使用Allegro电流传感器IC（ACS724和ACS780）时最小化共模场干扰的技术

使用Allegro电流传感器IC（ACS724和ACS780）时最小化共模场干扰的技术

下载PDF版本

作者：Evan Shorman，
亚博棋牌游戏Allegro Microsystems，LLC

介绍

亚博棋牌游戏Allegro MicroSystems电流传感器IC可分为三个主要组：需要外部磁芯的传感器，具有内置于包装中的核心的传感器，以及具有集成电流携带环路但没有核心的传感器。在后一组中，具有共模场抑制（CMR）能力的传感器。本应用笔记将讨论CMR的机制，并专注于如何通过优化的电路板设计和布局最佳地使用此机制。

背景

在使用集成载流回路的集成电路中，回路设计用于产生可由集成电路测量的磁场。磁场利用霍尔效应转化为电压。霍尔电压与电流的大小和方向成正比。图1是特定电流传感器IC引线框架如何产生磁场的示例。在图中，箭头显示了通过引线框架的电流，彩色图描述了100 A直流电流流过传感器时产生的磁场。为了清楚起见，图中去掉了电流的来源。

使用具有集成电流携带环路的IC有许多优点：无需核心，几乎没有磁滞，低功耗，高精度。然而，因为核心不再存在，所以传感器易于磁体或由传感器IC周围的导线流动的电流产生的杂散磁场。为了打击杂散磁场的存在，许多Allegro的电流传感器具有双霍尔共模抑制方案。霍尔板以这样的方式放置，使得当电流流过IC的集成导体或环路时，每个霍尔板上所感测的场具有相反的极性。在图1中，两个霍尔板位置表示为H1和H2。可以从图中观察到这两个区域具有与方向相反的磁场。

这是所用CMR技术的基本原理：如果减去来自两个霍尔板的信号，则可以求和由集成循环中的电流引起的信号，以及来自任何的共模（单极性）信号入射在IC上的杂散磁场可以被拒绝。对于一个简单的例子，假设每个霍尔板上的磁场±B±B等于;然后：

H1 - H2αB1 - B2
B–B2=B–（–B）
b - （-b）= 2×b

因此，

H1–H2∞2×B

如果假设存在相等的杂散磁场，B_ext.，然后：

H1 - H2αB1 - B2
B1–B2=（B+B）_ext.） - （-b + b_ext.）
（b + b_ext.） - （-b + b_ext.）= 2×b + b_ext.- B._ext.
2×B+B_ext.- B._ext.= 2×b

因此，

H1–H2∞2×B

在应用笔记中，无核霍尔效应电流传感器IC中的共模场抑制，更详细地介绍了CMR技术的理论和控制方程。本应用笔记中涵盖的主要技术将是如何设计和布局对这些电流传感器IC的电流携带的迹线。此外，应用笔记为最小化其他杂散字段来源提供指导。

来自附近电流路径的字段

为了最佳使用这些器件的CMR功能，应设计包含IC的电路板，以使两个霍尔板上的外部磁场相等。这有助于最小化由于当前携带的PCB迹线生成的外部字段引起的错误。每个携带的跟踪有三个主要参数，确定它将在IC上诱导的错误：距离从IC，宽度载流导体，以及角它和IC之间。图2示出了在IC附近路由的电流承载导体的示例。设备和导体之间的距离，D.，是从设备中心到导体中心的距离。当前路径的宽度是W.。设备和当前路径之间的角度，θ，被定义为连接两个霍尔板的直线之间的角度和垂直于电流路径的线。

两个霍尔板的位置和方向在不同的集成电路之间会有所不同。例如，ACS724使其霍尔板与ACS780中的霍尔板旋转90°，如图3所示。当使用CMR在任何Allegro电流传感器IC附近布线时，最好使θ角尽可能接近90°。

当不可能保持θ接近90°时，下一个最佳选择是保持与电流传感器IC，D的电流路径的距离尽可能大。假设电流路径与IC相关的最坏情况角，θ= 0°或180°，等式：

其中H._空间是两个霍尔板和CF之间的距离是IC的耦合因子。该耦合因子在不同的IC之间变化。ACS780的耦合因子为5至5.5g / a，而其他Allegro IC可以为10至15g / a。

错误估计

等式1假设无限长，无限薄的电线。它没有考虑承载电流导体的宽度或厚度。图4示出了在最坏情况方向（θ= 0°或180°）中将ACS780通过ACS780的电流承载导体计算的误差。使用理想化的方程来计算误差以及将导体的宽度和厚度的更加计算密集的等式集合计算。绘图表明，使用理想化的方程，计算的误差较高。因此，等式1可以用作对误差的快速，保守估计。

使用更精确的计算方法，计算对电流路径的不同宽度的误差以及设备和当前路径之间的不同角度。对于所有角度和宽度，4盎司。假设铜设定迹线厚度。该图表明，携带导体的宽度确实在误差中发挥作用，但最大的因素是与设备的角度，θ和距离器件的距离D。

需要考虑的其他布局实践

当铺设包含CMR的Allegro电流传感器IC的板时，所有当前携带路径的方向和接近都很重要，但它们不是在优化IC性能时考虑的唯一因素。可以贡献到系统错误的其他杂散字段来源包括连接到IC集成电流导体的迹线，以及附近永磁体的位置。

电路板与电流传感器IC的连接方式必须谨慎规划。可能影响性能的常见错误有：

• 电流路径到IP引脚的接近角
• 在IC下面扩展当前的痕迹太远

接近角

使用Allegro电流传感器IC时的一个常见错误是从不期望的角度带来电流。图6示出了对IC的电流迹线的方法的示例（在这种情况下，ACS724）。在这个图中，迹线显示为i_P.+和我_P.- 。浅绿色区域是当前痕迹的所需接近区域_P.+. 该区域为0°至85°。这条规则同样适用于I_P.- 追踪。

该区域的限制是防止载流迹线产生任何杂散场，从而导致IC输出错误。当电流迹线连接到I_P.如果在这个区域之外，则必须按上面讨论的方式处理（来自附近电流路径的场）。

在IC下侵犯

另一个常见错误是将当前的跟踪路由过于IP引脚。根据设备，这可能导致两个不同的问题。在SOIC和类似包中的设备的情况下，这可能导致杂散字段生成在IC上，导致性能降低。在LR封装中，具有较大且暴露的IP总线，在包装下方的路由太远可以通过IP总线更改电流路径，从而改变设备的性能。在下一节中将更详细地介绍对LR包装的这种影响。

对于杂散场的问题，当电流轨迹以一定角度进入IP总线时，问题会恶化。当这种情况发生时，电流实际上在零件下面流动，回到I_P.别针，然后通过I_P.别针。该改变的电流路径可能导致要产生杂散的字段，从而降低IC的精度。这可以通过不允许当前跟踪来防止_P.插针侵入设备下方。

永磁体效应

当永磁体靠近电流传感器IC时，磁铁产生的杂散磁场也会影响IC的性能。一般来说，来自磁铁的杂散磁场会因磁铁而异。它将取决于磁铁的尺寸、材料、磁化方向和许多其他因素。如果电流传感器可以对齐，使霍尔板垂直于磁铁（如图8所示），这些杂散场的影响将最小化。

针对LR包的布局实践

在IC下侵犯

在LR封装中，设备下的电流承载迹线的侵占实际上改变了流过IP总线的电流的路径。这可能导致IP总线的耦合因子变为IC，并且可以显着降低设备性能。

利用ANSYS-Maxwell电磁分析软件，对电流产生的电流密度和磁场进行了数值模拟。在图9中，有两个不同模拟的结果。第一种情况是电流轨迹指向I_P.总线在所需的点终止。第二种情况是电流的踪迹远远地侵入I_P.总线。两种模拟中的红色箭头代表了高电流密度的区域。在没有多余重叠的模拟中，红色区域，并且当前密度，与具有多余重叠的模拟非常不同。还观察到，当没有过量的重叠时，H1上的场更大。这可以通过较暗的蓝色遮荫。

当重叠超过推荐值时，也会出现其他问题，例如，当前的接近角范围显著缩小。当电流的轨迹侵入到_P.总线太大，对接近角产生依赖，即接近角直接影响设备的耦合系数。避免这种情况的最佳方法是限制电流轨迹的重叠。

结论

亚博棋牌游戏Allegro Microsystems电流传感器IC具有许多优点。它们具有近零的磁滞后以及非常低的功耗。缺乏核心的一个缺点是对流浪领域的易感性。但是，许多IC具有拒绝共模磁场的能力。

当霍尔板上的共模场相等时，CMR技术最佳。讨论了几种技术以最小化两个霍尔板上的共模场的差异 - 如何路由外部电流路径和其他最佳布局技术。当电流路径不能以最有利的方向路由时，还呈现了对错误的估计。还讨论了一些特定于LR封装的布局技术，因为它具有必须考虑最佳性能的特性。

总体而言，本文讨论的技术和计算将有助于客户优化Allegro电流传感器IC性能。