霍尔效应电流传感的最新趋势

作者：John Cummings，Michael C. Doogue，Andreas P. Friedrich

抽象的

本文介绍了基于霍尔效应的集成电流传感器集成电路的最新进展。它涵盖了将初级电流路径集成到系统中的各种封装概念，集成电路参数的主要改进，以及不间断电源(UPS)、逆变器和电池监控的典型应用电路示例。

介绍

在工业，汽车，商业和通信系统中，对低成本，准确，小型电流传感器解决方案的需求迅速增长。各种技术可用于将电流转换为比例电压。霍尔效应磁力检测器的优点是来自电流路径的固有电压隔离和霍尔元件和接口电子设备在单个硅芯片上的集成。[1]新的设计概念和高级BICMOS技术的系统使用允许进一步改善IC性能。这些也通过支持相同电流传感器IC的附加功能（例如电源保护）的集成来打开了新产品方法。本文介绍了Allegro™ACS电流传感器IC系列的基本包装和IC设计概念，并探讨了最近的趋势，使Allegro能够开发其下一代完全集成的低成本电流传感器设备。

包装概念

Allegro电流传感器集成电路器件的特点是将单片线性霍尔集成电路和低电阻一次电流传导通路集成到单次压模封装中。通过霍尔传感器相对于铜导体的近距离和精确定位，优化了器件的精度。低功耗和高电压隔离是封装概念的本质。封装电流测量系统的最终尺寸、形状和附加组件取决于要测量的一次电流的振幅。本节详细介绍了不同电流测量范围的创新封装技术。

高达20 A的电流

对于标称电流为±20 A的小电流，霍尔芯片和一次电流路径封装在标准尺寸SOIC8表面安装包中，如图1和图3所示。这提供了一个紧凑、低调的解决方案，与大批量自动化电路板组装技术兼容。使用倒装芯片技术可以在霍尔元件的主动面和被感知电流产生的磁场之间实现优化的磁耦合。因此不需要通量浓缩器。用于电流传感的铜通道的内阻通常为1.5 mΩ，以降低功耗。电源端子也与低压信号I/O引脚电隔离。仔细的集成电路和封装设计允许进一步改进设备的电压隔离，典型的直流隔离电压为5 kV，一次电流路径和信号侧之间的有效值隔离电压最小为1.6 kV，典型为2.5 kV(在60 Hz下持续1分钟)。

图1. ACS包装的内部结构，显示U形初级铜导体和单倒装芯片安装的Hall IC。

图2. CB包的内部结构，示出了初级导体（铜，左），所述通量集中器（红色）和线性SIP霍尔IC（黑色）和信号引脚（铜，右）。

图3。±20a (LC封装)和±200a (CB封装)电流传感器集成电路照片，与硬币对比。

电流高达200a

对于更高的电流，铜导体的横截面必须增加，以适应在CB封装中提供的材料内的电流密度。由于这种较厚的导体和线性霍尔元件之间的磁力耦合，必须使用磁通集中器。铜路、直线SIP霍尔器件、聚光器在过模前经过精密装配。通过精心设计的系统，一次导体电阻通常低至100µΩ，在一次路径和信号侧之间实现最小有效值3 kV(在60 Hz下持续1分钟)的隔离电压。图2显示了这种±200a电流传感器的内部结构，图3显示了该和±20a封装类型的照片。

200a以上电流

如果要测量的电流高于200a，集成电路可用于分电流配置这种方法涉及分割被感知电流的路径。最简单的方法是设计一个缺口母线，这样只有一部分电流通过设备，另一部分通过分流路径(见图4)。电流分流比由母线的几何形状决定。这种方法的一个固有缺点是，它降低了当前分辨率的相同比例的电流被除以。

如果电流平均分开，则可以增加电流检测系统的分辨率，并且并行使用两个设备（参见图5）。涉及级别换档和添加两个设备输出的简单电路可用于获得与总初级电流成比例的线性输出。[2]

图4。分流器配置。电流传感器IC可以直接连接到母线上。

图5.平等电流分流具有增强的分辨率。两个装置的输出可以被组合，以获得一个线性输出正比于总电流被感测。

IC设计

本节详细介绍基本的芯片架构和最重要的IC参数。

框图该器件的中心元件是一个精确的、低偏置硅霍尔集成电路。一次电流产生的磁通影响霍尔元件。BiCMOS斩波稳定电路用于减少信号偏移，并在工作温度范围内稳定IC的输出片上电子器件产生与输入电流成比例的模拟电压。

电路的图6框图。

输出是比值，这意味着偏移量和灵敏度都以V为刻度_CC.．通过对偏移量、灵敏度和温度响应进行行尾微调，优化了设备精度。集成电路被设计用于测量正电流和负电流，但如果需要，参数可以调整为单向。该器件在包装后进行修剪，以减少包装应力对霍尔元件的影响。如图6所示，为了降低噪声，建议使用外部旁路电容。如果应用程序的带宽允许，可以在输出端使用一个简单的rc滤波器来进一步提高信噪比。

±20型号主要功能虽然SOIC8器件设计为±20 A，但它们可以承受高达100 A的大瞬态过电流。决定器件过流能力的限制因素是集成电路的结温(T_j(max)，等于165°C)，因此由应用中印刷电路板(PCB)的热设计决定。

主要特点和优点总结如下:

交流和直流电流测量
1.5毫欧内部导体电阻
1600 VRMS（分钟）隔离电压
4.5至5.5 V供电运行
50 kHz带宽
±1.5%的总输出误差在室温
工作温度范围-40°C至85°C
小尺寸，低厚度SOIC8封装
接近于零的磁滞
电源电压的比率输出
符合RoHS（倒装芯片高温PB的焊球目前免于RoHs）

±200a型号主要特点铜导体的厚度允许设备在超过5倍的过流条件下存活。主要特点和优点总结如下:

交流和直流电流测量
100μΩ内部导体电阻
3000 VRMS（分钟）隔离电压
4.5至5.5 V供电运行
35至50千赫带宽
±1.0%室温总输出误差
工作温度范围-40°C至150°C（初级电流的功能）
小封装尺寸，安装简便
电源电压的比率输出
领导(Pb)免费

过滤器销外部电容器 (nF)	带宽（千赫）	峰顶噪音 (mV (Typ。)
1	50	40
4．7	20.	24.
47	2	10.

添加功能

对于大量的应用，在霍尔集成电路上集雷竞技最新网址成一些额外的功能可能是值得的，这些功能通常是通过外部组件实现的。在下面描述的实现中，这种方法产生了一种新的保护IC，集成了热插拔门驱动器和基于内部霍尔效应的元件。

此ACS760装置的框图在图7中所示的电源负载，而无需使用外部检测电阻的测定。该器件采用一个集成的毫欧1.5铜导体和霍尔效应元件精确地测量负载电流高达30 A.该器件包含过电流保护电路，在30和40之间A.用户可选择的级别跳闸如果过电流情况是检测到，则部分行程的故障输出和外部MOSFET的栅极被拉到接地。检测过电流状态和栅极关断之间的延迟是由一个外部电容器设定。

图7。集成热插拔门驱动器和内置1.5 Ω霍尔效应元件的保护IC的框图。

应用实例

本节给出了ACS设备支持最佳电流传感解决方案的雷竞技最新网址两个应用实例。

电池监控智能电池系统需要监控电池电压、温度和电流的电路。对于容量监控应用程序，所有这些测量都是至关重要的雷竞技最新网址。然而，最难以正确设计的是当前的测量。其原因是对精度、功耗和方案尺寸的要求。

当前的测量精度是确保容量监控算法良好运行的关键。测量这种电流的传统方法是在接地路径或低侧使用分流器。这种方法的关键问题是，最小化I²R损失时，分流器的值需要保持非常小。使用这种方法，小电流测量精度会受到影响。对于笔记本电脑应用程序来说，这意味着在暂停、休眠或其他低功耗状态下，电池雷竞技最新网址很难准确监测流入系统的电流。

如果电池使用10mΩ检测电阻以最小化额定负载下的功耗，当在低功耗状态下只有50ma的功率消耗时，分流器的电压将只有500pv。这种电压是很难解决的，为了补偿这种影响，必须开发复杂的算法来估计电池的剩余容量。这些惯例在本质上是保守的，这意味着他们倾向于假设电池损失的容量比实际计算的多一点。随着时间的推移，其结果可能是电池容量的过度损耗。

根据电池和应用，在1〜2 W的范围感测电阻器将需要监视的电流。典型地，在便携式解决方案，然而，不存在用于2层的电阻足够的空间，因此该解决方案通常被限制为1层的电阻。对于较高的电流的解决方案，多个电阻器并行使用，以保持设备的限制内的额定功率。这两种解决方案都在黑板上房地产有很大的影响需要适应这些组件。

通过在电池组中使用霍尔效应器件作为分流解决方案，可以降低电池组中的功耗。使用霍尔效应器件的优势很明显，器件的插入损耗很低。在SOIC8封装中，ACS712引线框插入损耗仅为1.5 mΩ。图8显示了在负载电流范围内的功耗差异。

如图9所示，使用霍尔效应装置可以提高电流测量的准确性。这个框图显示了高电流路径和低电流路径。可以启用低电流路径，以更好地监测小电流。图9所示的解决方案不仅提供了更低的充放电电流更高的精度，而且在测量范围内提供了比分流解决方案更多的信号。假设霍尔效应器件的增益为100 mV/ a，这个信号比通过分流电阻产生的信号大得多，如下图10所示。

图8，分流电阻器，霍尔效应测量

图8。分流与霍尔效应电流传感方案中的功率损耗。

图9，分流电阻器，霍尔效应测量

图9。提高霍尔效应装置电池监测的准确性和效率。

图10，分流电阻器，霍尔效应测量

图10.霍尔效应解决方案的输出电压与20mΩ分流器相比。

与霍尔效应溶液增益的步骤增加假定应用程序使得能够在图9中示出的高电流路径为所需的将是应用程序的功能，以及的值滞后的过渡和水平的实际阈值分流使用。

在电池系统中使用霍尔效应装置将有助于减少分流传感解决方案所需的PCB区域，并使高侧传感能够中断地面路径。使用霍尔效应装置的两个主要益处在更宽的电流范围内提高了电流测量精度，并通过显着减少1，从而降低功耗²分流器的损耗。

霍尔效应器件在UPS和逆变器中的应用雷竞技最新网址使用任一霍尔效应装置或电流互感器（CT）的常见于UPS系统。当电流互感器被看作是低成本的解决方案，他们实际上需要比霍尔效应的解决方案更多的支持组件和严格限于交流应用。雷竞技最新网址归因于使用电流互感器来监测AC线电压的另一种二次成本额外电路的浪涌事件期间控制浪涌和可能的磁芯饱和的影响。

UPS解决方案需要使用线路电压为电池充电，该电池用于在电源故障发生时为系统提供线电压。UPS的目标是以最大效率提供尽可能多的能量。例如，2200 VA UPS需要典型的3小时充电时间。同样的UPS只能在半负载（990 W）的大约24分钟的功率下，在满载时6.7分钟（1980 W）。对保护的输入和输出电流进行保护，并能够以置信度显示电池充电状态。

由于几种原因，ACS712霍尔效应装置非常适合监控输入电源或电池充电电流。小型霍尔效应解决方案的显而易见的益处是所需的体积是等效CT溶液的一小部分，此外还有消除增益和附加保护部件。原因是ACS712不能在设备的隔离侧上过冲。

当在高负载下为逆变器阶段供电时，霍尔效应IC的最佳位置是在线电压本身，以直接监测负载电流。原因是线路电压电流可能高达15至20 A_rms.，而电池采购电流可能超过50至60，这取决于电池堆的电压和转换器的效率。下面，图11示出了在UPS动力系中使用霍尔效应装置的示例。

图11。UPS动力系统架构。

这种新一代霍尔效应器件有助于解决已知问题CT和提高系统的可靠性。通过在电池用霍尔效应设备充电系统和逆变器的动力传动系，所述转换器的效率可被优化。这有助于降低系统的和节省成本的整体规模。

结论

针对工业、汽车、商业和通信系统提出了创新的电流传感解决方案。封装的器件包括一个低电阻一次电流路径和一个集成了霍尔元件和最先进的BiCMOS接口电路的单片线性霍尔效应IC。

该设备覆盖的测量范围高达±200a，也可以通过使用电流分压器配置设计成更高电流的应用。雷竞技最新网址本文详细介绍了低成本、高精度和小尺寸电流测量系统的新方法，并给出了两个应用实例。

笔记

R.S.波波维奇，“霍尔效应器件”，第2版，IOP出版有限公司，2004年。
R.迪金森和A.弗里德里希P.在分流配置用于扩展测量范围，快板微，LLC通过Allegro电流传感器，应用注意AN295036，2005年4月。雷竞技竞猜下载雷竞技最新网址
A.比洛蒂，G蒙雷亚尔和R.维格，“单片磁性霍尔传感器采用正交动态偏移取消，” IEEE J.固态电路32，没有。6（1997）：829-36。