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(yīng)技術(shù)的–電流傳感器 IC 的近期技術(shù)進(jìn)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(jìn)，并介紹了若干典型應(yīng)用電路實(shí)例，包括不間斷電源 (UPS)、逆變器和電池監(jiān)測(cè)。
介紹
過(guò)去十年中，工業(yè)、汽車、商業(yè)和通信系統(tǒng)對(duì)低成本、精確、小尺寸電流傳感器解決方案的需求增長(zhǎng)迅速。將電流轉(zhuǎn)換為比例關(guān)系的電壓的可用技術(shù)有很多。霍爾效應(yīng)的磁檢測(cè)器的優(yōu)勢(shì)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(gè)單硅芯片上。[1] 新設(shè)計(jì)理念和系統(tǒng)使用 BiCMOS 技術(shù)進(jìn)一步提高了 IC 性能。憑借這些優(yōu)勢(shì)，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(hù)功能），促進(jìn)了全新產(chǎn)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(shè)計(jì)概念，并探討了一些近期趨勢(shì)，這些趨勢(shì)支持 Allegro 開(kāi)發(fā)其下一代完全集成的低成本電流傳感器設(shè)備。
封裝概念
Allegro 電流傳感器 IC 設(shè)備的特點(diǎn)是將單片線性霍爾 IC 和低電阻一次電流傳導(dǎo)路徑集成到單個(gè) 模壓封裝中。霍爾傳感器緊密逼近并相對(duì)于銅導(dǎo)體保持精確定位，從而可以優(yōu)化設(shè)備精度。低功耗和高電壓隔離是此封裝概念固有的特點(diǎn)。封裝電流測(cè)量系統(tǒng)的最終尺寸、形狀和其他組件取決于要測(cè)量的一次電流的幅值。本節(jié)詳細(xì)介紹了用于不同電流測(cè)量范圍的創(chuàng)新封裝技術(shù)。
電流最高為 20 A
對(duì)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(biāo)準(zhǔn)尺寸的 SOIC8 表面封裝中，如圖 1 和圖 3 所示。這是一個(gè)緊湊、小尺寸的解決方案，并兼容高容量自動(dòng)化板載組件技術(shù)。使用倒裝晶片技術(shù)使霍爾效應(yīng)器件的工作面與正被傳感的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)之間實(shí)現(xiàn)最優(yōu)磁耦合。因此不需要磁通集中器。用于電流檢測(cè)的銅制路徑內(nèi)阻通常是 1.5 mΩ，功率耗損很小。電源端子與低電壓信號(hào) I/O 引腳之間具有電氣隔離。IC 和封裝經(jīng)過(guò)仔細(xì)設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步提高設(shè)備的電壓隔離，一次電流路徑與信號(hào)側(cè)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(nèi)部結(jié)構(gòu)，顯示 U 型一次銅導(dǎo)體和單個(gè)倒裝晶片型–霍爾 IC。
圖 2.CB 封裝的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，顯示一次導(dǎo)體（銅，左側(cè)）、磁通集中器（紅色）和線性單列直插式霍爾 ic（黑色）以及信號(hào)引腳（銅，右側(cè)）。
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(dá) 200 A
對(duì)于較高的電流，必須增加銅導(dǎo)體的截面，以適應(yīng) CB 封裝材料的電流密度。由于此較厚導(dǎo)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(yīng)器件和磁通集中器。憑借精心設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，一次導(dǎo)體電阻是通常低至 100 μΩ，且一次電流路徑與信號(hào)側(cè)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(nèi)部結(jié)構(gòu)，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(cè)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(duì)正在檢測(cè)的電流的路徑進(jìn)行分流。最簡(jiǎn)單的方法是設(shè)計(jì)一個(gè)帶有分口的匯流條，只讓控制良好的電流部分流過(guò)設(shè)備，其他部分都流到分流路徑（見(jiàn)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(diǎn)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(gè)設(shè)備，則可以增加電流傳感系統(tǒng)的分辨率（見(jiàn)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(gè)設(shè)備輸出的簡(jiǎn)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(gè)設(shè)備的輸出合并，以獲得正比于要感測(cè)總電流的線性輸出。
IC 設(shè)計(jì)
本節(jié)詳細(xì)介紹基本的芯片架構(gòu)和最重要的 IC 參數(shù)。
方框圖 設(shè)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(gè)方框圖。一次電流產(chǎn)生的磁通會(huì)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(nèi)減少信號(hào)偏移量，并穩(wěn)定 IC 輸出。[3] 片上電子設(shè)備產(chǎn)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(guān)系，即偏移和靈敏度與 VCC 值之間呈線性關(guān)系。通過(guò)線端微調(diào)偏移、靈敏度和溫度響應(yīng)優(yōu)化設(shè)備精度。IC 設(shè)計(jì)用于測(cè)量正負(fù)電流，但是如果需要，您可以調(diào)整參數(shù)，以適應(yīng)單向應(yīng)用。封裝后要裁剪器件，以減小霍爾元件上的封裝應(yīng)力效應(yīng)。如圖 6 所示，建議采用外部旁路電容器，以減小噪聲。如果應(yīng)用程序的帶寬允許，可在輸出使用簡(jiǎn)單的 rc 濾波器，以進(jìn)一步提高信噪比。
±20 A 型的主要特點(diǎn)雖然 SOIC8 設(shè)備設(shè)計(jì)工作電流為 ±20 A，但能承受高達(dá) 100 A 的大瞬態(tài)電流。確定器件過(guò)流能力的限制因素是 IC 的結(jié)溫（TJ(max)，該值是 165°C）——由應(yīng)用中印制電路板 (PCB) 的熱設(shè)計(jì)所決定。
主要特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下：
±200 A 型主要特點(diǎn) 銅導(dǎo)體的厚度使得設(shè)備可以抵御高達(dá) 5× 倍的過(guò)電流。主要特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下：
近期趨勢(shì)
高級(jí)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(jīng)涵蓋各種客戶的大量要求，但總的趨勢(shì)顯然是實(shí)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(kāi)發(fā)的兩種創(chuàng)新設(shè)備。
增強(qiáng) IC 性能為進(jìn)一步提高 ±20 A 扁平型 SOIC8 特性，Allegro 開(kāi)發(fā)出第三代產(chǎn)品，其重點(diǎn)是減小噪聲和總輸出誤差。芯片設(shè)計(jì)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(gè)編程位來(lái)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(jìn)的工藝性能、新的設(shè)計(jì)理念，以及新增的編程能力，這三者的結(jié)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(shí)的總輸出誤差由 ±8.4% 降至 ±1.5%。
該新設(shè)備還配有濾波器引腳，用于通過(guò)電容器來(lái)設(shè)置 –3 dB 點(diǎn)。這減少了提高 IC 分辨率所需的外部組件的數(shù)量（無(wú)需傳感電阻器）。下表提供了對(duì)于不同的濾波電容值，在 T = –40°C 至 85°C 和 IP = ±20 A 時(shí)的峰-峰電流噪聲水平，如下表所示：
過(guò)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(shè)備是之前幾代產(chǎn)品 ACS704 和 ACS706 的插入式替代品。
新增功能
對(duì)于大容量應(yīng)用場(chǎng)合，在霍爾 IC 上集成一些其他功能有應(yīng)用價(jià)值，通常利用外部組件實(shí)現(xiàn)。在下述具體實(shí)施中，利用這種方法實(shí)現(xiàn)新型保護(hù) IC，此 IC 采用集成熱插拔門極驅(qū)動(dòng)器和基于霍爾效應(yīng) 的內(nèi)部元件。
圖 7 中展示了該 ACS760 設(shè)備的方框圖。無(wú)需使用外部傳感電阻就可以測(cè)量電源負(fù)載。器件使用集成的 1.5 mΩ 銅導(dǎo)體和霍爾效應(yīng)元件，以精確測(cè)量最高為 30 A 的負(fù)載電流。該器件包含過(guò)流保護(hù)電路，此電路根據(jù)用戶選擇的電流級(jí)別（30 到 40 A 之間）跳閘。如果檢測(cè)到過(guò)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(guò)流條件的檢測(cè)與門電路關(guān)閉之間的延遲時(shí)間由外部電容器設(shè)置。
圖 7.保護(hù) IC 的方框圖，此 IC 配有集成熱插拔門極驅(qū)動(dòng)器以及基于 1.5 Ω 霍爾效應(yīng) 的內(nèi)部元件。
應(yīng)用實(shí)例
本節(jié)提供了兩個(gè)應(yīng)用實(shí)例，其中 ACS 設(shè)備支持最優(yōu)電流傳感解決方案。
電池監(jiān)測(cè)智能電池系統(tǒng)需要電路監(jiān)測(cè)電池電壓、溫度和電流。對(duì)于容量監(jiān)測(cè)應(yīng)用場(chǎng)合，所有這些測(cè)量值都很關(guān)鍵。不過(guò)，正確設(shè)計(jì)的最大難點(diǎn)是電流測(cè)量。其原因是電流測(cè)量對(duì)精度、功率耗散和解決方案的尺寸都有要求。
電流測(cè)量精度對(duì)于確保容量監(jiān)測(cè)算法法行之有效至關(guān)重要。測(cè)量此電流的傳統(tǒng)方法是在接地路徑或者低側(cè)接入分流回路。這種方法的關(guān)鍵問(wèn)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(cè)量精度。這對(duì)于筆記本電腦應(yīng)用而言，在掛起、休眠，或其他低功耗狀態(tài)下，電池很難準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)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(biāo)稱負(fù)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(kāi)發(fā)用于估算剩余容量的復(fù)雜算法，以補(bǔ)償此效應(yīng)。這些常規(guī)方式本質(zhì)比較保守，即假定電池容量的損失要比實(shí)際計(jì)算值多。其結(jié)果可能是，隨著時(shí)間推移電池容量損失看起來(lái)過(guò)多。
根據(jù)電池和應(yīng)用場(chǎng)合，監(jiān)測(cè)電流需要 1 到 2 W 的傳感電阻。不過(guò)，一般在便攜式解決方案中沒(méi)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(duì)于更高電流的解決方案，需要使用多個(gè)并聯(lián)電阻，以將功率額定值保持在設(shè)備限制范圍內(nèi)。這兩種解決方案都對(duì)安裝這些組件所需的板上空間有很大的影響。
將霍爾效應(yīng)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(yīng)器件的優(yōu)點(diǎn)很明顯：設(shè)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(fù)載電流下的功耗差別。
使用圖 9 所示的霍爾效應(yīng)器件可以增加電流測(cè)量精度。此方框圖顯示高電流路徑和低電流路徑。在監(jiān)測(cè)小電流時(shí)，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(cè)量范圍內(nèi)，比分流解決方案提供更多信號(hào)。假定霍爾效應(yīng)器件的增益為 100 mV/A，則此信號(hào)遠(yuǎn)大于分流電阻產(chǎn)生的信號(hào)，如下面的圖 10 所示。
圖 8.分流與霍爾效應(yīng)電流傳感解決方案的功率損耗對(duì)比。
圖 9.在電池監(jiān)測(cè)中采用霍爾效應(yīng)器件可提高精度和效率。
圖 10.霍爾效應(yīng)解決方案與20 mΩ 分流解決方案的輸出電壓對(duì)比。
采用霍爾效應(yīng)解決方案實(shí)現(xiàn)增益步長(zhǎng)增加的假定條件是，此應(yīng)用采用圖 9 所示的高電流路徑。實(shí)際過(guò)渡閾值和要求的遲滯級(jí)別將是應(yīng)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(yīng)器件有助于減少分流傳感解決方案所要求的 PCB 面積，并實(shí)現(xiàn)高側(cè)傳感，而高側(cè)傳感不會(huì)中斷接地路徑。利用霍爾效應(yīng)器件的兩個(gè)主要收益是，在更大的電流范圍提高電流測(cè)量精度，并通過(guò)顯著降低分流器的 12R 損耗來(lái)降低功耗。
UPS 和逆變器應(yīng)用中的霍爾效應(yīng)器件UPS 系統(tǒng)經(jīng)常使用霍爾效應(yīng)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(yīng)解決方案相比，CT 實(shí)際需要更多的支持組件，并且只限于交流應(yīng)用場(chǎng)合。使用 CT 監(jiān)視交流線路的另一項(xiàng)次要成本是，需要新增電路來(lái)控制涌流效應(yīng)，以及涌流期間可能的鐵芯飽和問(wèn)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(shí)，為系統(tǒng)提供線電壓。UPS 的目標(biāo)是，以最高效率供應(yīng)盡可能多的電力。例如，2200 VA UPS 的充電時(shí)間通常為 3 個(gè)小時(shí)。此 UPS 只能為半載 (990 W) 負(fù)荷供電大約 24 分鐘，為全載負(fù)荷 (1980 W) 供電 6.7 分鐘。監(jiān)測(cè)輸入和輸出電流，以進(jìn)行保護(hù)，并可輕松展示電池的充電狀態(tài)。
有幾個(gè)原因使 ACS712 霍爾效應(yīng)器件非常適合監(jiān)測(cè)輸入功率或電池充電電流。扁平型霍爾效應(yīng)解決方案顯而易見(jiàn)的優(yōu)勢(shì)是，所需體積僅為等效 CT 解決方案的幾分之一。此外，它還無(wú)需使用增益和額外的保護(hù)組件。這是因?yàn)?ACS712 不會(huì)在設(shè)備的隔離側(cè)產(chǎn)生過(guò)電壓。
為高負(fù)載逆變器供電時(shí)，霍爾效應(yīng) 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(cè)負(fù)載電流。其原因是線電流可能高達(dá) 15 到 20 ARMS，而電池源電流可能超過(guò) 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(yīng)器件實(shí)例。
圖 11.UPS 電源架構(gòu)
此下一代霍爾效應(yīng)器件可幫助解決現(xiàn)有 CT 問(wèn)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(yīng)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(jié)
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(yīng) IC，此 IC 集成了霍爾元件和最先進(jìn)的 BiCMOS 接口電路。
器件適用測(cè)量范圍最高達(dá) ±200 A，通過(guò)使用分流器，還可以設(shè)計(jì)用于更高電流的應(yīng)用場(chǎng)合。本文詳細(xì)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(cè)量系統(tǒng)方向邁進(jìn)的新方法，并介紹了兩個(gè)應(yīng)用示例。
備注
R.S.Popovic,《霍爾效應(yīng)器件》（第二版） IoP Publishing Ltd., 2004 年。
R. Dickinson 和 A. P. Friedrich，《為擴(kuò)大測(cè)量范圍在分流器配置中使用 Allegro 電流傳感器》，Allegro MicroSystems, LLC , 應(yīng)用注釋 AN295036，2005 年 4 月。
A. Bilotti, G. Monreal 和 R. Vig，《使用動(dòng)態(tài)正交偏移消除技術(shù)的單片磁式霍爾傳感器》，IEEE J.固態(tài)電路 32，第6期 (1997):829-36.
