测量电流超过50安培的秘密
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 Microsystems,LLC
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.和ACS770CB.,将用作示例。
通常最好测量负载(高端)的电源电压附近的电流而不是近地(低端)。在高端测量为接地反弹带来抗扰度,并允许检测到地面的短路。根据电源电压和应用,可能需要对感测电路连接需要基本或增强隔离。如果使用感测电阻/运算放大器测量高侧,则需要具有高共模输入范围的OP-AMP,使设计更加复杂。为了提供隔离,需要额外的隔离器(例如光耦合器)和隔离电源,提高复杂性和升高成本。
另一方面,霍尔效应电流传感器IC,如Allegro提供的那些,消除了对感测电阻的需求。电流直接流入集成导体,产生将测量的磁场。
ACS780LR.1
ACS780位于6.4×6.4 mm的表面安装LR封装中。电流流入集成导体,并产生磁场,然后导通霍尔元素感知。使用倒装芯片组件技术使霍尔元素接近磁场处于最高点的引线框架。该包装允许出色的信噪比。
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.2
ACS770坐在14×21.9毫米金属化孔CBpackage. As current flows in its integrated conductor, an integrated low-hysteresis core concentrates the magnetic field which is then sensed by the Hall element with a typical accuracy of ±1% and 120 kHz bandwidth. The core also acts as a magnetic shield, rejecting external stray fields.
集成导体具有100μΩ电阻,提供超级功率损耗。ACS770可以在85°C的环境温度下连续测量200A,可以工厂编程,以测量浪涌电流,最高可达400 A.
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。
The package then experienced a current pulse of a set magnitude and the time was measured for two conditions: the time for the die temperature to exceed the maximum junction temperature of 165°C, and the time to fuse the current conductor open.
CB Package
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。
Table 1: CB Package Overtemperature Time as Function of Applied DC Current
环境温度 (°C) |
最大电流 (一种) |
电流为10 S及OFF,施加了100个脉冲 | |
25. | 350. |
85 | 350. |
150. | 260. |
电流为3 S及OFF,施加了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显示了芯片温度上升,因为通过传感器注入连续的DC电流,温度达到稳定状态。正如预期的那样,Cb封装显示出较小的温度升高,因为它为LR封装的200μΩ相比其导体电阻为100μΩ。
热性能布局指南
增加LR封装电流传感能力
A simulation illustrates the thermal capability of this approach. Suppose a board is used with a current ratio of 6.7:1 (that is, current through trace: current through sensor) and the following specifications: six copper layers (top and bottom layer thickness of two-ounce (70 μm), inner layers of three-ounce (105 μm)), an FR4 substrate, 36 thermal vias of 0.2 mm diameter around each pad, and 5 mm diameter through-holes for current injection on the PCB. An aluminum heat spreader of 94 × 70 mm connects under the PCB.
With 250 A injected in the PCB, a simulation assumed natural convection with an air enclosure volume of 300 × 300 × 300 mm with the enclosure wall set to 25°C. The highest observed temperature was 74°C on the top metal (~50°C rise relative to the ambient temperature), while the die temperature reached 71°C.
隔离
结论
Table 2: Comparing Sense-Resistor/Op-Amp and
测量时的Allegro电流传感器> 50 a
Item | 感测电阻/ OP-AMP | Allegro ACS780. | Allegro ACS770. |
BOM. | 增加了BOM列表,包括感觉 电阻器 |
Small surface-mount package with 150传感范围 |
带400a的通孔包装 传感范围 |
PCB区域 | 更大的BOM需要更多的PCB 区 |
6.4 mm×6.4 mm | 14 mm × 21.9 mm |
功耗 | 较高的电阻(2-4×)比 ACS780,产生更多的热量 PCB. |
集成导体阻力 200μΩ. |
集成导体阻力 100μΩ |
杂散磁场 | Immune to stray magnetic fields | 差分传感技术 拒绝流浪领域 |
集成浓缩器核心拒绝 流浪领域 |
隔离 | 需要外部隔离器和 more expensive isolated power 供应 |
对于<100 V应用程亚博尊贵会员序。理想的 48 V systems |
UL 60950-1 2nd edition passes 4.8 kV,提供工作电压 高达990 vpk。适合线路 亚博尊贵会员 |
准确性和分辨率 | Accuracy will depend on resistance 过温。难 测量小电流低 sense resistor. Higher resistance provides good resolution but more 功耗 |
典型精度为±1%。 Measures small currents and can resolve down to 60 mA with proper 过滤 |
|
噪声 | High inductance switching creates noisy events that require blanking 和settling times |
Allegro IC滤波和集成屏蔽层耦合噪声到GND和 produces a cleaner output signal |
Footnotes:
- /en/products/current-sensor-ics/fifty-to-two-hundred- anam-隔膜 - 通讯 - sensensor-ics/acs780.aspx.
- /en/Products/Current-Sensor-ICs/Fifty-To-Two-Hundred-Amp-Integrated-Conductor-Sensor-ICs/ACS770.aspx
Article published in Power Electronics Handbook, March 2017. Reprinted with permission.