先进的霍尔效应线性电流传感器IC使混合动力电动汽车和其他高电流传感应用中的高BW传感成为可能亚博尊贵会员
先进的霍尔效应线性电流传感器IC使混合动力电动汽车和其他高电流传感应用中的高BW传感成为可能亚博尊贵会员
由肖恩·米兰所作，
亚博棋牌游戏Allegro微系统有限责任公司
摘要
为适应混合动力电动汽车（HEV）逆变器电流传感应用的精度和带宽要求，开发了一种新型线性电流霍尔效应传感器芯片。该设备使用专有的SIP封装，并采用新一代斩波稳定信号调理和滤波电路，结合起来提供低噪声，高达120千赫带宽的模拟输出信号。通过引入专有的分段线性温度补偿，可在整个工作温度范围内稳定零场偏移和输出灵敏度，而不影响高带宽信号路径，从而实现行业领亚博尊贵会员先的精度水平。该设备是理想的所有电流传感应用使用的核心配置，需要高频操作。本文以混合动力汽车逆变器的应用为例。
介绍
典型HEV逆变器中的全桥驱动器将直流蓄电池电压转换为三相交流电压，以驱动连接到传动系的交流电机（见图1）。
图1：典型逆变器电路应用
测量逆变器相电流，所得信息用于控制脉宽调制（PWM）逆变器开关（通常为IGBT）。逆变器控制回路需要高带宽、高精度的电流传感器集成电路，以最大限度地提高电机转矩和电机整体效率。具有快速响应时间的高侧电流传感器IC也可实现过流保护。这个快板™ A1366线性霍尔效应传感器IC已被设计为满足高带宽，高精度要求的混合动力汽车逆变器的应用。在这些应用中，线性霍尔效应传感器IC通常放置在铁磁“C”磁芯的间隙中，该磁芯包围电机中的每个逆变器相导体（见图2）。当亚博尊贵会员电流在导体中流动时，磁芯通过单列直插封装（SIP）集中产生的磁场。
图2:A1366电流传感配置
Allegro的专有设计特点使A1366成为HEV逆变器、大电流电机控制或任何其他高频、大电流应用的理想传感器IC。这些特点包括特殊的封装，先进的斩波和滤波技术，以及数字温度补偿算法。这些创新使业界领先的，高精度，120千赫带宽线性霍尔效应传感器集成电路，在混合动力汽车电流传感器的应用表现良好。亚博尊贵会员
本文将重点讨论下一代封装，以及集成电路设计创新及其对传感器集成电路性能的影响。它还将包括核心设计的简短应用讨论。
功能描述
模拟信号路径和带宽
图3显示了A1366线性霍尔效应传感器IC的简化框图。传感器的模拟信号路径清晰可见。模拟输出信号与电源电压成比例关系，当外加磁场为零时，它通常为VCC/2。输出将偏离VCC/2在一个积极或消极的方向，这取决于极性所施加的磁场或电流方向的核心配置图2。
图3:A1366方框图
霍尔元件传感器产生一个必须以高增益放大的小信号。随着环境温度的变化，高放大率很难产生稳定的输出信号。A1366的放大器设计采用BiCMOS工艺，可与数字电路一起进行精确的放大器设计。增加的数字电路用于Allegro的工厂编程。增益和偏置都可以在工作温度范围内调节。此外，霍尔元件和放大器级都是斩波稳定的，以最小化温度漂移。Allegro还开发了专有的斩波稳定和陷波滤波技术，可产生低噪声输出，尽管线性霍尔效应传感器IC需要较大的信号增益。事实上，隔代在降噪方面的改进都大于一个数量级。A1366是Allegro生产的带宽最高、分辨率最高的模拟输出传感器。六西格玛峰间噪声在整个120 kHz带宽下约为6 mV。
A1366的模拟输出响应时间小于4μs，足以保护IGBT器件免受过流或短路事件的影响。在低频应用中，可以对输出进行滤波以降低输出上的噪声并提高分辨率。高带宽不仅可以通过模拟信号路径设计实现，而且还可以通过称为KT包的单列直插式封装（SIP）实现。亚博尊贵会员
包装
由于霍尔传感器后面有大量的铜线框，普通的SIP封装限制了带宽。这种金属垫允许在更快的dɸ/dt事件中形成涡流。涡流在引线框架上产生相反的磁场。这些场减慢了系统的响应，并反映在线性霍尔效应传感器IC的输出上。Allegro KT封装去除霍尔元件正后方的引线框架材料，以消除霍尔元件区域的涡流。如果不修改KT包，就不可能进行更高带宽的操作。Allegro专有软件包非常有效，与标准软件包中使用的相同IC相比，KT软件包中A1366的工作带宽提高了3到4倍。
同样的包装改进也可在8针TSSOP封装中使用，用于客户有需要表面贴装焊接的机械设计的应用中。亚博尊贵会员
数字温度补偿
为了提高用于电流传感器应用的线性霍尔效应传感器集成电路的整体精度，许多供应商采用了全数字信号通路。数字滤波和信号调理的缺点是信号带宽的损失，因为数字信号处理和信号调理将传感器带宽降低到1到3 kHz的范围亚博尊贵会员，使得它们对于HEV逆变器应用来说太慢。Allegro用一种新的数字补偿方案解决了这个问题。
A1366的精度大大提高了一个专有的数字温度补偿算法，包括EEPROM技术的增加。在五个边界之间采用分段线性温度补偿，在不牺牲信号带宽的前提下，大大减小了模拟信号路径的本机漂移。图4说明了该技术。该算法可以调节静态场电压输出（QVO）和灵敏度。QVO或灵敏度的本机漂移用虚线表示。虚线显示边界之间添加的线性补偿，实线显示传感器输出的结果行为。
图4：温度补偿算法结果
A1366有一个板载温度传感器，用于确定相邻边界。数字控制引擎应用适当的补偿。
由于温度变化与被测电流相比非常缓慢，补偿方案在后台工作，必要时不断调整QVO和灵敏度。这样，保持了120khz的传感器模拟信号通路，优化了器件精度。
Allegro制造集团通过温度范围对设备进行测试，并将QVO和灵敏度温度补偿系数编程到EEPROM中，消除了客户对最终传感器组件进行温度测试的要求。
A1366 QVO和灵敏度绝对值也在Allegro工厂编程。灵敏度的标准产品包括1、2.5、5和10 mV/G。设备零场输出电压QVO编程为2.500 V。Allegro还有一个客户可编程设备A1363，可供需要在其最终应用中编程设备的客户使用。A1363提供了对灵敏度和QVO绝对值的编程控制，客户可以在25℃下线测试时将其编程到EEPROM中。
核心设计
如前所述，A1366线性霍尔效应传感器IC设计用于HEV应用中的通孔结构铁磁芯（如图2所示）。核心材料的选择取决于以下两者之间的权衡：亚博尊贵会员
- 信号漂移后的剩磁；
- 频率响应；
- 外加磁场与外加电流的线性关系。
最常见的选择是层压钢芯。这是非常具有成本效益，并尽量减少涡流，从而允许优秀的频率响应。叠层磁芯的磁滞在大多数应用中通常是可以接受的。亚博尊贵会员
铁磁芯的横截面积取决于一次导体中感应到的最大电流量。这也很大程度上取决于材料的选择。必须注意确保材料不会在高温下饱和并产生非线性响应。Allegro应用程序支持适用于需要核心设计和材料选择帮助的客户。亚博尊贵会员
A1366精度
该A1366高可编程性的QVO和灵敏度，以及分段线性温度补偿的改善，结果在一个3到4倍的改善现有的线性霍尔效应传感器集成电路。
灵敏度和QVO
本文所述技术的结果与A1366相结合，产生了一种高带宽、线性霍尔效应传感器IC，在开环传感器中具有接近闭环精度的性能。请参见图5和图6，以获得显示QVO性能和灵敏度与温度关系的图表。图中显示了典型的±3 sigma灵敏度随温度的漂移小于±1%，在-40ºC到150ºC的工作温度范围内±3 sigma QVO分布为±6 mV。
图5:QVO与温度的关系
图6：灵敏度与温度
结论
Allegro A1366线性霍尔效应传感器IC设计用于高精度和高带宽应用，如HEV逆变器中的应用。在封装，斩波稳定放大器，先进的滤波和创新的数字温度补偿电路的改进结合起来，提供了一个几乎闭环性能的传感器芯片在一个开环亚博尊贵会员电流传感器系统。即使是在低带宽线性霍尔传感器集成电路中也无法实现的低误差水平，现在可以在较宽的汽车工作温度范围内和高达120千赫的带宽下实现。
文章发表于Hanser Automotive，2015年2月。经允许转载。