无核霍尔效应电流传感器IC中的共模场抑制
无核霍尔效应电流传感器IC中的共模场抑制
由Alexander Latham，
亚博棋牌游戏Allegro MicroSystems，LLC
背景
Allegro电流传感器IC使用霍尔效应来测量由集成的电流承载环产生的磁场，将磁场转换为与电流成比例的电压。该技术具有许多优点，包括电流隔离，低功率损耗和高精度。该技术还具有近零磁滞，因为没有用于集中场的核心。然而，不使用核心的缺点是传感器IC容易受到杂散磁场的影响。通过核心，杂散磁场在传感器IC周围分流，因为芯在传感器IC周围提供低磁阻路径。没有核心，例如，霍尔板将看到来自高电流承载迹线或螺线管的杂散场，并且可能导致电流测量中的误差。适当的电路板和系统设计可以避免当前测量中的这些误差源;但是，优化的跟踪布局可以不合需要地限制PCB和系统设计。该问题的解决方案是集成的差分电流感测。
图2：具有差示霍尔板配置的集成电流传感器IC引线框架
差分电流传感理论
这basic principle behind differential current sensing is that the fields produced on either side of a current carrying conductor are opposite in polarity. This means that when using a current carrying lead-frame as shown in Figure 2, Hall plate 1 (H1) will see a field out of the page, and Hall plate 2 (H2) will see a field into the page for the current flow shown. When there is a common field on the current sensor IC, both Hall plates will see the same field. By subtracting the outputs of the two Hall plates, one is able to reject these externally produced fields. The output of the differential current sensor IC will be:
这里，B1是H1，B2是由H2看到的字段，G是MV / GAUS中的传感器IC的增益。如果有电流流过传感器IC（BC）上的引线框架（I）和共模场，则差分传感器IC的输出将是：
这里，C1是高斯/ amp中H1的耦合因子，C2是高斯/放大器中H2的耦合因子。简化此等式的结果：
共模场（bC）被取消，并且输出信号仅与流过传感器IC的电流成比例。此外，由于霍尔板仅测量一个维度的字段，因此传感器IC将忽略任何其他平面中的外部场。
差动电流传感中的限制因素
差分电流传感的抑制功能有两个主要限制：
- 霍尔板材匹配：由于共模字段，两个霍尔板中的任何不匹配都会导致差分传感器IC的输出发生一些变化。Allegro电流传感器IC是单片装置，因此两个霍尔板都在同一硅上，导致标称和温度的高水平匹配。在单芯片上匹配的霍尔板通常比1％更好。
- 场梯度：如果外部，干扰场在两个霍尔板上不均匀，则干扰场的差异将传播到传感器IC的输出。通过将两个霍尔板块尽可能靠近导体的相对侧，通过将两个霍尔板块放置在一起来解决这种限制。
Common Mode Rejection for Uniform External Fields
硅板匹配的硅胶匹配约为1％，限制了共模场的拒绝至约40 dB。由于这种均匀的外部场，传感器IC输出的安培中的错误（B.C） 将：
图3：错误（在安培中）与共同模式字段由于两个霍尔板中的1％不匹配。cf = 10 g / a
在这里cF是电流通过传感器IC流到霍尔板的高斯/安培的耦合因子，其等于上面的C1 + C2。大多数Allegro集成电流传感器IC具有约10到15g / a的耦合因子，这导致输出误差（在安培中）与图3中的外部字段。要了解产生这些类型的内容距离传感器IC仅10毫米的电线50a在传感器IC上产生10个高斯。通过1％的霍尔板匹配，由于该字段，其中仅在传感器IC的输出上看到10 mA的误差约为1，而没有共同模式抑制的错误。
来自附近电流携带导体的字段的共模抑制
电流传感器IC应用中最常见的干扰领域之一是附近电流承载导体。亚博尊贵会员例如，这些可能是其他阶段或地面返回路径。由于当前携带导体引起的字段的问题是它们可以在两个霍尔板上产生非均匀的字段，这取决于当前流量的方向。最坏情况是当电流垂直于两个霍尔板时，其如图4所示。
图4：外部电流垂直于两个霍尔盘子
在这种情况下，H1和H2看到的字段是：
这里，我在安培中，D处于mm，d处于mm，b1和b2位于高斯。当使用仅一个大厅板时，B1是将看到的领域。使用差异配置时，减去两个霍尔板（B1和B2）的字段，导致：
Dividing these fields by the coupling factor, CF（〜10至15克/ a），将这些干扰字段转换为安培中的错误。图5显示了仅使用一个霍尔板时的误差与距离，
图5：误差（a）与单堂传感电流载线的距离（d为0.8 mm）
图6：误差（a）与电流承载线的距离与电流流动垂直于霍尔板的电流（d为0.8 mm）
图6显示了使用差异配置时的错误。然后，图7显示了单个霍尔和差示厅配置之间的抑制比（以DB为单位）。值得注意的点是-20 dB，其中抑制是10x和-30 dB，其中抑制为30倍。这些点将取决于d至d的比率，如图8所示。图8对所有D和D值保持不变，这意味着减少了霍尔板之间的距离并增加了与大厅板之间的距离增加到外部的距离电流携带线将始终减少测量中的误差量。大多数Allegro集成电流传感器IC具有大约0.6至1毫米的霍尔间距（D）。
图7.: Rejection Ratio of Single Hall vs. Differential Hall Configuration Over the Distance of the External Wire from the Sensor IC. The external wire has current flowing perpendicular to the two Hall plates. d is 0.8 mm.
图8：单个大厅与差分霍尔配置的抑制比在传感器IC（D / D）上的外线电线的相对距离上，外线具有垂直于两个霍尔板的电流流动。
When the nearby current carrying conductor has current flowing parallel to the two Hall plates, this results in equal fields on both Hall plates. This is the ideal case where the theoretical rejection is infinite. Here, the limiting factor in rejection is the matching of the Hall plates, as mentioned above. Of course, there are all the cases in between the worst case perpendicular configuration and best case parallel configuration. This is illustrated in Figure 9, and the interfering field can be calculated as:
图9：附近电流的角场
Experimental Data
这ACS724电流传感器IC，利用差分电流检测，用于验证此处呈现的分析。通过将传感器IC旁边的高电流承载线在垂直于霍尔板旁边放置，并测量不同距离和电流水平的传感器IC输出的变化来执行测试。为了估计错误，ACS724的关键参数是：
- 这distance between the Hall plates (d) is 0.7 mm.
- 这coupling to one Hall plate is 11 G/A, and the coupling to the other Hall plate is 2.8 G/A, so the total coupling factor (CF）是13.8克/ a。
This means that the estimated error in Amperes is:
图10显示了使用该等式的估计误差的虚线，并且绘图上的点表示测量值。总的来说，实验数据与计算错误相比匹配。测量的误差可能略低于所需的误差，因为附近的电线没有与霍尔板的平面完美，导致传感器IC上的缩小场。
图10：估计误差（a）与差分传感电流携带线的距离
结论
Ultimately, integrated differential current sensing provides one to two orders of magnitude reduction in error due to stray magnetic fields. This allows the user of these sensor ICs to worry less about stray fields interfering with the current measurements, simplifying PCB layout, and allowing for more physically compressed systems. For highly compressed systems where there are high current carrying traces or magnetic generating devices, such as solenoids, the analysis provided in this application note can be used for quickly estimating the amount of error due to these stray fields. This allows the designer to foresee and correct for system configurations or PCB layouts which will introduce too much error into the system, reducing the number of design iterations.