作者：Allegro MicroSystems, LLC產品線市場總監Shaun Milano

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閉環電流傳感技術以其高精準度被廣泛用于工業和汽車應用中。通過在單片和完全集成的電流傳感芯片中采用專有的封裝技術和先進的集成算法，Allegro MicroSystems，LLC已經開發出磁性電流傳感器IC解決方案，能夠以開環傳感器的架構實現接近閉環的精度。 本文將詳細討論實現這一目標的封裝和算法。

開環與閉環電流傳感器的架構

通常，開環霍爾效應傳感器會使用一個磁性傳感器來產生與被感測電流成比例的電壓，然后該電壓被放大成與導體中電流成比的模擬輸出信號。導體通過鐵磁體的中心位置以集中磁場，磁傳感器則被放置在鐵磁體的間隙中，如圖1所示。在開環架構中，霍爾效應電流傳感器IC對于溫度的任何非線性和靈敏度漂移都可能產生誤差。

閉環傳感器使用由電流傳感器IC主動驅動的線圈來產生一個與導體中電流產生的磁場相反的磁場。這樣，霍爾傳感器總是在一個零磁場的工作點運行。 輸出信號由電阻器產生，該電阻器的電壓與線圈中的電流成比例，該電流也與繞在磁芯線圈中電流的匝數倍成正比，如圖2所示。

閉環電流傳感器不僅需要鐵磁芯，還需要一個線圈和額外的高功率放大器來驅動線圈。 雖然閉環電流傳感器比開環架構更復雜，但由于系統僅在零磁場這一個工作點運行，因此消除了與霍爾傳感器IC相關的靈敏度誤差。 如果設計合理，閉環和開環霍爾效應電流傳感器通常具有相同的零安培輸出電壓性能，因此兩者的零安培檢測精度非常相似。 與開環解決方案相比，閉環傳感器尺寸更大，需要占用的PCB面積也更多。由于閉環傳感器在驅動補償線圈時需要一定的電流，因而功耗較高。此外，由于閉環傳感器需要額外的線圈和驅動電路，價格也比開環傳感器更昂貴。

開環與閉環傳感器的選擇需要考慮精度和響應時間。 如果應用要求高精度，通常選擇閉環電流傳感器，因為它消除了上面談到的系統靈敏度非線性誤差。在某些應用中，需要快速響應時間來保護IGBT和MOSFET等半導體器件，以便能夠更好地控制應用中的電流。如果能夠使開環傳感器具有足夠的精度和響應速度，由于其尺寸、功耗等方面的先天優勢，也不失一種選擇。 Allegro已經開發出這種全新的開環解決方案，體積更小，具備高精度和快的響應速度，比閉環解決方案更經濟實惠 。

開環傳感器IC的封裝

Allegro電流傳感器IC的獨特性在于采用了完全集成的技術，通過采用專利的倒裝芯片封裝技術可以產生足夠的磁場，從而消除對鐵磁芯的需求。 圖3所示為SOIC16電流傳感器IC的基本架構。 其中電流輸入和電流輸出都處于封裝的一側，而信號引線則位于封裝的另一側。 電流產生的磁場集中在圖4俯視圖中3/4匝導體的中心。 芯片具有焊錫凸塊，同時采用倒裝芯片組裝技術將磁霍爾傳感器的磁場最大化。 圖4的橫截面圖顯示半導體IC和載流導體之間沒有物理接觸 。

這為許多高電壓應用提供了所需的電隔離，不同的封裝尺寸將具有不同級別的隔離度，通過由常見和比較難的UL和TUV 以及UL / TUV60950-1第2版規范評估。關于獨立傳感器的隔離評級，請參閱器件數據表http://www.allegromicro.com/zh-CN/Products/Current-Sensor-ICs.aspx這些表面貼裝封裝的導體電阻非常低，僅為1mΩ，出于客戶PCB的標稱散熱性能考慮，這些封裝可用于支持50A 的RMS或DC持續電流，針對直流和瞬態電流下的封裝熱性能的詳細說明請見以下鏈接。 http://www.allegromicro.com/zh-CN/Design-Center/Technical-documents/Hall-Effect-Sensor-IC-Publications/DC-and-Transient-Current-Capability-Fuse-Characteristics.aspx

提高準確度和速度的先進半導體算法

Allegro ACS720電流傳感器IC是新型開環技術的代表性產品。 圖5所示為ACS720的典型框圖。

Allegro公司的BiCMOS混合信號半導體工藝允許低偏移模擬電路和中等密度數字電路共存，可以把各種先進的算法集成到單片集成電路。模擬信號帶寬設計為120 kHz，響應時間<4μs，適用于大多數電機控制和綠色能源應用。對于需要更快響應時間來防止過流故障的應用，ACS720同時具有用于過流檢測的數字慢速故障和用于短路保護的快速數字故障電流輸出。 兩個故障輸出的跳閘點都可以通過VOC引腳上的電阻分壓器進行配置。 快速故障跳閘在1μs多點的時間內變為低電平有效，并提供避免保護半導體開關短路的信號。 這為大多數應用提供了快速保護。

該傳感器還集成了專門針對逆變器應用優化的功能，以應對其中的功率和信號板通常由不同電源供電的挑戰。 ACS720內部穩壓器采用5V電源供電，具有較大的電源抑制比，可免受電源噪聲的干擾。該器件的輸出不是比例式輸出，與3.3V電源兼容，并可直接饋入信號板微處理器中的ADC。 即使5V電源存在干擾，也能使輸出信號偏移和靈敏度保持穩定，并可兼容3.3V。 故障引腳是開路的NMOS器件，當在多相逆變器中使用多個ACS720時，故障引腳在單個數字I / O引腳上以邏輯OR運算在一起。

為了優化整個溫度范圍內的精度，ACS720對主信號路徑增益和偏移量都有一個集成式的分段線性溫度補償算法。

溫度補償算法

通過增加包括EEPROM技術的數字溫度補償算法，Allegro開環電流傳感器IC的精度得到大幅度提高。采用五個邊界之間的分段線性溫度補償能夠明顯降低模擬信號路徑的本地漂移，而不犧牲信號帶寬，圖6所示為這種技術的介紹。通過這種算法，可以調整零安培輸出電壓（QVO）和靈敏度。點線表示QVO或靈敏度的本地漂移，短劃線表示在邊界之間添加的線性補償，實線表示傳感器輸出的最終結果。注意圖5中的數字補償與主信號路徑并行發生，這使得模擬輸出保持高速，而增益和偏移在溫度隨時間緩慢變化時得到補償。補償參數在Allegro工廠生產線終端測試時得到確定，并通過在IC上集成EEPROM、一個溫度傳感器和數字分段線性溫度補償算法完成。這種生產線終端測試編程可以確保器件在整個工作溫度范圍內具有穩定的零安培輸出電壓和靈敏度。

傳感器性能

專利封裝技術和集成式數字補償算法使傳感器在整個溫度范圍和工作帶寬內具有接近±1％的精度，這些結果可以參考圖7。 在整個工作溫度范圍內，QVO（偏移）誤差小于±8mV（±0.5％），靈敏度誤差只有±1％。

結束語

通過將獨特的封裝技術、先進的混合信號半導體工藝與先進的數字溫度補償算法相結合，開環電流傳感器IC能夠實現閉環精度。 Allegro的電流傳感器實現了更小的PCB尺寸，不再需要體積大且價格昂貴的鐵磁芯，因而更易于集成到需要高精度和高速度的應用設計，并且價格低于閉環傳感解決方案。

有關該傳感器IC的更多信息，包括布局布線建議和其他應用筆記，請參閱霍爾效應傳感器IC信息頁面： http://www.allegromicro.com/zh-CN/Design-Center/Technical-documents/Hall-Effect-Sensor-IC-Publications.aspx

欲了解其他應用筆記，常見問題和產品信息，可以訪問Allegro網站 www.allegromicro.com.

適用專利
1. Gagnon et al., “Current Sensor”, US Patent 7,166,807; filed June 3, 2005, and issued January 23, 2007; Assignee: Allegro MicroSystems, LLC.
2. Doogue et al., “Current Sensor”, US Patent 7,709,754; filed August 26, 2003, and issued May 4, 2010; Assignee: Allegro MicroSystems, LLC.
3. Milano et al., “Reinforced isolation for current sensor with magnetic field transducer”, US Patent 8,907,437; filed July 22, 2011, and issued December 9, 2014; Assignee: Allegro MicroSystems, LLC.

Originally published in EE Times China, April 2018. Reprinted with permission.

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