使用铁磁核心电流传感器IC的滞后缓解

作者:乔治·埃尔巴沙，肖恩·米兰诺，杰夫·维奥拉
雷竞技竞猜下载Allegro MicroSystems，LLC

介绍

传统的开环电流传感器ic，如AllegroACS758CB.和ACS770CB.家庭，具有充当磁性聚光器的铁磁核心。它们集中通过流过导体的电流产生的磁通密度，B场，以霍尔效应传感器IC所示。

图1：使用霍尔传感器IC和磁芯感测电流

该霍尔效应传感器集成电路有一个霍尔元件，一个传感器，它将垂直于霍尔元件的B场转换为电压。这个霍尔传感器电压与B场成正比。B场也与导体中电流的大小成正比，因此霍尔传感器的输出电压与流过导体的电流大小成正比。这样，非常精确的电流传感器可以用霍尔效应传感器和集中核心。

没有核心，导体周围的B场非常小且难以准确测量。核心可以放大电磁场20x或更大，因此对于提高传感器精度和分辨率非常有价值。以这种方式测量电流有几个其他优点，例如电流隔离，功率损耗非常低，发热低。使用铁磁材料作为浓缩核的一个缺点是磁滞。

什么是磁滞？

通过取一块芯材料并产生B-H曲线来测量磁滞后。将外部磁场（H）施加到材料上，然后测量材料内部的磁通密度（B）'。用于永磁体或“硬”材料的一系列曲线如下图所示。永磁体不用作磁芯，但有助于说明磁磁滞的工作原理。当施加大场时，磁性材料被磁化;当除去磁化场（H）时，在具有图2中所示的磁通密度（B）的材料周围存在永磁场。

由永磁体产生的场不仅取决于材料，还取决于它磁化的难度。换句话说，它取决于在磁化期间施加了多少H场。通过施加不同的磁化字段（H），可以产生一系列曲线，如图2所示。

图2:B和H系列曲线

铁磁材料是磁化或被永磁体吸引的材料。它们具有高的磁导率，并且所有的磁畴都在磁场的作用下排列(见图3)。在去除外加磁场后，保持松散的磁畴会恢复到随机的方向。这些被称为“软”材料，是理想的使用芯。并不是所有的磁畴都恢复到随机的方向，这就是材料变得轻微磁化的原因。这就是“剩磁”，也就是材料的磁滞。永磁体域仍然锁定在相同的方向作为磁化场，因此是“硬”材料。

选择用于电流检测应用的芯材料时，需要具有低滞后的软铁磁材料，如图3和4所示。雷竞技最新网址

图3：磁畴

图4:软硬B循环与H循环

当霍尔电流传感器IC放置在核心的间隙中，没有电流流动，设备输出电压应该显示为零安培。当电流在导体中流动时，磁芯的磁滞会保持磁场，因为电流会产生一个外加磁场，使磁芯材料磁化。当电流不再流动时，霍尔传感器将根据磁芯材料的磁化水平测量非零电流。这导致一些错误的零放大器读数，因此，是不可取的。

软与硬质材料

Allegro CA / CB封装电流传感器IC采用软磁芯材料。这些软磁材料具有更少的剩磁或滞后。要通过示例解释，通常使用的最常见的普通钢是1020钢。1020可以在热轧状态下保留30个高斯（g），并在冷轧状态下更大。Allegro CB封装中使用的SIFE材料在2g的顺序保持。因此，材料被优化用作电流检测的核心，因为它将最小化霍尔传感器的零电流输出误差。

ACS758CB电流传感器对磁滞作用

ACS758CB静态输出电压（VOUTQ）是当初级电流为零时电流传感器IC的输出。对于双向设备，其标称保持在VCC / 2. VCC = 5 V转换为理想的Voutq = 2.5 V.

如前所述，电流传感器IC内部使用的核心在施加电流到传感器后具有影响VOUTQ水平的剩余物。下面的约定将用于本文的其余部分。

正静态输出电压（VOUTQP）：在电流传感器IC中注入“最大正”施加电流后测量的输出电压，然后减少到0 A.
负静止输出电压（VOUTQN）：在电流传感器IC中注入“最大负”施加电流后测量的输出电压，然后减少到0 A.
理想的静态输出电压（VOUTQI）：Voutqp和Voutqn的平均值，其中最大正和负电流具有相同的幅度。

图5：Allegro CA / CB封装电流传感器IC

下面的图6示出了在将不同电流脉冲施加到ACS758LKCB-150B（150个传感器的双向版本）之后的静止输出电压。在每个电流脉冲减小到0A后，记录电流传感器IC输出。在测量期间，最大施加电流设定为±130a。为了产生这些绘制，将130施加130脉冲[1]，然后施加一系列的负电流脉冲，范围为-3 a [2]至-130 a [3]。接下来是一系列的正电流脉冲，范围为3 a [4]至130 a [5]。重复相似的测量，最大电流幅度为90a [6]和50a [7]。

ACS758铁芯的保留使VOUTQ根据注入电流的大小和极性而变化。130 A滞后回路(绿色的最外层曲线)最大VOUTQP为2.5032 V (130 A脉冲后)和最小VOUTQN为2.4932 V (-130 A脉冲后)，中间点VOUTQI为2.4982 V。这与VOUTQI相差10 mV或±5 mV。

对于150 a的双向传感器，灵敏度为13.3 mV/ a，这给了我们5 mV/13.3 mV/ a =±375.9 mA的磁偏或滞后。这只是我们测量过程中使用的130 A最大应用电流的0.289%。典型的ACS758CB有±250 mA的磁偏。本例中使用了一个具有较大磁偏移量的设备来说明一个近乎最坏的情况。

ACS758 150双向滞后环

图6：ACS758家庭滞后情节

我们如何减轻磁滞后？

方法一

我们可以做的最简单的事情只是简单地将全峰降至滞后的峰值。这可以通过应用最大正负应用电流，记录VoutQP，Voutqn和计算Voutqi来完成。VOUTQI应存储在系统内存中并用作预期的零电流输出电压（参见图7）。

图7：如何测量Voutqp，Voutqn和Voutqi

要使用图6中测量的数据作为我们的示例，对于±130，最大施加电流，Voutqp = 2.5032 V，Voutqn = 2.4932 V，Voutqi =（2.5032 + 2.4932）/ 2 = 2.4982 V.只需使用此Voutqi作为预期的零电流输出电压我们永远不会超过±5 mV或±375.9 mA。

在介绍下一种补偿方法之前，需要确定矫形电流。矫强电流是在传感器暴露于最大应用电流后，将材料的磁化强度降低到接近于零所需要的电流水平。例如在图8中，经过130 a脉冲后，VOUTQP = 2.5032 V。A -25 A电流脉冲需要降低ACS758磁化到接近零。这将导致VOUTQ接近理想的VOUTQ = 2.4982 V。在±130 a的系统中，矫顽力电流为±25 a。

ACS758 150双向滞后环

图8:±130 a最大应用电流系统的矫顽力电流值