使用铁磁核心电流传感器IC的滞后缓解

作者：Georges El Bacha，Shaun Milano和Jeff Viola
亚博棋牌游戏Allegro MicroSystems，LLC

介绍

传统的开环电流传感器IC，如allegroACS758CB.和ACS770CB.家庭，具有充当磁性聚光器的铁磁核心。它们集中通过流过导体的电流产生的磁通密度，B场，以霍尔效应传感器IC所示。

图1：使用霍尔传感器IC和磁芯感测电流

霍尔效应传感器IC具有霍尔元件，换能器，将垂直于霍尔元素的B场转换为电压。该霍尔传感器电压与B场直接成比例。B场与导体中的电流的大小成比例，因此霍尔传感器输出电压因此与导体中流动的电流的大小成正比。以这种方式，可以使用霍尔效应传感器和集中核心进行非常精确的电流传感器。

没有核心，导体周围的B场非常小且难以准确测量。核心可以放大电磁场20x或更大，因此对于提高传感器精度和分辨率非常有价值。以这种方式测量电流有几个其他优点，例如电流隔离，功率损耗非常低，发热低。使用铁磁材料作为浓缩核的一个缺点是磁滞。

什么是磁滞？

通过取一块芯材料并产生B-H曲线来测量磁滞后。将外部磁场（H）施加到材料上，然后测量材料内部的磁通密度（B）'。用于永磁体或“硬”材料的一系列曲线如下图所示。永磁体不用作磁芯，但有助于说明磁磁滞的工作原理。当施加大场时，磁性材料被磁化;当除去磁化场（H）时，在具有图2中所示的磁通密度（B）的材料周围存在永磁场。

由永磁体产生的场不仅取决于材料，还取决于它磁化的难度。换句话说，它取决于在磁化期间施加了多少H场。通过施加不同的磁化字段（H），可以产生一系列曲线，如图2所示。

图2：b与h家族的曲线

铁磁材料是磁化或被吸引到永磁体的材料。它们具有高磁导率，并且所有这些都具有在磁场存在下排列的域（参见图3）。在移除所施加的磁场后，松散地保持恢复为随机取向。这些被称为“软”材料，并且希望用作核心。并非所有的域都恢复到随机方向，这就是材料如何略微磁化。这是“磁性偏离”，是材料的滞后。永磁体域保持与磁化区域相同的取向锁定，因此是“硬”材料。

选择用于电流检测应用的芯材料时，需要具有低滞后的软铁磁材料，如图3和4所示。亚博尊贵会员

图3：磁畴

图4：软和硬B与H环

当霍尔电流传感器IC放置在核心的间隙中并且无电流流动时，器件输出电压应指示零放大器。芯中的磁滞将在电流在导体中流动后保持磁场，因为电流产生施加的场并且将磁化芯材料。当电流不再流动时，霍尔传感器将根据芯材的磁化水平测量非零电流。这导致零放大器读数的一些错误，因此，不希望的。

软与硬质材料

Allegro CA / CB封装电流传感器IC采用软磁芯材料。这些软磁材料具有更少的剩磁或滞后。要通过示例解释，通常使用的最常见的普通钢是1020钢。1020可以在热轧状态下保留30个高斯（g），并在冷轧状态下更大。Allegro CB封装中使用的SIFE材料在2g的顺序保持。因此，材料被优化用作电流检测的核心，因为它将最小化霍尔传感器的零电流输出误差。

ACS758CB电流传感器对磁滞作用

ACS758CB静态输出电压（VOUTQ）是当初级电流为零时电流传感器IC的输出。对于双向设备，其标称保持在VCC / 2. VCC = 5 V转换为理想的Voutq = 2.5 V.

如前所述，在电流传感器IC内部使用的核心的遗漏使电流施加到传感器之后的VoutQ电平影响。以下公约将用于剩余的文章。

正静态输出电压（VOUTQP）：在电流传感器IC中注入“最大正”施加电流后测量的输出电压，然后减少到0 A.
负静止输出电压（VOUTQN）：在电流传感器IC中注入“最大负”施加电流后测量的输出电压，然后减少到0 A.
理想的静态输出电压（VOUTQI）：Voutqp和Voutqn的平均值，其中最大正和负电流具有相同的幅度。

图5：Allegro CA / CB封装电流传感器IC

下面的图6示出了在将不同电流脉冲施加到ACS758LKCB-150B（150个传感器的双向版本）之后的静止输出电压。在每个电流脉冲减小到0A后，记录电流传感器IC输出。在测量期间，最大施加电流设定为±130a。为了产生这些绘制，将130施加130脉冲[1]，然后施加一系列的负电流脉冲，范围为-3 a [2]至-130 a [3]。接下来是一系列的正电流脉冲，范围为3 a [4]至130 a [5]。重复相似的测量，最大电流幅度为90a [6]和50a [7]。

遗弃ACS758核心使VOUTQ根据注入电流的幅度和极性而变化。130个磁滞回路（绿色外部曲线）具有2.5032 V（130脉冲之后的最大VoutQP，最小VoutQN为2.4932 V（在-130之后脉冲），中间点Voutqi为2.4982 v。这种差异为Voutqi的10 mV或±5 mV变化。

对于150个双向传感器的灵敏度为13.3mV / a，这使得我们为我们提供5 mV / 13.3mV / a =±375.9 mA的磁性偏移或滞后。这只有130个在我们测量期间使用的最大应用电流的0.289％。通常，ACS758CB的磁偏移为±250 mA。在该示例中使用具有较大磁偏移的装置，以说明近似最坏情况的情况。

ACS758 150双向滞后环

图6：ACS758家庭滞后情节

我们如何减轻磁滞后？

方法一

我们可以做的最简单的事情只是简单地将全峰降至滞后的峰值。这可以通过应用最大正负应用电流，记录VoutQP，Voutqn和计算Voutqi来完成。VOUTQI应存储在系统内存中并用作预期的零电流输出电压（参见图7）。

图7：如何测量Voutqp，Voutqn和Voutqi

要使用图6中测量的数据作为我们的示例，对于±130，最大施加电流，Voutqp = 2.5032 V，Voutqn = 2.4932 V，Voutqi =（2.5032 + 2.4932）/ 2 = 2.4982 V.只需使用此Voutqi作为预期的零电流输出电压我们永远不会超过±5 mV或±375.9 mA。

在引入下一个补偿方法之前，需要定义矫顽电流。在传感器暴露于最大施加电流之后，矫顽电流是将该材料的磁化降低到接近零所需的电流。例如，在图8中，在130A脉冲之后，需要VoutQP = 2.5032 V. A25电流脉冲需要将ACS758磁化降低到零。这将导致Voutq靠近Voutqi = 2.4982 V，理想的Voutq。最大施加电流为±130a的系统中的矫顽电流为±25 A.

ACS758 150双向滞后环

图8：±130的矫顽电流值最大应用当前系统