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测量超过50电流的秘密

测量超过50电流的秘密

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作者:艾凡,乔治·厄尔Bacha Shorman和哈里·钱德拉
雷竞技竞猜下载快板微系统公司有限责任公司

简介

测量超过50的电流困难很大,这是因为这种测量往往涉及热管理,必须在有限PCB区域内发生,而且在一些情况下,需要电压隔离装置。用于感测高电流的两种常用方法是感测 - 电阻/运算放大器法和基于霍尔效应的电流感测。我们有必要比较这两种技术。最近开发的快雷竞技竞猜下载板微系统集成电流传感器ACS780LR和ACS770CB将被用作示例。

通常最好测量负载（高侧）的电源电压附近的电流，而不是近地（低端）。在高端测量会对接地反弹产生抗干扰，并可以检测到对地短路。根据供电电压和应用，感应电路连接可能需要基本或加强隔离。如果使用感测 - 电阻/运算放大器在高端测量，则需要具有高共模输入范围的运算放大器，这使设计更加复杂。为了提供隔离，将需要额外的隔离器（如光耦合器）和隔离电源，这增加了复杂性并提高成本。

另一方面,霍尔效应电流传感器集成电路(如快板提供的产品)消除了对检测电阻的需要。电流直接流入集成导体，产生将被测量的磁场。

ACS780LR1

ACS780位于6.4×6.4毫米表面贴装LR封装中。电流流入集成导体，并产生随后由片上霍尔元件感测的磁场。使用倒装芯片组装技术使霍尔元件靠近磁场处于其最高点的引线框。该封装可以提供优异的信噪比。

该器件使用两个霍尔元件来检测并消除任何外部杂散磁场。集成导体具有较低的200μΩ电阻,可以降低功耗,允许以120 kHz带宽进行超过100年的连续电流测量。热性能高度依赖于PCB设计和布的局。

图1:采用CB封装的ACS770(左)和采用LR封装的ACS780(右)
图1:采用CB封装的ACS770(左)和采用LR封装的ACS780(右)

图2:采用LR封装的ACS780的结构
图2:采用LR封装的ACS780的结构

ACS770CB2

ACS770采用14×21.9毫米通孔CB封装。随着电流在集成导体中流动,集成的低磁滞磁芯将磁场集中,然后由霍尔元件典进行感测,典型精度为±1%,带宽为120千赫。磁芯也作为磁屏蔽使用，消除外部杂散场。

集成导体具有100μΩ电阻,提供超低功耗。ACS770可以在85°C的环境温度下连续测量200,并可在出厂设置下测量高达400的浪涌电流。

图3:CB封装的结构。
图3:CB封装的结构

热性能

为了确定应用的适当传感器,必须了解高电平瞬态电流和恒定DC / RMS电流下的热性能。对于下面的例子,所有的测量都是在25°C的环境温度下进行,并可以在不同的工作温度下对传感器进行降额。

高电流脉冲测试

LR封装

使用快板ACS780评估板进行LR封装的高电流脉冲测试。该评估板是八层电路板,使用两盎司(70μm)铜和FR4基板。将直径为0.2毫米的三十六个热通孔布置在集成电流导体的每个焊盘旁。

然后封装经历设定峰值的电流脉冲,时间在两个条件下测量:晶片温度超过最高结温(165°C)的时间,以及熔断电流导体的时间。

图4:ACS780评估板
图4:ACS780评估板

图5用绿色显示安全操作区域,即晶片温度保持在165°C以下。橙色区域显示超过最高结温，但电流导体没有熔断的条件。
图5:LR封装——熔断和过温时间与施加的直流电流之间的函数
图5:LR封装——熔断和过温时间与施加的直流电流之间的函数

CB封装

所有CB封装的测试都使用快板ACS770评估板进行。该评估板是两层电路板,使用四盎司(140μm)铜和FR4基板。将直径为0.5毫米的十六个热通孔布置在集成电流导体的每个焊盘旁(图6)。

图6:CB封装评估板
图6:CB封装评估板

进行大电流脉冲测试时,CB封装没有在1.2 kA时熔断-执行此测量的实验室设备的最大电流容量。附近的表格显示了最大电流脉冲持续时间和占空比,可用于保持在安全操作区间内,即结温不会超过165°C。

表1:CB封装过温时间与施加的直流电流之间关系

环境温度
(°C)		 最大电流
(一)
电流开启 10 秒，关闭 90 秒，施加 100 个脉冲
25 350
85 350
150 260
电流开启 3 秒，关闭 97 秒，施加 100 个脉冲
25 450
85 425
150 375
电流开启 1 秒，关闭 99 秒，施加 100 个脉冲
25 1200
85 900
150 600

直流载流能力

图 7 显示，随着连续直流电流通过传感器注入并且温度达到稳态时，晶片温度升高。正如预期的那样,CB封装的100μΩ导体电阻比LR封装的200μΩ低,所以CB封装的温度升高较小。

图 7：晶片温度变化与直流电流得关系
图 7：晶片温度变化与直流电流得关系

热性能测试布局指南

系统热性能主要取决于PCB布的局,并可以通过以下几种方式提高:加入多层金属来更好地散发集成电路下的热量;尽可能靠近IC安装散热片;或在快板IC集成导体焊盘周围添加热通孔(连接所有金属层)。
在这三种方法中,添加热通孔对PCB面积和成本影响最小,易于实现。为了了解通孔的影响以及使用的次数,在使用了自然对流模型的ACS780LR评估板运行仿真。该模型假定外壳尺寸为300×300×300毫米,外壳壁温度设为25°C。注入电流使稳态晶片温度达到150°C。
将热通孔数量减少50%(每个焊盘18个通孔,而不是36个)会使晶片温度提高5.6°C至156°C。清除所有热通孔导致晶片温度升高33.5°C至183.5°C。这些结果突出显示了具有热通孔的显著优势,同时显示出,通孔数量稍微下降(相对于快板评估板,远低于50%减少)应对热性能的影响最小
。
图8:ACS780LR评估板的热通孔图案
图8:ACS780LR评估板的热通孔图案

增加LR封装电流传感能力

LR封装ACS780尺寸小,易于进行表面贴装装配,为测量超过100的电流带来众多优势。该方法是通过PCB上的痕迹重新调整设定部分要传感电流的路径。因此,要测量测部分电流不会通过快板IC。这种情况下,分流器的电流比至关重要。必须设置此电流比,使最大可能电流流过传感器(同时传感器保持在热安全工作区间),以获得最佳精度(图9)。
图9:使用ACS780LR进行电流分流
图9:使用ACS780LR进行电流分流
仿真说明了这种方法热容量。
假设使用电流比为6.7:1(即通过痕迹的电流:通过传感器的电流)和以下规格的电路板:六个铜层(两盎司(70μm)的顶层和底层厚度,三盎司(105μm)内层)),FR4基板,每个焊盘周围直径为0.2毫米的36个热通孔和5毫米直径的通孔,用于在电路板上进行电流注入。94×70毫米铝散热器在电路板下面连接。
AN296141图10
图10:用于ACS780LR封装热模拟的电流分离板

在PCB中注入250 a,仿真假定300×300×300毫米空气外壳进行自然对流,外壳壁设置为25°C。在顶部金属测量的最高温度为74°C(相对于环境温度上升约50°C),而晶片温度达到71°C。

隔离

快板电流传感器采用电隔离,提供了一种高效测量方法。ACS780LR针对电源电压低于100 V的应用。其结构提供固有隔离，这是因为晶片上的有源电路没有通过电气方式与电流导体相连。
ACS770通过UL 60950 - 1(第2版)认证,可持续60秒通过4.8 kV。其基本隔离工作电压是990 (Vpk或700 V或直流)rms,同时其增强隔离工作电压是636 (Vpk或450 V或直流)rms。

结论

总而言之,封装和电路设计的进步简化了使用霍尔电流传感器集成电路测量PCB上超过50电流的任务。使用小型表面安装ACS780或通孔ACS770能够以经济的方式进行精确和电气隔离测量,同时功率损耗小。

表2:测量小50于电流时,比较感应电阻/运算放大器和
快板电流传感器
项目 感应 - 电阻/运算放大器 快板ACS780 快板ACS770
物料清单 包括感测
电阻的增加物料清单列的表		 小型表面贴装型封装(150年测量范围)
 通孔封装(400年测量范围)
PCB面积 较大的物料清单需要更大PCB面积
 6.4 mm × 6.4 mm 14毫米× 21.9毫米
功耗 比
ACS780更高的电阻在(2 - 4倍)
PCB上产生更多的热量		 集成导体电阻
200µΩ		 集成导体电阻
100µΩ
杂散磁场 隔离杂散磁场 差分传感技术
消除杂散场		 集成磁集中器核心消除
杂散场
隔离 需要外部隔离器和
更昂贵的隔离电源
 对于小于100 V的应用48 V系统
的理想选择		 UL 60950 - 1(第二版)通过
4.8 kV,提供高达990 Vpk的工作电压。
线性
应用的理想选择
精度和分辨率 精度将取决于随温度变化的
电阻。难以
用低感测电阻测量
小电流。更高的电阻
提供了良好的分辨率，
但功耗更多		 典型精度±1%。
测量小电流,并能通过适当的滤波,最低解析60马
噪声 高电感切换产生
的噪声需要消隐
和稳定时间		 快板IC滤波和集成屏蔽层将噪声耦合到接地,并实现更干净的输出信号

脚注：

  1. / en /产品/ Current-Sensor-ICs / 50 -二百- amp -导体-传感器- ics / ACS780.aspx集成
  2. / en /产品/ Current-Sensor-ICs / 50 -二百- amp -导体-传感器- ics / ACS770.aspx集成

《电力电子手册》发表文章，2017 年 3 月。经许可后方能转载。