测量电流超过50安培的秘密

由Georges El Bacha，Evan Shorman和Harry Chandra，
亚博棋牌游戏Allegro微系统有限责任公司

介绍

感测电流超过50 A可能具有挑战性，因为任务往往涉及热管理，必须在有限的PCB区域进行，并且在某些情况下，需要电压隔离装置。用于传感高电流的两种广泛使用的方法是一种感觉电阻/ OP-AMP方法，以及基于霍尔的电流感测。比较这两种技术是有用的。最近开发了Allegro Micros亚博棋牌游戏ystems集成电流传感器，ACS780LR型和ACS770CB型，将用作示例。

最好是在负载的电源电压附近（高压侧）测量电流，而不是在地面附近（低压侧）。在高压侧进行测量会对地面反弹产生抗扰度，并允许检测对地短路。根据电源电压和应用，感测电路连接可能需要基本或加强隔离。如果使用感测电阻器/运算放大器测量高压侧，则需要具有高共模输入范围的运算放大器，这使得设计更加复杂。为了提供隔离，需要额外的隔离器（如光耦）和隔离电源，增加了复杂性并提高了成本。

另一方面，霍尔效应电流传感器集成电路，如Allegro提供的，消除了对感测电阻器的需要。电流直接流入集成导体，产生一个将被测量的磁场。

ACS780LR型¹

ACS780采用6.4×6.4毫米表面贴装LR封装。电流流入集成导体并产生磁场，然后在霍尔元件上感应。使用倒装芯片组装技术使霍尔元件接近引线框架，磁场处于其最高点。这种封装允许优越的信噪比。

该设备使用两个霍尔元素来检测和拒绝任何外部杂散磁场。集成导体具有低200μΩ电阻以降低功耗，允许具有120 kHz带宽的连续电流测量超过100μ。热性能高度依赖于PCB设计和布局。

ACS770CB型²

ACS770坐落在14×21.9毫米的通孔CB封装中。随着电流在其集成导体中流动，集成的低滞后芯将磁场集中在霍尔元件的典型精度为±1％和120 kHz带宽的典型精度。核心也充当磁屏蔽，拒绝外部流浪场。

集成导体具有100μΩ电阻，提供超低功率损耗。ACS770可在85°C的环境温度下连续测量200 A，并可在工厂编程以测量高达400 A的浪涌电流。

热性能

为了确定应用的适当传感器，重要的是要在高级瞬态电流和恒定的DC / RMS电流下理解热性能。对于如下实施例，所有测量均在25°C环境下进行，并且可用于在不同的操作温度下缩小传感器。

高电流脉冲测试

LR包装

使用Allegro ACS780评估板进行LR包的高电流脉冲测试。这是一个带有二盎司（70μm）铜和FR4基板的八层板。在整个电流导体的每个焊盘旁边放置0.2mm直径的三十六个热通孔。

然后，包装经历了设定幅度的电流脉冲，并且测量了两个条件的时间：模具温度超过最大结温的时间超过165°C，以及熔断电流导体的时间。

图5以绿色显示为安全操作面积，其中管芯温度保持在165°C以下。橙色区域表示超过最大结温的条件，但电流导体不融合。

CB包装

CB包的所有测试使用Allegro ACS770评估板进行。这是一个双层板，具有四盎司（140μm）铜和FR4基板。在集成电流导体的每个焊盘旁边放置0.5mm直径的16个热通孔（图6）。

当经过高电流脉冲测试时，CB封装在1.2 ka的CB封装 - 执行该测量的实验室设备的最大电流能力。附近的表格显示了最大电流脉冲持续时间和占空比，可以应用于保留在安全操作区域内，其中不超过165°C的芯片温度。

表1：CB封装过热时间作为应用直流电流的功能

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
电流为1 S及OFF，施加了100个脉冲
25	1200.
85.	900
150	600

直流电流能力

图7显示当连续的直流电流注入传感器并且温度达到稳定状态时，模具温度升高。正如预期的那样，CB封装显示出较小的温升，因为其100μΩ的导体电阻低于LR封装的200μΩ。

热性能布局指南

系统热性能大大取决于PCB布局，可以通过多种方式改善：通过将多层金属加入通过添加尽可能靠近IC的散热器，或通过添加热量来更好地消散IC下的热量通过Allegro IC集成导体焊盘围绕Allegro IC集成导体焊盘的通孔（连接所有金属层）。

三种方法中，增加热通孔对PCB面积和成本的影响最小，且易于实现。为了了解过孔的影响以及使用过孔的数量，使用自然对流模型在ACS780LR评估板上进行了模拟。该模型假设一个300×300×300 mm的空气外壳，外壳壁设置为25°C。电流的注入使稳态模具温度达到150°C。

将热通孔的数量减少50％（18代替每焊盘的36个通孔），使5.6°C的模具温度升高至156°C。去除所有热通孔，导致模33.5°C的模具温度上升至183.5°C。这些结果突出了热通孔的显着益处，同时表明通孔数量小（相对于Allegro评估板的减少远低于50％），应对热性能产生最小的影响。

提高LR封装电流传感能力

LR封装中ACS780的小占地面积及其易于表面安装组件的优点使电流超过100a。该方法是通过PCB上的迹线进行传感电流的一部分。因此，要感测的一部分电流不会通过Allegro IC。这里，分离器的电流比至关重要。必须设置，因此最大可能的电流通过传感器（当传感器保留在热安全操作区域时）以获得最佳精度（图9）。

模拟说明了这种方法的热能力。假设电路板用电流比为6.7：1（即通过迹线：电流通过传感器的电流）以及以下规格：六个铜层（顶部和底层厚度为二盎司（70μm），内层三盎司（105μm）），FR4基板，36个直径为0.2mm的热通孔，以及5mm直径通孔，用于电流在PCB上注射。铝制散热器为94×70毫米，在PCB下连接。

AN296141图10. — **图10：用于热模拟ACS780LR包装的电流分割板**

在PCB中注入250A，模拟假设具有300×300×300mm的空气机箱容积的自然对流，外壳壁设定为25°C。最高观察到的温度在顶部金属上为74℃（相对于环境温度〜50°C），而模芯温度达到71℃。

隔离

Allegro电流传感器是电流隔离的，提供了一种在高端测量的有效方法。ACS780LR针对电源电压小于100 V亚博尊贵会员的应用。其结构提供了固有的隔离，因为管芯上的有源电路没有电连接到电流导体。

ACS770认证到UL 60950-1第2版，通过4.8 kV 60秒。其基本隔离工作电压为990（v_PK.或直流）或700 V_rms.其强化隔离工作电压为636（V_PK.或直流）或450 v_rms..

结论

总而言之，包装和电路设计的进步已经简化了使用霍尔电流传感器IC来测量PCB上超过50 A的电流的任务。通过使用小型表面安装ACS780或通孔ACS770，可以经济地进行准确和电流隔离的感测。

表2：比较感测电阻/ OP-AMP和
Allegro电流传感器测量>50 A时

项目	感测电阻/ OP-AMP	Allegro ACS780.	快板ACS770
BOM.	增加了BOM表，包括sense 电阻器	小型表面贴装包装 150 A感应范围	400 A通孔封装感应范围
PCB面积	更大的BOM需要更多的PCB 地区	6.4 mm×6.4 mm	14毫米×21.9毫米
功耗	电阻（2-4×）高于 ACS780，产生更多的热量 PCB.	集成导体阻力 200 μΩ	集成导体阻力 100μΩ
杂散磁场	免于杂散磁场	差分传感技术拒绝杂散场	集成浓缩器核心拒绝流浪领域
隔离	需要外部隔离器和更昂贵的孤立权力供给	适用于<100 V的应亚博尊贵会员用。非常适合 48 V系统	UL 60950-1第2版通过 4.8 kV，提供工作电压高达990 Vpk。是生产线的理想选择亚博尊贵会员
准确性和分辨率	准确性将取决于阻力过温。难用低压测量小电流感测电阻。更高的抵抗力提供良好的分辨率但更多功耗	典型精度为±1％。测量小型电流，可以正确地解析为60 mA 过滤
噪声	高电感切换创造需要消隐的嘈杂事件和建立时代	Allegro IC滤波和集成屏蔽层将噪声耦合到GND和产生更清洁的输出信号

脚注：

文章发表在电力电子手册2017年3月。转载许可。

测量电流超过50安培的秘密