作者：John Cummings、Michael C. Doogue、Andreas P. Friedrich
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摘要
本論文闡述了基于集成霍爾效應技術的–電流傳感器 IC 的近期技術進展。文章涵蓋將一次電流路徑集成到系統(tǒng)的各種封裝概念、IC 參數(shù)的主要改進，并介紹了若干典型應用電路實例，包括不間斷電源 (UPS)、逆變器和電池監(jiān)測。
介紹
過去十年中，工業(yè)、汽車、商業(yè)和通信系統(tǒng)對低成本、精確、小尺寸電流傳感器解決方案的需求增長迅速。將電流轉換為比例關系的電壓的可用技術有很多。霍爾效應的磁檢測器的優(yōu)勢是，電壓與電流路徑分離，并且霍爾元件與接口電子元件集成到一個單硅芯片上。[1] 新設計理念和系統(tǒng)使用 BiCMOS 技術進一步提高了 IC 性能。憑借這些優(yōu)勢，再加上支持集成其他功能（如在相同電流傳感器 IC 加入電源保護功能），促進了全新產品的誕生與發(fā)展。本文涵蓋了 Allegro ?ACS 電流傳感器 IC 系列的基本封裝和 IC 設計概念，并探討了一些近期趨勢，這些趨勢支持 Allegro 開發(fā)其下一代完全集成的低成本電流傳感器設備。
封裝概念
Allegro 電流傳感器 IC 設備的特點是將單片線性霍爾 IC 和低電阻一次電流傳導路徑集成到單個 模壓封裝中。霍爾傳感器緊密逼近并相對于銅導體保持精確定位，從而可以優(yōu)化設備精度。低功耗和高電壓隔離是此封裝概念固有的特點。封裝電流測量系統(tǒng)的最終尺寸、形狀和其他組件取決于要測量的一次電流的幅值。本節(jié)詳細介紹了用于不同電流測量范圍的創(chuàng)新封裝技術。
電流最高為 20 A
對于最高為 ±20 A 的小額定電流，霍爾晶片和一次電流路徑均封裝在標準尺寸的 SOIC8 表面封裝中，如圖 1 和圖 3 所示。這是一個緊湊、小尺寸的解決方案，并兼容高容量自動化板載組件技術。使用倒裝晶片技術使霍爾效應器件的工作面與正被傳感的電流所產生的磁場之間實現(xiàn)最優(yōu)磁耦合。因此不需要磁通集中器。用于電流檢測的銅制路徑內阻通常是 1.5 mΩ，功率耗損很小。電源端子與低電壓信號 I/O 引腳之間具有電氣隔離。IC 和封裝經過仔細設計，可以進一步提高設備的電壓隔離，一次電流路徑與信號側之間的典型直流隔離電壓為 5 kV，最小均方根隔離電壓為 1.6 kV，典型電壓為 2.5 kV（60 Hz，持續(xù) 1 分鐘）。
圖 1.ACS 封裝的內部結構，顯示 U 型一次銅導體和單個倒裝晶片型–霍爾 IC。
圖 2.CB 封裝的內部結構，顯示一次導體（銅，左側）、磁通集中器（紅色）和線性單列直插式霍爾 ic（黑色）以及信號引腳（銅，右側）。
圖 3.±20 A（LC 封裝）和±200 A（CB 封裝）電流傳感器 IC 的照片，并顯示與之比較的硬幣。
電流高達 200 A
對于較高的電流，必須增加銅導體的截面，以適應 CB 封裝材料的電流密度。由于此較厚導體與線性霍爾元件之間存在磁耦合，因此必須使用磁通集中器。在包覆之前，必須精確組裝銅路徑、線性 SIP 霍爾效應器件和磁通集中器。憑借精心設計的系統(tǒng)，一次導體電阻是通常低至 100 μΩ，且一次電流路徑與信號側之間的最小均方根隔離電壓為 3 kV (60 Hz，持續(xù) 1 分鐘）。圖 2 顯示這種 ±200 A 電流傳感器的內部結構，圖 3 顯示了此類和 ±20 A 封裝類型的照片。
大于 200 A 的電流
如果要測量的電流高于 200 A，可以在分流器配置中使用 IC。[2] 這種方法需要對正在檢測的電流的路徑進行分流。最簡單的方法是設計一個帶有分口的匯流條，只讓控制良好的電流部分流過設備，其他部分都流到分流路徑（見圖 4)。分流比由匯流條的幾何形狀確定。這種方法的固有缺點是，它降低了電流分辨率，降低的比例為電流的分流比。
如果將電流等分分流和并且并聯(lián)使用兩個設備，則可以增加電流傳感系統(tǒng)的分辨率（見圖 5）。為了獲得正比于一次總電流的線性輸出，可以使用涉及電平漂移并且添加了兩個設備輸出的簡單電路。[2]
圖 4.分流器配置。電流傳感器 IC 可以直接連接到匯流條。
圖 5.電流等分分流，以提高分辨率。可以將兩個設備的輸出合并，以獲得正比于要感測總電流的線性輸出。
IC 設計
本節(jié)詳細介紹基本的芯片架構和最重要的 IC 參數(shù)。
方框圖 設備的中心元件是精確、低偏移的硅霍爾 IC。圖 6 中展示了一個方框圖。一次電流產生的磁通會影響霍爾元件。BiCMOS 穩(wěn)定斬波電路用于在其工作溫度范圍內減少信號偏移量，并穩(wěn)定 IC 輸出。[3] 片上電子設備產生的模擬電壓與輸入電流成正比。
圖 6.電路的方框圖。
輸出呈比例關系，即偏移和靈敏度與 VCC 值之間呈線性關系。通過線端微調偏移、靈敏度和溫度響應優(yōu)化設備精度。IC 設計用于測量正負電流，但是如果需要，您可以調整參數(shù)，以適應單向應用。封裝后要裁剪器件，以減小霍爾元件上的封裝應力效應。如圖 6 所示，建議采用外部旁路電容器，以減小噪聲。如果應用程序的帶寬允許，可在輸出使用簡單的 rc 濾波器，以進一步提高信噪比。
±20 A 型的主要特點雖然 SOIC8 設備設計工作電流為 ±20 A，但能承受高達 100 A 的大瞬態(tài)電流。確定器件過流能力的限制因素是 IC 的結溫（TJ(max)，該值是 165°C）——由應用中印制電路板 (PCB) 的熱設計所決定。
主要特點和優(yōu)點總結如下：
±200 A 型主要特點 銅導體的厚度使得設備可以抵御高達 5× 倍的過電流。主要特點和優(yōu)點總結如下：
近期趨勢
高級工業(yè)、汽車、商業(yè)和通信系統(tǒng)的電流傳感解決方案迎面臨新的挑戰(zhàn)。雖然前面的段落中提出的解決方案已經涵蓋各種客戶的大量要求，但總的趨勢顯然是實現(xiàn)低成本、高精度、小尺寸,并具有新增功能的系統(tǒng)。本節(jié)介紹了 Allegro 為解決這些需求而開發(fā)的兩種創(chuàng)新設備。
增強 IC 性能為進一步提高 ±20 A 扁平型 SOIC8 特性，Allegro 開發(fā)出第三代產品，其重點是減小噪聲和總輸出誤差。芯片設計采用了 Allegro 最新的低噪聲 0.65 μm BiCMOS 工藝 (DABIC6)。在封裝之后，可使用共 23 個編程位來優(yōu)化下列 IC 參數(shù)：
靜態(tài)輸出電壓
靈敏度
靈敏度溫度系數(shù)
改進的工藝性能、新的設計理念，以及新增的編程能力，這三者的結合可將噪聲減小 2×。在工業(yè)溫度范圍 40°C 到 85°C，IP = ±20 A 時的總輸出誤差由 ±8.4% 降至 ±1.5%。
該新設備還配有濾波器引腳，用于通過電容器來設置 –3 dB 點。這減少了提高 IC 分辨率所需的外部組件的數(shù)量（無需傳感電阻器）。下表提供了對于不同的濾波電容值，在 T = –40°C 至 85°C 和 IP = ±20 A 時的峰-峰電流噪聲水平，如下表所示：
過濾器引腳
外部電容器
(nF) |
帶寬
(kHz) | 峰-峰值
噪聲
（毫伏（典型值）） |
|---|
| 1 | 50 | 40 |
| 4.7 | 20 | 24 |
| 47 | 2 | 10 |
該新 ACS712 設備是之前幾代產品 ACS704 和 ACS706 的插入式替代品。
新增功能
對于大容量應用場合，在霍爾 IC 上集成一些其他功能有應用價值，通常利用外部組件實現(xiàn)。在下述具體實施中，利用這種方法實現(xiàn)新型保護 IC，此 IC 采用集成熱插拔門極驅動器和基于霍爾效應 的內部元件。
圖 7 中展示了該 ACS760 設備的方框圖。無需使用外部傳感電阻就可以測量電源負載。器件使用集成的 1.5 mΩ 銅導體和霍爾效應元件，以精確測量最高為 30 A 的負載電流。該器件包含過流保護電路，此電路根據(jù)用戶選擇的電流級別（30 到 40 A 之間）跳閘。如果檢測到過流條件，則器件的故障輸出裝置跳閘，外部 MOSFET 的柵極被拉到接地電位。過流條件的檢測與門電路關閉之間的延遲時間由外部電容器設置。
圖 7.保護 IC 的方框圖，此 IC 配有集成熱插拔門極驅動器以及基于 1.5 Ω 霍爾效應 的內部元件。
應用實例
本節(jié)提供了兩個應用實例，其中 ACS 設備支持最優(yōu)電流傳感解決方案。
電池監(jiān)測智能電池系統(tǒng)需要電路監(jiān)測電池電壓、溫度和電流。對于容量監(jiān)測應用場合，所有這些測量值都很關鍵。不過，正確設計的最大難點是電流測量。其原因是電流測量對精度、功率耗散和解決方案的尺寸都有要求。
電流測量精度對于確保容量監(jiān)測算法法行之有效至關重要。測量此電流的傳統(tǒng)方法是在接地路徑或者低側接入分流回路。這種方法的關鍵問題是，為盡量減少 I2R 損失，分流的電流值必須很小。使用此方法，必須接受較低的電流測量精度。這對于筆記本電腦應用而言，在掛起、休眠，或其他低功耗狀態(tài)下，電池很難準確監(jiān)測流入系統(tǒng)的電流。
如果電池使用 10 mΩ 傳感電阻器，以最大限度減少標稱負載的功率耗散，若拉電流僅為 50 A，則分流器的電壓將只有 500 pV。此電壓很難分辨，必須為電池開發(fā)用于估算剩余容量的復雜算法，以補償此效應。這些常規(guī)方式本質比較保守，即假定電池容量的損失要比實際計算值多。其結果可能是，隨著時間推移電池容量損失看起來過多。
根據(jù)電池和應用場合，監(jiān)測電流需要 1 到 2 W 的傳感電阻。不過，一般在便攜式解決方案中沒有足夠的空間放置 2 W 電阻器，因此解決方案通常僅采用 1 W 電阻器。對于更高電流的解決方案，需要使用多個并聯(lián)電阻，以將功率額定值保持在設備限制范圍內。這兩種解決方案都對安裝這些組件所需的板上空間有很大的影響。
將霍爾效應器件作為電池組的分流器解決方案，可以降低電池組的功率耗散。使用霍爾效應器件的優(yōu)點很明顯：設備的插入損耗較小。在 SOIC8 封裝中，ACS712 引線框架插入損耗僅為 1.5 mΩ。圖 8 展示了一系列負載電流下的功耗差別。
使用圖 9 所示的霍爾效應器件可以增加電流測量精度。此方框圖顯示高電流路徑和低電流路徑。在監(jiān)測小電流時，可啟用低電流路徑，以獲得更高精度。圖 9 顯示的解決方案不僅為較低充放電電流提供了更高的精度，而且在測量范圍內，比分流解決方案提供更多信號。假定霍爾效應器件的增益為 100 mV/A，則此信號遠大于分流電阻產生的信號，如下面的圖 10 所示。
圖 8.分流與霍爾效應電流傳感解決方案的功率損耗對比。
圖 9.在電池監(jiān)測中采用霍爾效應器件可提高精度和效率。
圖 10.霍爾效應解決方案與20 mΩ 分流解決方案的輸出電壓對比。
采用霍爾效應解決方案實現(xiàn)增益步長增加的假定條件是，此應用采用圖 9 所示的高電流路徑。實際過渡閾值和要求的遲滯級別將是應用以及所用分流值的函數(shù)。
在電池系統(tǒng)中使用霍爾效應器件有助于減少分流傳感解決方案所要求的 PCB 面積，并實現(xiàn)高側傳感，而高側傳感不會中斷接地路徑。利用霍爾效應器件的兩個主要收益是，在更大的電流范圍提高電流測量精度，并通過顯著降低分流器的 12R 損耗來降低功耗。
UPS 和逆變器應用中的霍爾效應器件UPS 系統(tǒng)經常使用霍爾效應器件或電流互感器 (CT)。盡管 CT 被視為低成本解決方案，但與霍爾效應解決方案相比，CT 實際需要更多的支持組件，并且只限于交流應用場合。使用 CT 監(jiān)視交流線路的另一項次要成本是，需要新增電路來控制涌流效應，以及涌流期間可能的鐵芯飽和問題。
UPS 解決方案要求使用線電壓為電池充電，以便在發(fā)送電力故障時，為系統(tǒng)提供線電壓。UPS 的目標是，以最高效率供應盡可能多的電力。例如，2200 VA UPS 的充電時間通常為 3 個小時。此 UPS 只能為半載 (990 W) 負荷供電大約 24 分鐘，為全載負荷 (1980 W) 供電 6.7 分鐘。監(jiān)測輸入和輸出電流，以進行保護，并可輕松展示電池的充電狀態(tài)。
有幾個原因使 ACS712 霍爾效應器件非常適合監(jiān)測輸入功率或電池充電電流。扁平型霍爾效應解決方案顯而易見的優(yōu)勢是，所需體積僅為等效 CT 解決方案的幾分之一。此外，它還無需使用增益和額外的保護組件。這是因為 ACS712 不會在設備的隔離側產生過電壓。
為高負載逆變器供電時，霍爾效應 IC 的最佳布置位置是線電壓本身所在位置，這樣可以直接監(jiān)測負載電流。其原因是線電流可能高達 15 到 20 ARMS，而電池源電流可能超過 50 至 60 A，具體取決于電池組的電壓和變流器效率。下面的圖 11 顯示 UPS 電源使用的霍爾效應器件實例。
圖 11.UPS 電源架構
此下一代霍爾效應器件可幫助解決現(xiàn)有 CT 問題，并提高系統(tǒng)的可靠性。在電池充電系統(tǒng)和逆變器裝置中使用霍爾效應器件，可以優(yōu)化變流器的效率。這有助于降低系統(tǒng)的總體尺寸并節(jié)省成本。
總結
為工業(yè)、汽車、商業(yè)和通信系統(tǒng)提供創(chuàng)新傳感器電流解決方案。封裝器件包括低電阻一次電流路徑和單片線性霍爾效應 IC，此 IC 集成了霍爾元件和最先進的 BiCMOS 接口電路。
器件適用測量范圍最高達 ±200 A，通過使用分流器，還可以設計用于更高電流的應用場合。本文詳細闡述了朝著低成本、高精度和具有新增功能的小尺寸電流測量系統(tǒng)方向邁進的新方法，并介紹了兩個應用示例。
備注
R.S.Popovic,《霍爾效應器件》（第二版） IoP Publishing Ltd., 2004 年。
R. Dickinson 和 A. P. Friedrich，《為擴大測量范圍在分流器配置中使用 Allegro 電流傳感器》，Allegro MicroSystems, LLC , 應用注釋 AN295036，2005 年 4 月。
A. Bilotti, G. Monreal 和 R. Vig，《使用動態(tài)正交偏移消除技術的單片磁式霍爾傳感器》，IEEE J.固態(tài)電路 32，第6期 (1997):829-36.
