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作者 Richard Dickinson 與 William Bentley
摘要
無通量集中器的高度緊湊的霍爾效應(yīng)電流傳感器 IC 目前已進(jìn)入市場(chǎng)，它能通過簡單的布線步驟，并屏蔽沿主感應(yīng)軸產(chǎn)生的外部磁通量對(duì)傳感器的影響，以有效提高小電流分化的性能。
簡介
當(dāng)通過相鄰的霍爾元件時(shí)，ACS71x 系列霍爾效應(yīng)電流傳感器 IC 可感應(yīng)其產(chǎn)生的磁場(chǎng)，并以此測(cè)量電流（參閱圖 1）。它們能直接測(cè)量該磁場(chǎng)，而無需使用在其他磁體裝置（例如，在用于 ACS75x 系列電流傳感器 IC 的 Allegro? MicroSystems CA 與 CB 封裝內(nèi)使用）中常用的磁通量集中器。
圖 1.ACS71x 電流傳感器內(nèi)的電流通路。電流通過 U 形回路并圍繞霍爾元件 (X) 沿任意方向流動(dòng)。U 形回路安裝在 SOIC8 封裝內(nèi)的芯片底部。
棄用通量集中器的好處是，幾乎能徹底消除 IC 內(nèi)的磁滯（誤差來源）。但這也會(huì)減弱 ACS71x 傳感器對(duì)抗外部磁場(chǎng)干擾的能力，而磁場(chǎng)干擾會(huì)影響電流測(cè)量的精度。在可能存在強(qiáng)磁場(chǎng)的應(yīng)用中，必須注意與這些磁場(chǎng)相關(guān)的霍爾元件的校準(zhǔn)和間距。在某些情況下，還需要對(duì)傳感器進(jìn)行屏蔽保護(hù)。
校準(zhǔn)
通量線在導(dǎo)體四周形成一個(gè)環(huán)形區(qū)域，導(dǎo)體所在的平面與電流通過導(dǎo)體的方向垂直。霍爾元件只會(huì)響應(yīng)與其表面垂直的通量分量，而且只會(huì)對(duì)該方向的磁場(chǎng)敏感。如圖 2 所示，雖然原電流的通路 (IP) 與霍爾元件在同一平面內(nèi)，通過 U 形回路的電流產(chǎn)生的磁通矢量仍會(huì)與霍爾元件的平面垂直。與霍爾元件相交的部分會(huì)產(chǎn)生一個(gè)橫向電壓，然后它會(huì)被放大并用于產(chǎn)生輸出電壓。
圖 2.U 形回路與霍爾元件通過 U 形回路的電流在與電流通路垂直的平面內(nèi)產(chǎn)生通量線。與霍爾元件的平面垂直的通量可產(chǎn)生霍爾電壓。
可能的話，應(yīng)使傳感器附近的強(qiáng)電流導(dǎo)體垂直于安裝傳感器封裝的印刷電路板上的平面。圖 3 顯示了這種影響。經(jīng)過校準(zhǔn)后，磁通量會(huì)在霍爾元件的平面內(nèi)循環(huán)，而不是通過平面，而且只會(huì)對(duì)霍爾效應(yīng) IC 的輸出產(chǎn)生很小的影響。
圖 3.與霍爾元件的平面垂直的相鄰導(dǎo)體與電流方向垂直的通量線平行于霍爾元件的平面，并且不會(huì)產(chǎn)生霍爾電壓。
間距與布線準(zhǔn)則
在要安裝 ACS71x 傳感器的地方為 PCB 布線時(shí)，最好在傳感器和承載強(qiáng)電流的引線之間留出盡可能多的間距。圖 4 顯示了測(cè)得的相鄰電流引線對(duì) PCB 和傳感器相同的一側(cè)產(chǎn)生的影響。雖然這是優(yōu)化設(shè)計(jì)的一個(gè)考慮因素，但相鄰電流引線的影響很小，遠(yuǎn)不如在傳感器內(nèi)測(cè)量的電流產(chǎn)生的信號(hào)的影響。
圖 4.承載 50 A 電流的相鄰傳導(dǎo)引線對(duì) ACS71x 傳感器的影響。隨著距離 D 的增加，相鄰導(dǎo)電引線產(chǎn)生的最小磁效應(yīng)影響會(huì)迅速減小。
屏蔽保護(hù)
圖 4 顯示了當(dāng)電流通路與霍爾元件在同一平面內(nèi)，并且其磁通量線與霍爾元件的平面垂直時(shí)，相鄰載流引線產(chǎn)生的磁通量對(duì)霍爾元件的影響。
如果需要加強(qiáng)對(duì)外部磁場(chǎng)干擾的防護(hù)，建議使用表面貼裝的磁合金屏蔽層覆蓋傳感器的封裝。如圖 5 所示的屏蔽層能使外部磁通量從 SOIC8 封裝轉(zhuǎn)向，而且不會(huì)對(duì)封裝內(nèi)部產(chǎn)生的環(huán)繞主電流通路的磁場(chǎng)產(chǎn)生顯著影響。圖 6顯示了典型的磁場(chǎng)效果。
圖 5.簡單的屏蔽層該設(shè)計(jì)可防止垂直的磁通量線從采用 SOIC8 封裝的 Allegro 電流傳感器 IC 的上方侵入。必要時(shí)，還可在 PCB 的另一側(cè)放置第二個(gè)屏蔽層。
圖 6.屏蔽層的磁場(chǎng)圖簡單的鐵合金屏蔽層能使所有垂直的通量線轉(zhuǎn)向，所以能有效保護(hù)霍爾元件。
可使用環(huán)氧樹脂將屏蔽層固定在 PCB 上，但并不一定要為其設(shè)置接地的導(dǎo)電通路。因?yàn)榛魻栐?duì)與其所在平面平行的通量線不敏感，所以不必封閉屏蔽層的側(cè)面。實(shí)際上，考慮到蠕變和間隙等因素的影響，最好使 IC 引線附近的屏蔽層保持開啟。
如果需要高級(jí)屏蔽功能，可在 PCB 的底部貼裝第二個(gè)同類型的屏蔽層，以防止從底部通過 PCB 的垂直通量線影響霍爾元件。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用一個(gè)空心場(chǎng)源，對(duì)采用 8 引腳傳感器封裝的霍爾元件施加一個(gè)垂直的 ±240 G 磁場(chǎng)。記錄由各種鐵合金制成的屏蔽層達(dá)到的衰減水平和材料厚度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。采用兩種鐵合金，硅鋼 (SiFe) 和鎳鐵 (HyMu) 合金，它們是具有高導(dǎo)磁率 ( μ) 的通用合金。需要注意的是，在大部分應(yīng)用中，霍爾元件不得暴露在強(qiáng)度高達(dá) 60 G 的磁場(chǎng)中。例如，只有當(dāng) ACS71x 位于相鄰匯流排 (承載 500 A 電流) 6 mm 范圍內(nèi)時(shí)，才允許最大 60 G 的磁場(chǎng)穿過霍爾傳感器。
總結(jié)
本文介紹的校準(zhǔn)、間距和屏蔽技術(shù)的應(yīng)用將逐步普及，以有效減少在使用 ACS71x 電流傳感器 IC 時(shí)，外部磁場(chǎng)產(chǎn)生的影響。
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