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作者： Allegro MicroSystems, LLC
Georges El Bacha、Shaun Milano 和 Jeff Viola

簡介

Allegro ACS758CB 和 ACS770CB 系列等傳統開環電流傳感器 IC，都采用鐵磁芯作為磁力集中器。磁芯可以集中通過導體流入霍爾效應傳感器 IC 的電流產生的磁通密度（B 場），如圖1 所示。

圖 1：使用霍爾傳感器 IC 和磁芯感測電流

霍爾效應傳感器 IC 采用霍爾元件，即可以將垂直于霍爾元件的 B 場轉換為電壓的傳感器。霍爾傳感器的電壓與 B 場成正比。B 場也與導線中的電流大小成比例，因此霍爾傳感器輸出電壓與流經導線的電流大小成正比。這樣就可以利用霍爾效應傳感器和集中磁芯制造出很精確的電流傳感器。

如果沒有磁芯，導體周圍的 B 場會很小，而且很難準確測量。磁芯可以將磁場放大至少 20 倍，因此在提高傳感器精度和分辨率方面很有價值。以這種方式測量電流還有其他優勢，例如可以隔離電流、功率損失低且發熱量低。使用鐵磁材料的唯一缺點就是磁芯會產生磁滯。

什么是磁滯？

我們可以通過取一片磁芯材料并生成 B-H 曲線來測量磁滯。首先將外部磁場 (H) 施加到材料上，接著測量材料內的磁通量密度 (B)。一系列永磁體或硬磁化材料的曲線如下圖 2 所示。永磁體不用做磁芯，但是可以幫助說明磁滯的工作情況。施加大磁場時，磁性材料會被磁化；當磁場 (H) 消除時，材料周圍含有磁通量密度 (B) 的永磁場（如圖 2 所示）。

永磁體產生的磁場不僅僅取決于材料，同時還取決于磁化的強度。換言之，該磁場取決于在磁化過程中施加了多少 H 場。通過施加不同的磁化場 (H)，可以按照圖 2 所示生成一系列曲線。

圖 2：B 與 H 系列曲線

鐵磁材料是可以磁化或吸引永磁體的材料，它們具有很高的導磁率，且所有鐵磁材料都有和磁場同時存在的磁疇（請參閱圖 3）。松散分布的磁疇在施加的磁場消除后恢復到隨機分布的方向。這些材料稱為軟磁化材料，是用做磁芯的理想材料。并非所有磁疇都會恢復到隨機方向，這也是材料成為輕微磁化材料的方法。這就是所謂的“剩磁”和材料的磁滯。永磁磁疇仍然鎖定在與磁化場相同的方向，因此是“硬磁化”材料。

在為電流感測應用選擇磁芯材料時，建議選擇軟磁化鐵磁材料，如圖 3 和 4 所示。

圖 3：磁疇


圖4：軟磁化和硬磁化 B 與 H 環

當霍爾電流傳感器 IC 置于磁芯間隙中且沒有電流通過時，器件輸出電壓讀數應為零安培。磁芯中的磁滯會在電流通過導線后仍然保持磁場，因為電流會產生施加場，并將磁芯材料磁化。電流不再流動時，根據磁芯材料的磁化水平，霍爾傳感器將測量非零電流。這樣會導致零安培讀數產生一些誤差，因此不可取。

軟磁化和硬磁化材料

Allegro CA/CB 封裝電流傳感器 IC 采用軟磁化鐵磁芯材料。這些軟磁化材料的剩磁或磁滯要少很多。為了以示例的方式解釋，我們使用最常見的通用碳素鋼 1020  鋼。在熱軋狀態下，1020 鋼可以輕松保持 30 高斯 (G) 的磁通量，在冷軋狀態下的數值會更高。Allegro CB 封裝中使用的 SiFe 材料大約可以保持 2 G。因此這種材料是電流感測磁芯的理想材料，可以盡量降低霍爾傳感器的零電流輸出誤差。

ACS758CB 電流傳感器的磁滯效應

ACS758CB 靜態輸出電壓 (VOUTQ ) 是指一次電流為零時電流傳感器 IC 的輸出。雙向器件名義上可以保持在 VCC ? 2。VCC = 5 V 轉換為理想 VOUTQ = 2.5 V。

如前所述，電流傳感器 IC 內的磁芯的剩磁會影響電流施加到傳感器后的 VOUTQ 水平。下述慣例將用于其余的內容。

• 靜態輸出正電壓 (VOUTQP)：”最大正“施加電流流入電流傳感器 IC 并減少至 0 A 后測量得出的輸出電壓

• 靜態輸出負電壓 (VOUTQN)：”最大負“施加電流流入電流傳感器 IC 并減少至 0 A 后測量得出的輸出電壓

• 理想的靜態輸出電壓 (VOUTQI)：VOUTQP 和 VOUTQN 的平均值，其中最高正電流和最高負電流大小相等。

圖 5：Allegro CA/CB 封裝電流傳感器 IC

圖 6 顯示了不同電流脈沖施加到 ACS758LKCB-150B (150 A 雙向型傳感器) 后的靜態輸出電壓。每次電流降低到 0 A 后，將記錄電流傳感器 IC 輸出。測量過程中施加的最大電流將設置為 ±130 A。要生成這些圖，要向傳感器 [1] 施加 130 A 脈沖，接著施加范圍在 -3 A [2] 到 -130 A [3] 的負電流脈沖。接著施加一系列范圍在 3 A [4] 到 130 A [5] 的正電流脈沖。以 90 A [6] 和 50 A [7] 的最大電流振幅重復進行類似的測量。

ACS758 磁芯的剩磁使 VOUTQ 發生變化，取決于注入電流的大小和極性。130 A 磁滯環（最外部的綠色曲線）的最大 VOUTQP 為 2.5032 V (130 A 脈沖后) 且最小 VOUTQN 為 2.4932 V (-130 A 脈沖后)，其中間點 VOUTQI 為 2.4982 V。VOUTQI 的差值為 10 mV 或 ±5 mV。

150 A 雙向傳感器的靈敏度為 13.3 mV/A，由此得出的磁偏移量或磁滯為 5 mV/13.3 mV/A = ±375.9 mA，它僅為測量過程中施加 130 A 最高電流的 0.289%。通常 ACS758CB 的磁偏移量為 ±250 mA。在本示例中也使用了磁偏移量更大的器件來說明接近最壞的境況。

ACS758 150 A 雙向磁滯環

圖 6:ACS758 系列磁滯圖

如何減少磁滯？

方法 1

最簡單的方式是將磁滯的峰峰值減少一半。這可以通過施加最高正和負施加電流，記錄 VOUTQP 和 VOUTQN 并計算 VOUTQI 來完成。VOUTQI 應儲存在系統內存中，并作為預計的零電流輸出電壓（請參閱圖 7）。

圖 7：如何測量 VOUTQP、VOUTQN 和 VOUTQI

要使用圖 6 中測得的數據作為我們的示例，對于 ±130 A 最高應用電流，VOUTQP = 2.5032 V、VOUTQN = 2.4932 V、VOUTQI = (2.5032+2.4932)/2 = 2.4982 V。通過簡單使用此 VOUTQI 作為預計的零電流輸出電壓，所得的偏差不得超過 ±5 mV 或 ±375.9 mA。

在介紹下一種補償方法前，需要定義抗磁電流。抗磁電流是指在傳感器暴露在最高應用電流后，將材料的磁化強度降低到幾乎為零所需的電流水平。例如在圖 8 中，在應用 130 A 脈沖后，VOUTQP = 2.5032 V。將 ACS758 的磁化水平降低到幾乎為零所需的電流脈沖為 A -25 A。這樣得到的 VOUTQ 接近 VOUTQI = 2.4982 V，是理想的 VOUTQ 值。在最高施加電流為 ±130 A 的系統中，抗磁電流為 ±25 A。

ACS758 150 A 雙向磁滯環

圖 8:±130 A 最高施加電流系統的抗磁電流值 

方法 2

就像方法 1 一樣，我們施加正負最高電流并記錄 VOUTQP 和 VOUTQN，接著計算系統校準過程中的 VOUTQI。在操作過程中，應記錄電流極性和大小。

如果電流極性不變，且電流值小于等于上次測量的最大電流，則不需要更新 VOUTQ。

如果電流極性發生變化，且電流值接近抗磁值，則應使用 VOUTQI。

如果電流極性發生變化，且電流值明顯大于抗磁值，則使用 VOUTQP (針對正電流) 或 VOUTQN (針對負電流)。

如果電流極性發生變化，且電流值低于抗磁值，則 VOUTQ 應保持當前值。

根據具體的施加情況，用戶可以選擇明顯大于和小于抗磁值的限值。這些限值構成抗磁窗口，如圖 9 所示。

方法 2 算法的詳細框圖如圖 10 所示。

在最高施加電流為 ±130 A 的示例中，方法 1 產生的最高偏差為 ±5 mV，而方法 2 產生的最高偏差為 ±2.5 mV。

ACS758 150 A 雙向磁滯環

圖 9:選擇的構成抗磁窗口的電流值示例 

 
圖 10：方法 2 算法

總結

使用鐵磁集中器的電流傳感器 IC 會產生磁滯。在使用 ACS758CB 和 ACS770CB 時，磁滯通常較小，通過采用適當的系統和軟件，可以大大降低磁滯。

版權所有?2014 Allegro MicroSystems, LLC

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