摘要

霍爾電流傳感器 IC 的特點是采用創新的封裝技術，將低電阻銅制主電流通路整合到封裝中。盡管這可以提高應用在許多方面的性能，但是封裝問題局限了電流水平的范圍。

此應用注釋描述了數種提高可測量電流范圍的簡單方法。這些方法涉及分割被感應電流的路徑。描述設備和電路的各種選項。

介紹

在所有霍爾電流傳感器 IC 中，其核心元件是精確線性霍爾效應—磁場感應電路。標準型號采用雙向電路(如圖 1 所示)，允許電流雙向流動。

(A) 較高電流應用

(B) 較低電流應用

圖 1. 電流分配器配置。Allegro 封裝主要導線端子可以直接連接到匯流條，適用于較高電流應用。面板 A 顯示此配置，已使用 ACS75x-PSS 封裝選項。對于較低電流應用，封裝可以連接到打印電路板導線。面板 B 顯示此配置，正在使用 ACS75x-PSS 封裝選項。在標準型號中，電流可以雙向流動。

電流形成的磁場能夠被集成霍爾 IC 感應并轉化為成比例電壓。通過將電流路徑靠近霍爾傳感器，實現器件精度優化。將主要電流導線整合到封裝，良好地控制霍爾芯片相對于電流路徑的位置。但是，能夠通過封裝的電流量，IPrimary，最終受限于物理和熱條件。為測量電流強度，大于最大 IPrimary 的 ITot，克服這些限制的簡單方法是物理分割電流路徑，只測量總電流中受良好控制的部分。如圖 1 所示，通過在匯流條上刻凹痕，此概念可以應用于較高電流應用，以及通過使用 PCB(印刷電路板)導線或層的獨立分支，應用于較低電流應用。此方法存在缺點。它會降低系統的電流分辨率，降低幅度等于分流比例。根據獨立電流子路徑的比例可以確定最優的補償方案。請注意，校準應在器件已組裝到 PCB 的情況下在原位完成，以考慮焊點本身的任何額外電阻。

使用 ACS712 電流傳感器 IC 感應部分電流

Allegro 設計的參考 PCB 將三分之一的應用電流傳輸通過 ACS712(對應國產器件CH701) 器件。如圖 2 所示，PCB 傳導路徑是將電流分割成兩個獨立子路徑的導線：分流子路徑(導線寬度 3.0 mm)和傳感電流子路徑(寬度 5.0 mm)。圖 3 顯示所得的電流密度的模擬映射。

圖 2. PCB 導線配置，適用于 1/3 ITot 測量。ACS712 或CH701安裝到 PCB 導線，與電流感應子路徑串連(與通過器件的 IPrimary 一致)。

圖 3. 模擬電流密度，適用于 1/3 ITot 測量。使用 4-oz. 銅制導線在 45 A ITot 時采集數據。

當參考 PCB 使用 4-oz. 銅制導線制造時，A 點到 B點之間的電阻小于 1 mΩ，功耗低于 2W。表 1 比較了使用 4-oz. 導線和使用 2-oz. 導線制造的參考 PCB 的計算電阻和功耗。表 1. PCB 導線重量對通過 1/3 電流分配器的功耗的計算所得作用

導線重量

(oz. Cu.)在 45 A

(W) 時的功耗整體電阻

(mΩ)

41.140.56

21.940.96

由于制造和組裝誤差，各個 PCB 上的感應子路徑和分流子路徑之間的電流分割會有一些小差異。在應用中如果必需補償這些差異才能滿足準確性時，可以使用客戶可編程的 ACS712(對應國產器件CH701) 。這允許在電路板制造和組裝完成后校準 IC 的 mV/A 靈敏度。但是，系統準確性的漸進改善必須能夠彌補 IC 中潛在的小比例產量損失，如果某些 IC 在客戶場所沒有適當編程，就可能會造成這種問題。發貨后必須編程意味著我們不能在 Allegro 工廠對所有器件進行最終測試。用于分隔電流路徑以測量總電流中指定部分電流的導線布局尺寸可以使用以下等式計算(參考圖 4)。

給出：

ISens，測量的 ITot 部分 (A)

LSens1，感應子路徑側 1 的長度 (m)

LSens2，感應子路徑側 2 的長度 (m)

LShunt，分流子路徑的長度 (m)

Ρc，銅導線材料的電阻率(典型)(Ω×m)

RPrimary，器件中主要電流通路的電阻(典型)( Ω )

T，導線的厚度(典型)(m)

WSens，感應導線的寬度(兩側)(m)

圖 4. 計算導線尺寸時使用的符號

感應電流子路徑的電阻率 RSens ( Ω ) 和分流路徑的電阻率 RShunt ( Ω )，通過電流分配器電路等式計算：

(1)

其中

(2)

和

(3)

當計算感應路徑的電阻時，必須包含 ACS712 中主要電流導線和引腳框的電阻 RPrimary。

使用感應電流 ISens 與總電流 ITot 的給定比率，以及給定的感應路徑寬度 WSens，可以計算分流導線路徑寬度 WShunt 要求的導線尺寸比率，如下：

(4)

例如，對于參考 PCB：

ISens= ITot / 3

LSens1= 8.5 mm

LSens2= 8.5 mm

LShunt= 18 mm

Ρc = 2.5 × 10–5 Ω × mm

RPrimary= 1.5 m

T = 0.14 mm; 4-oz. 銅制

WSens= 5 mm

然后

平均分割電流，分辨率更高

分配器配置的缺點是他們會降低電流感應系統的分辨率。并聯使用兩個 ACS712 (對應國產器件CH701) 器件，移動電平和增加其輸出，減少分辨率損失。圖 5 顯示了樣本配置。

圖 5. 雙封裝解決方案，不降低分辨率。使用兩個有源 ACS712 封裝劃分 ITot。

圖 6 的示意圖顯示，電路壓縮各個器件輸出的輸出范圍，然后將他們加在一起。在輸出前，各個 ACS712 的信號首先通過減法器子電路處理，增益為 0.5。此子電路可刪除來自 ACS712 輸出信號的典型的 2.5 V 偏移電壓。

圖 6. 用于合并輸出的建議電路。此電路使用兩個 ACS7xx 器件執行對稱劃分的電流路徑，分辨率更高。

當采用如圖 5 所示的方位時，器件 A 和器件 B 有相對于電流方向相反的極性。其中一個器件輸出必須反向。通過使器件 A 的輸出反向，然后為最后的加法階段使用反向 op-amp，從而使整體輸出信號有正確的極性。

通過最后階段的單位增益，輸出信號將 ≈ 50 mV/A 的一部分傳輸通過并行 IC，獲得 0 至 30 A 測量范圍。此模擬如圖 7 所示，測試導線如圖 8 所示。

圖 7. 輸出的模擬。在用于合并輸出的建議電路(圖 6)中使用 ACS712 器件的結果。

圖 8. 應用 ±30 A 模式到 IPrimary，增量為 6 A。器件 A 是綠色導線，器件 B 是紅色導線。最低(藍色)導線是用于合并兩個 ACS712 輸出的接口電路的輸出。請注意，為清晰觀看，信號是在示波器上移動的 DC 偏移。

分辨率將隨著兩個有源器件的噪音貢獻的相互疊加程度而改變。但是，憑經驗測量，所得的信噪比大約是使用單個帶不間斷電流分流路徑的 ACS712 時的 1.5 倍。如需更大的輸出信號范圍，可以改變電阻比例值 R8 / R7 以調整增益。

在分配器中使用 ACS758 (對應國產器件CH704) 測量高于 200 A 的電流

正如 ACS712(對應國產器件CH701) 一樣，ACS758 (對應國產器件CH704) 的測量范圍受限于可以通過其集成主電流導線的電流量，該導線的電阻為 100 μΩ。而且，必須考慮其磁通聚集裝置的飽和點。圖 9 顯示分割電流路徑的配置，在分流子路徑和包含 ACS758 的感應子路徑之間平均劃分 300 A。使用 1-mm— 厚銅制匯流條，計算所得的從 A 點到 B 點電流分流器的電阻不足 100 μΩ。

圖 9. 較高電流解決方案。在 1-mm 厚銅制匯流條上串連 ACS758 器件以均等劃分 ITot。

圖 10. 模擬電流密度，適用于 1/2 ITot 測量。使用 4-oz. 銅制導線在 300 A ITot 時采集數據。

使用多層重量級 PCB 導線可額外降低分流路徑裝置的功率。—PCB 的多層結構允許進一步分割電流。分配到分流子路徑的層與感應電流子路徑的層之間的比率決定著電流的總分配。此配置如圖 11 所示，提供此類 PCB 的平面和橫截面視圖。

圖 11. 多層電路板的俯視圖和橫截面視圖。此方法使用 ACS758 PFF 封裝選項，按照層的特性分割電流，將 ITot 中的受控部分傳輸通過器件 A。

為調整電流分割中的某些差異，可以使用客戶可編程的 ACS758/CH704。這允許在 PCB 裝配完成后，對器件靈敏度進行編程。

使用 ACS758/CH704 測量高達 300A 電流，而且分辨率更高。

為提高測量高于 200A 的總電流時的分辨率，可以并聯使用兩個 ACS758 器件，以準確分割電流。輸出需移動電平和加在一起。此配置如圖 12 所示。可以考慮用于測量高達 300A ITot。為匹配 300A 的完整范圍，Allegro 建議使用 ACS758xCB-150。各個 ACS758 /CH704的輸出首先通過減法器子電路處理，增益為 0.5。此子電路可刪除來自 ACS758 輸出的典型的 2.5V 偏移電壓。壓縮各個輸出信號的輸出范圍并把他們加起來的電路與圖 6 示意圖所示的電路相同。當采用如圖 12 所示的方位時，器件 A 和器件 B 有相對于電流方向相反的極性。其中一個器件輸出必須反向。通過使器件 A 的輸出反向，然后為最后的加法階段使用反向 op-amp，從而使整體輸出信號有正確的極性。

圖 12. 較高電流解決方案。串聯 ACS758 器件以平均分割 ITot。

圖 13. 模擬電流密度，適用于 1/2 ITot 測量。使用 4-oz. 銅制導線在 300 A ITot 時采集數據。

通過最后階段的單位增益，其結果是輸出信號將每安培 ≈ 6.67 mV/A 的一部分傳輸通過并行器件，獲得 0 至 ±300 A 測量范圍。此模擬如圖 14 所示。

圖 14. 輸出的模擬。在用于合并輸出的建議電路(圖 6)中使用 ACS758xCB-150 器件的結果。

所得的信噪比幾乎是使用單個帶不間斷分流路徑的 ACS758/CH704時的 1.5 倍。如需更大的輸出信號范圍，可以改變電阻比例值 R8 / R7 以調整增益。盡管此案例中使用的是 ACS758xCB-150(CH704150CT)，但是通過使用兩個 ACS758-200(CH704200CT) 器件，與此相同的配置和接口電路可以測量最高 400A 電流。在所有配置中，必須注意安全匹配匯流條尺寸和散熱能力與工作電流電平。

總結

通過仔細設計分割電流路徑，和在需要時在裝配完成后對器件靈敏度進行編程，霍爾電流傳感器可測量更大的電流范圍。

文中提到的CH701芯片是意瑞半導體(上海)有限公司推出隔離集成式電流傳感器芯片

CH701產品特點：

1.0.8 mohm初級導體電阻，用于低功率損耗和高浪涌電流耐受能力

2.集成屏蔽實際上消除了從電流導體到芯片的電容耦合，極大地抑制了由于高dv/dt瞬態而產生的輸出噪聲

3.行業領先的噪聲性能，通過專有的放大器和濾波器設計技術大大提高了帶寬

4.高帶寬120kHz模擬輸出，在控制應用中響應時間更快

5.過濾器引腳允許用戶在較低的帶寬下過濾輸出以提高分辨率

6.集成數字溫度補償電路允許在開環傳感器中實現近閉環精度

7.適用于空間受限應用的小尺寸、低剖面SOIC8封裝

8.濾波器引腳簡化了帶寬限制，在較低的頻率下獲得更好的分辨率

9.單電源運行

10.輸出電壓與交流或直流電流成比例

11.工廠微調靈敏度和靜態輸出電壓

12.提高精確度

13.斬波器穩定導致極穩定的靜態輸出電壓

14.近零磁滯

15.電源電壓輸出比率

產品應用：

電機控制;

負荷檢測與管理;

開關電源;

過電流故障保護;

文章中提到的CH704芯片是意瑞半導體(上海)有限公司推出隔離集成式電流傳感器芯片，該芯片可以替代Allegro的大電流霍爾電流傳感器ACS758/ACS770/ACS772，其中CH704A是滿足汽車級標準的產品，填補了國內的空白。

CH704 是專為大電流檢測應用開發的隔離集成式電流傳感芯片。CH704 內置 0.1mΩ 的初級導體電阻，有效降低芯片發熱支持大電流檢測：±50A, ±100A, ±150A, ±200A。其內部集成獨特的溫度補償電路以實現芯片在 -40 到150-°C全溫范圍內良好的一致性。出廠前芯片已做好靈敏度和靜態(零電流)輸出電壓的校準，在全溫度范圍內提供 ±2% 的典型準確性。

產品信息如下：

? 隔離電壓：4800VRMS

? AEC-Q100 汽車認證 (CH704A)

? 電源：4.5-5.5V

? 輸出電壓與電流成正比：+/-50A,+/-100A,+/-150A,+/-200A

? 帶寬：120kHz

? 響應時間：4us

? 寬溫度范圍：-40-°C 至 150-°C

? 使用 EEPROM 進行高分辨率偏移和靈敏度調整

? 導線電阻：0.1 mΩ

? 集成數字溫度補償電路

? 幾乎為零的磁滯

? 電源電壓的比例輸出

? 抗外部磁場

原文標題：在電流分配器配置中使用霍爾電流傳感器IC 以擴大測量范圍

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審核編輯：湯梓紅