测量电流超过50安培的秘密

由Georges El Bacha，Evan Shorman和Harry Chandra，
雷竞技竞猜下载Allegro MicroSystems，LLC

介绍

感测电流超过50 A可能具有挑战性，因为任务往往涉及热管理，必须在有限的PCB区域进行，并且在某些情况下，需要电压隔离装置。用于传感高电流的两种广泛使用的方法是一种感觉电阻/ OP-AMP方法，以及基于霍尔的电流感测。比较这两种技术是有用的。最近开发了Allegro Micros雷竞技竞猜下载ystems集成电流传感器，ACS780LR.和ACS770CB.，将用作示例。

通常最好测量负载（高端）的电源电压附近的电流而不是近地（低端）。在高端测量为接地反弹带来抗扰度，并允许检测到地面的短路。根据电源电压和应用，可能需要对感测电路连接需要基本或增强隔离。如果使用感测电阻/运算放大器测量高侧，则需要具有高共模输入范围的OP-AMP，使设计更加复杂。为了提供隔离，需要额外的隔离器（例如光耦合器）和隔离电源，提高复杂性和升高成本。

另一方面，霍尔效应电流传感器IC，如Allegro提供的那些，消除了对感测电阻的需求。电流直接流入集成导体，产生将测量的磁场。

ACS780LR.¹

ACS780位于6.4×6.4 mm的表面安装LR封装中。电流流入集成导体，并产生磁场，然后导通霍尔元素感知。使用倒装芯片组件技术使霍尔元素接近磁场处于最高点的引线框架。该包装允许出色的信噪比。

该设备使用两个霍尔元素来检测和拒绝任何外部杂散磁场。集成导体具有低200μΩ电阻以降低功耗，允许具有120 kHz带宽的连续电流测量超过100μ。热性能高度依赖于PCB设计和布局。

ACS770CB.²

ACS770安装在一个14 × 21.9 mm通孔CB封装中。当电流在其集成导体中流动时，集成的低迟滞磁芯集中磁场，然后霍尔元件感知磁场，其典型精度为±1%，带宽为120 kHz。磁芯还起到磁屏蔽的作用，排斥外部杂散场。

集成导体具有100μΩ电阻，提供超级功率损耗。ACS770可以在85°C的环境温度下连续测量200A，可以工厂编程，以测量浪涌电流，最高可达400 A.

热性能

为了确定应用的适当传感器，重要的是要在高级瞬态电流和恒定的DC / RMS电流下理解热性能。对于如下实施例，所有测量均在25°C环境下进行，并且可用于在不同的操作温度下缩小传感器。

高电流脉冲测试

LR包装

使用Allegro ACS780评估板进行LR包的高电流脉冲测试。这是一个带有二盎司（70μm）铜和FR4基板的八层板。在整个电流导体的每个焊盘旁边放置0.2mm直径的三十六个热通孔。

然后封装经历一个设定幅度的电流脉冲，测量了两种条件下的时间:模具温度超过165°C的最大结温的时间，以及电流导体熔断的时间。

图5中绿色部分显示的是安全操作区域，模具温度保持在165°C以下。橙色区域表示超过最大结温但电流导体没有熔断的情况。

CB包

CB封装的所有测试均使用Allegro ACS770评估板进行。这是一个两层板与4盎司(140 μm)铜和FR4基板。16个直径0.5 mm的热通道被放置在集成电流导体的焊点旁边(图6)。

当经过高电流脉冲测试时，CB封装在1.2 ka的CB封装 - 执行该测量的实验室设备的最大电流能力。附近的表格显示了最大电流脉冲持续时间和占空比，可以应用于保留在安全操作区域内，其中不超过165°C的芯片温度。

表1:CB封装过温时间作为应用直流电流的功能

环境温度（°C）	最大电流（一种）
电流为10 S及OFF，施加了100个脉冲
25.	350.
85	350.
150.	260.
电流为3 S及OFF，施加了100个脉冲
25.	450.
85	425.
150.	375.
电流为1 S及OFF，施加了100个脉冲
25.	1200.
85	900
150.	600

直流电流能力

图7显示了芯片温度上升，因为通过传感器注入连续的DC电流，温度达到稳定状态。正如预期的那样，Cb封装显示出较小的温度升高，因为它为LR封装的200μΩ相比其导体电阻为100μΩ。

热性能布局指南

系统的热性能很大程度上取决于PCB布局，可以通过以下几种方式来改善:通过整合多层金属以更好地散热IC下，通过添加散热器尽可能接近IC，或通过添加热通道(连接所有金属层)周围的Allegro IC集成导体焊锡垫。

在三种方法中，添加热通孔对PCB区域和成本最小，并且易于实现。要了解VIVE的影响以及使用多少，使用自然对流模型在ACS780LR评估板上运行模拟。该模型假设空气罩300×300×300毫米，外壳壁设定为25°C。喷射电流导致稳态模具温度达到150℃。

将热通孔的数量减少50％（18代替每焊盘的36个通孔），使5.6°C的模具温度升高至156°C。去除所有热通孔，导致模33.5°C的模具温度上升至183.5°C。这些结果突出了热通孔的显着益处，同时表明通孔数量小（相对于Allegro评估板的减少远低于50％），应对热性能产生最小的影响。

增加LR封装电流传感能力

ACS780在LR封装中的占地面积小，并且易于表面安装组装，这为测量超过100 A的电流带来了优势。该方法是通过PCB上的一个迹线重新布线一部分要检测的电流。因此，要被感知的电流的一部分不通过Allegro IC。在这里，分流器的电流比率是关键的。必须将其设置为通过传感器的最大可能电流(而传感器仍处于热安全操作区)，以获得最佳精度(图9)。

仿真结果表明了该方法的热性能。假设使用电流比为6.7:1的单板(即电流通过道:电流通过传感器)，其规格如下:6层铜板(顶部和底层厚度为2盎司(70 μm)，内层厚度为3盎司(105 μm))， 1块FR4基板，36个直径为0.2 mm的热通道，PCB上的电流注入孔直径为5mm。在PCB下连接94 × 70mm的铝制散热片。

AN296141图10. — **图10:ACS780LR封装热模拟中使用的电流分裂板**

在PCB中注入250a时，模拟假定空气对流为300 × 300 × 300mm，围墙温度设置为25℃。观察到的最高温度在顶部金属上为74°C(相对于环境温度升高~50°C)，而模具温度达到71°C。

隔离

Allegro电流传感器是电隔离的，提供了一种有效的方法来测量高侧。ACS780LR适用于电源电压小于100v雷竞技最新网址的场合。它的结构提供了固有的隔离，因为在模具上的有源电路不是电连接到电流导体。

ACS770认证到UL 60950-1第2版，通过4.8 kV 60秒。其基本隔离工作电压为990（v_PK.或直流）或700 v_rms.，而其增强隔离工作电压为636（v_PK.或直流）或450 v_rms.。

结论

总而言之，包装和电路设计的进步已经简化了使用霍尔电流传感器IC来测量PCB上超过50 A的电流的任务。通过使用小型表面安装ACS780或通孔ACS770，可以经济地进行准确和电流隔离的感测。

表2:感觉电阻/运算放大器和
测量时的Allegro电流传感器> 50 a

项	感测电阻/ OP-AMP	Allegro ACS780.	Allegro ACS770.
BOM.	增加了BOM列表，包括感觉电阻器	小表面安装包 150传感范围	带400a的通孔包装传感范围
PCB区域	更大的BOM需要更多的PCB 区域	6.4 mm×6.4 mm	14毫米× 21.9毫米
功耗	较高的电阻（2-4×）比 ACS780，产生更多的热量 PCB.	集成导体阻力 200μΩ	集成导体阻力 100μΩ
杂散磁场	对杂散磁场免疫	差分传感技术拒绝流浪领域	集成浓缩器核心拒绝流浪领域
隔离	需要外部隔离器和更昂贵的隔离电源供应	对于<100 V应用程雷竞技最新网址序。理想的 48 V系统	UL 60950-1第二版通过 4.8 kV，提供工作电压高达990 vpk。适合线路雷竞技最新网址
准确性和分辨率	准确度将取决于电阻过温。难测量小电流低检测电阻。高电阻提供良好的分辨率，但更多功耗	典型精度为±1％。测量小电流，可分解到60毫安适当过滤
噪音	高电感开关产生需要消隐的嘈杂事件和沉降时间	Allegro IC滤波和集成屏蔽层耦合噪声到GND和产生一个干净的输出信号

脚注:

文章发表于《电力电子手册》，2017年3月。允许转载。

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