們對傳感器 IC 性能的應(yīng)用。它還包括有關(guān)鐵芯設(shè)計(jì)的簡要應(yīng)用說明。
功能說明
模擬信號路徑與帶寬
圖 3 顯示了 A1366 霍爾效應(yīng)線性傳感器 IC 的簡化方框圖。從中能清楚看到傳感器的模擬信號路徑。模擬輸出信號與電源電壓成正比，當(dāng)施加磁場為零時(shí)，它通常為 VCC/2 。輸出會以正向或負(fù)向偏離 VCC/2，具體取決于施加磁場的極性，或圖 2 中的鐵芯外形中的電流方向。
圖 3：A1366 方框圖
霍爾元件傳感器產(chǎn)生必須以高增益放大的小信號。由于環(huán)境溫度不斷變化，所以高增益放大很難產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出信號。A1366 的放大器設(shè)計(jì)采用了 BiCMOS 工藝，它將精確的放大器設(shè)計(jì)與數(shù)字電路融為一體。增加的數(shù)字電路用于在 Allegro 進(jìn)行出廠編程。在操作溫度范圍內(nèi)能調(diào)節(jié)增益與偏移。此外，霍爾元件與放大級均為穩(wěn)定斬波型，以最大限度減少溫度的失調(diào)漂移。Allegro 還研發(fā)出專有的斬波穩(wěn)定與陷波濾波技術(shù)，盡管霍爾效應(yīng)線性傳感器 IC 需要大信號增益，但它仍能產(chǎn)生低噪聲輸出。實(shí)際上，降噪技術(shù)的劃時(shí)代進(jìn)步已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一個(gè)數(shù)量級。A1366 是 Allegro 制造的帶寬最高、模擬輸出分辨率最高的傳感器。在 120 kHz 的全帶寬條件下的六標(biāo)準(zhǔn)差峰-峰噪聲約為 6 mV。
A1366 的模擬輸出響應(yīng)時(shí)間少于 4 μs，這快到足以防止 IGBT 器件出現(xiàn)過電流或短路故障。在低頻應(yīng)用中，可對輸出進(jìn)行過濾，以降低輸出噪聲，并提高分辨率。高帶寬不僅能通過模擬信號路徑設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，還能利用單列直插式封裝 (SIP)，即 KT 封裝的形式實(shí)現(xiàn)。
封裝
由于霍爾傳感器后面有大量的銅引腳框，所以一般的 SIP 封裝會限制帶寬。這塊金屬墊允許在快速 d?/dt 事件中形成渦電流。渦電流能在引腳框上產(chǎn)生反向磁場。這些磁場能減慢系統(tǒng)的響應(yīng)速度，并能在霍爾效應(yīng)線性傳感器 IC 的輸出中體現(xiàn)。Allegro KT 封裝直接取消了霍爾元件后面的引腳框材料，從而消除了霍爾元件區(qū)域的渦電流。不更改 KT 封裝，就無法實(shí)現(xiàn)高帶寬運(yùn)行。Allegro 專有封裝非常有效，與在標(biāo)準(zhǔn)封裝內(nèi)使用的相同 IC 相比，它能使 KT 封裝內(nèi)的 A1366 的運(yùn)行帶寬提高 3 - 4X。
在 8 引腳 TSSOP 封裝內(nèi)也能實(shí)現(xiàn)相同的封裝技術(shù)改進(jìn)，它主要用于客戶采用機(jī)械設(shè)計(jì)（要求表面貼裝焊接）的應(yīng)用。
數(shù)字溫度補(bǔ)償
為提高在電流傳感器中使用的霍爾效應(yīng)線性傳感器 IC 的總精度，許多供應(yīng)商已采用完整的數(shù)字信號路徑。數(shù)字濾波和信號調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)是信號帶寬的損失，因?yàn)閿?shù)字信號處理和信號調(diào)節(jié)會使傳感器帶寬降低 1 - 3 kHz 范圍，這會嚴(yán)重減慢它們的響應(yīng)速度，所以無法在 HEV 逆變器中使用。Allegro 采用最新的數(shù)字補(bǔ)償方案解決了這一問題。
通過增加包括 EEPROM 技術(shù)在內(nèi)的專有數(shù)字溫度補(bǔ)償算法，A1366 的精度得以顯著提高。它在 5 個(gè)邊界之間采用了分段線性溫度補(bǔ)償，從而能在不犧牲信號帶寬的條件下，大幅減少模擬信號路徑的本地漂移。圖 4 顯示了該技術(shù)。利用該算法能同時(shí)調(diào)節(jié)靜態(tài)電壓輸出 (QVO) 和靈敏度。虛線顯示了 QVO 或靈敏度的本地漂移。虛線顯示了在邊界之間增加的線性補(bǔ)償，實(shí)線顯示了由此產(chǎn)生的傳感器輸出行為。
圖 4：溫度補(bǔ)償算法的結(jié)果
A1366 具有一個(gè)能確定相鄰邊界的板載溫度傳感器。數(shù)字控制引擎采用了適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。
與測量的電流相比，溫度變化非常緩慢，因此補(bǔ)償方案能在背景中運(yùn)行，并能在必要時(shí)連續(xù)調(diào)節(jié) QVO 和靈敏度。這樣就能保持 120 kHz 的傳感器模擬信號路徑，并優(yōu)化器件的精度。
Allegro 制造集團(tuán)通過溫度范圍測試器件，并將 QVO 和靈敏度的溫度補(bǔ)償系數(shù)編入 EEPROM，這樣客戶就不必對成品傳感器組件進(jìn)行溫度測試了。
在 Allegro 工廠還對 A1366 QVO 和靈敏度的絕對值進(jìn)行編程。靈敏度的標(biāo)準(zhǔn)值包括 1、2.5、5 和 10 mV/G。器件的零場輸出電壓 QVO 已編程為 2.500 V。Allegro 還提供了客戶可編程的器件，即 A1363，它適用于需要在最終應(yīng)用中為器件編程的客戶。A1363 允許對靈敏度和 QVO 的絕對值進(jìn)行編程控制，當(dāng)線路測試結(jié)束時(shí)，客戶可在 25oC 條件下，將它們編入 EEPROM。
磁芯設(shè)計(jì)
如上所述，A1366 霍爾效應(yīng)線性傳感器 IC 適合在混合動(dòng)力汽車應(yīng)用中，與采用通孔外形（如圖 2 所示）的鐵磁芯一起使用。磁芯材料的選擇取決于下列各項(xiàng)之間的權(quán)衡：
信號偏移后的殘留磁性；
頻率響應(yīng)；
施加磁場與施加電流的線性對比。
最常用的選項(xiàng)是疊片鋼芯。它不僅極具成本效益，而且能最大限度減少渦電流，因而能提供出色的頻率響應(yīng)。疊片鐵芯的磁滯在大部分應(yīng)用中通常可接受。
鐵磁芯的橫截面積取決于在一次導(dǎo)體中感應(yīng)的最大電流量。它還在很大程度上取決于材料的選擇。必須小心確保材料不會在高溫下飽和，并產(chǎn)生非線性響應(yīng)。Allegro 可為需要設(shè)計(jì)鐵芯和選擇材料的客戶提供應(yīng)用支持。
A1366 的精度
與現(xiàn)有的霍爾效應(yīng)線性傳感器 IC 相比，A1366 的 QVO 和靈敏度的高度可編程性，以及分段線性溫度補(bǔ)償改進(jìn)，可使其性能提升 3X - 4X。
靈敏度與 QVO
A1366 融合了本文描述的技術(shù)結(jié)果，因而能產(chǎn)生一種高帶寬的霍爾效應(yīng)線性傳感器 IC，它在開環(huán)傳感器中提供了近似閉環(huán)的精確性能。請參閱圖 5 和圖 6 中顯示 QVO 和靈敏度與溫度對比的曲線圖。曲線圖顯示了在小于 ±1% 的溫度范圍內(nèi)典型的 ±3 標(biāo)準(zhǔn)差的靈敏度漂移，以及在 –40oC - 150oC 的操作溫度范圍內(nèi)，±3 標(biāo)準(zhǔn)差的 QVO 分布（±6 mV）。
圖 5：QVO 與溫度的對比
圖 6：靈敏度與溫度的對比
總結(jié)
Allegro A1366 霍爾效應(yīng)線性傳感器 IC 特別適合在高精度和高帶寬應(yīng)用環(huán)境下使用，例如在 HEV 逆變器中使用。封裝改進(jìn)、斬波穩(wěn)定放大器、先進(jìn)的濾波技術(shù)和創(chuàng)新的數(shù)字溫度補(bǔ)償電路在開環(huán)電流傳感器系統(tǒng)中，共同為傳感器 IC 提供了近似閉環(huán)的精確性能。曾經(jīng)在低帶寬霍爾效應(yīng)線性傳感器 IC 中無法實(shí)現(xiàn)的低誤差水平，如今已能在廣泛的操作溫度范圍內(nèi)（汽車業(yè)），以最高 120 kHz 的帶寬實(shí)現(xiàn)。
文章于 2015 年 2 月在《Hanser Automotive》發(fā)表轉(zhuǎn)載需經(jīng)許可。
