重新思考PCB电流传感的可能性
重新思考PCB电流传感的可能性
作者：Allegro MicroSystems战略营销经理莫塔兹·卡达尔雷竞技竞猜下载
介绍
在所有市场，从可再生能源、汽车驱动到电动汽车，电子设备都面临着更小、更高效、更便宜的挑战。这增加了印刷电路板（PCB）设计的复杂性，并促使工程师寻找创新的解决方案。因为所有这些解决方案都需要电源，所以必须感应电流（I）和电压（V），并且在这些应用中是至关重要的。准确的电流传感使控制、保护和监控在系统的各个级别都是可行的。雷竞技最新网址
当涉及到为PCB设计选择正确的电流传感器时，电流处理能力变得越来越重要。由于PCB内部的热限制，在PCB中测量的电流通常最大值在100 A左右。超过100a通常需要一个复杂的解决方案，这可能会转化为更大的规模和更高的相关成本。然而，能够可靠地测量100 A以上的PCB电流也可以提供巨大的优势，如效率的提高和整体系统级成本的降低。
目前使用的两种常见电流传感方法是分流电阻器和磁传感器。这两种解决方案都使用通过小值电阻器（分流）或磁传感元件（如霍尔效应）产生的电压使用集成导体来解释电流值。虽然分路方法通常提供非常好的分辨率和精度，但由于欧姆损耗和与分路电阻器连接相关的布局复杂性增加以及在使用寿命内改变焊接电阻，因此它们的能量效率低下。较新的磁传感器选项克服这些限制–通过提供独立的集成解决方案，由于其非常小的欧姆损耗和紧凑的尺寸，使得PCB电流测量可能高达600 A。
本文将讨论两种新的创新方法来测量PCB中高达600 A的电流：一种基于集成导体的近无损霍尔电流传感器和一种非侵入式独立无芯无屏蔽差分霍尔电流传感器。
集成导体近无损霍尔电流传感器
各个市场的电子设备越来越需要更高电流密度的解决方案，以提高整体效率并降低成本。例如，功率转换应用，如DC/DC转换器和车载充电器，由于越来越多地采用碳化硅（SiC）等宽带隙晶体管，以实现电路小型化并提高系统的整体效率，其电流密度正在迅速增加。理想情况下，这些应用中的电流传感器需要紧凑、高效、准确，并提供高带宽以捕获这些高开关晶体管产生的极快电流波。雷竞技最新网址
目前有两种流行的解决方案来应对这一挑战——基于分流电阻器的解决方案和磁传感器。对于磁传感器选项，Allegro MicroSystems提供了一系列具有不同电流和电压处理能力的极低电阻、高度集成的电流传感器封装。现有分流解决方案需要复杂的布局和电路实现，以实现高电流和电压水平，通雷竞技竞猜下载常具有更高的电阻。相比之下，Allegro的电流传感器因其紧凑的尺寸和易用性而有所不同，如图1所示。
最近，Allegro推出了两种新的表面贴装封装选项，可测量高达500 A的电流。第一个是类似模块的定制包，可以检测电流高达500 a和非常小的电阻(100µΩ)，同时提供优良的工作隔离电压额定值- 1350 V基本工作电压。这被称为“CB”封装，它有一个集成的内部铁磁集中器，将磁场从载流痕迹导向霍尔元件的敏感平面。图2显示了组成CB包的不同组件。通过引线架的电流产生一个磁场，由集中器引导进入集成电路。信号引脚从压过的封装中退出，连接到外部电路。基于霍尔效应的电流传感器的特性允许固有隔离，因为载流引线框不需要与IC电连接。CB封装内的塑料模具化合物也将IC和信号引脚与引线框隔离。CB包装已通过UL规格60950认证。
该封装是高密度PCB设计的独特解决方案，与其他昂贵、笨重和更复杂的解决方案（如分流器或更大的模块）相比，它允许客户使用简单、易于使用的电流传感器缩小其总体尺寸。有关热性能的更多详细信息，请参见本手册应用注. 其他替代高电流密度封装包括Allegro的微型（6.4×6.4 mm2）定制LR封装，可处理高达500 V直流工作电压和100 A+电流。第三个产品是新的定制SOIC16W（MC）封装，该封装具有厚引线框架，允许该封装通过80 A+，同时提供优异的1600 V基本隔离电压。图3突出显示了不同的封装温度随着不同的持续电流水平而升高。
独立，非侵入性，无芯和无屏蔽电流传感器
对于需要雷竞技最新网址非侵入式、高电流密度解决方案的应用，Allegro最近推出了一系列新的无芯电流传感器，包括新的ACS37612。该产品系列为电流测量提供了真正独立的解决方案;这些解决方案使设计师能够从他们的设计中去除核心和屏蔽。这些传感器测量流经PCB的电流高达600a，典型精度为1%。用于测量磁场的差分霍尔元件提供了很大的抗杂散磁场的能力，而不需要竞争解决方案所要求的层压屏蔽，从而减少了设计尺寸和材料清单(BOM)。有关操作和实现原理的基本概述，请参见图4。
A:基本操作理论
B：PCB中的实现方法
这种解决方案的典型应用是电动车辆中的牵引逆变器。在加速过程中，数百安培的电流流过牵引电机逆变器。精确测量如此高的电流对安全运行性能至关重要。工程师传统上依靠低滞后叠层铁芯进行此类测量-根据电机中的相数，使用三到六个磁芯。
决定电流动态范围的系统耦合因子由ACS37612的灵敏度水平和PCB的金属痕迹决定。所需要的电流携带痕迹的修改增加了非常小的电阻，~50µΩ。这为设计人员提供了很大的制造灵活性和在设计的任何阶段轻松增加电流传感范围的能力。
ACS37612去掉了铁芯，制造商可以减少逆变器的空间和重量，从而提高电动汽车的效率。这种非侵入式、无触点电流传感器的设计是为了提高相对于分流解决方案的热效率，因此是降低48v电机平台和高压逆变器系统能耗的理想选择。
结论
随着电子系统的发展，由于电流测量的关键作用，对高效、高电流、高效的PCB电流传感器的需求变得比以往任何时候都更加重要。通过简单易用的表面贴装电流传感器，Allegro的集成导体解决方案满足了市场在电流和电压隔离能力方面的需求。为了获得更大的灵活性，设计师可能会倾向于Allegro的新型无芯电流传感器，用于真正独立的、无损的、非侵入式电流测量。这两种解决方案都为PCB电流传感设定了新的标准，允许系统设计人员达到新的效率和功率密度水平。
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