铁磁磁芯电流传感器芯片的磁滞抑制

作者:乔治·埃尔巴沙，肖恩·米兰诺，杰夫·维奥拉
雷竞技竞猜下载快板微系统公司有限责任公司

介绍

传统的开环电流传感器ic，如AllegroACS758CB和ACS770CB家庭，有铁磁性的核心作为磁性集中器。它们将流过导体的电流产生的磁通密度(B场)集中到霍尔效应传感器IC上，如图1所示。

图1:使用霍尔传感器IC和磁芯检测电流

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。

如果没有铁芯，导体周围的B磁场就会很小，很难精确测量。磁芯可以将现场放大20倍或更多，因此对于提高传感器的精度和分辨率非常有价值。以这种方式测量电流还有其他几个优点，如电隔离、非常低的功率损耗和低热量产生。使用铁磁性材料作为集中磁芯的一个缺点是磁滞。

什么是磁滞?

通过取一小块芯材并生成B-H曲线来测量磁滞。对材料施加外部磁场(H)，然后测量材料“内部”的磁通密度(B)。图2显示了一组永磁体或“硬”材料的曲线。永磁体不用作磁芯，但有助于说明磁滞是如何工作的。当施加大磁场时，磁性材料被磁化;当磁场(H)被移除时，材料周围存在一个磁通密度(B)的永久磁场，如图2所示。

永磁体产生的磁场不仅取决于材料，还取决于它被磁化的强度。换句话说，这取决于磁化过程中施加了多少H场。通过施加不同的磁化场(H)，可以生成一系列曲线，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。

当选择用于电流传感应用的铁芯材料时，需要一种具有低迟滞的软性铁磁材料，如图3和图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。

软材料与硬材料

Allegro CA/CB封装电流传感器ic采用软铁磁铁芯材料。这些软磁材料的剩磁或磁滞要小得多。举个例子说明一下，一般使用的最普通的钢是1020钢。1020在热轧状态下可以保持30高斯(G)，在冷轧状态下可以保持更多。在Allegro CB封装中使用的SiFe材料保持在2g的量级，因此该材料被优化用于电流传感的核心，因为它将最小化霍尔传感器的零电流输出误差。

ACS758CB电流传感器的磁滞效应

ACS758CB Quiescent Output Voltage (VOUTQ)是电流传感器IC在一次电流为零时的输出。对于双向装置，名义上保持在VCC / 2。VCC = 5v转换成理想的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。

正向静态输出电压(VOUTQP):在电流传感器IC中注入“最大正向”施加电流，然后降低到0a后测量的输出电压。
负静态输出电压(VOUTQN):在电流传感器IC中注入“最大负”电流后的测量输出电压，然后降低到0a。
理想静态输出电压(VOUTQI): VOUTQP和VOUTQN的平均值，其中最大正电流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显示了在ACS758LKCB-150B (150a双向版本的传感器)上施加不同的电流脉冲后的静态输出电压。将每个电流脉冲降至0a后，记录电流传感器IC输出。测量时最大应用电流设置为±130 A。为了生成这些图，我们在传感器[1]上施加了一个130 a脉冲，接着是一系列从-3 a[2]到-130 a[3]的负电流脉冲。接下来是一系列从3 a[4]到130 a[5]的正电流脉冲。以90 A[6]和50 A[7]的最大电流幅值重复进行类似的测量。

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 150a双向迟滞环路

图6:ACS758家族迟滞图

我们如何减轻磁滞?

方法一

我们能做的最简单的事情就是把滞后量的峰值减半。这可以通过应用最大正负应用电流，记录VOUTQP, VOUTQN和计算VOUTQI来实现。VOUTQI存储在系统内存中，作为预期的零电流输出电压(见图7)。

图7:如何度量VOUTQP、VOUTQN和VOUTQI

以图6中测量的数据为例，对于±130 a的最大应用电流，VOUTQP = 2.5032 V, VOUTQN = 2.4932 V, VOUTQI = (2.5032+2.4932)/2 = 2.4982 V。通过简单地使用这个VOUTQI作为预期的零电流输出电压，我们永远不能超过±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 150a双向迟滞环路

图8:±130 a最大应用电流系统的矫顽力电流值