霍尔效应电流传感器技术的近期发展趋势

霍尔效应电流传感器技术的近期发展趋势

作者：John Cummings，Michael C. Toogue，Andreas P. Friedrich

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摘要

本文阐述阐述了基于技术的 - 电气仪器IC的近ー技术支持。文件章将一次电阻流成到系统改进种种装，in oc and的主要改进，并并了若干典型应应应，包括不间间断电阻（UPS），仪器和电池监测。

介绍

过去十年中，工业，汽车工业，商业和通信系统对成本，精密，小尺寸电视仪解决电气的需求需求迅速。将电池需求迅速。将电阻为之有关的电气技术有更多。霍尔效应器，电气与电气分享，并且霍尔元件与接口与元件元件成到一个单位芯片上。上部支持成其他功能（如在电机仪IC加入电气保护功能），促进促进全新产品的先生发票。本文涵盖了allegro™ACS电气仪器IC系列的基本包装和IC设计概念，并概念了，并概念一般性趋势，这些趋势支持ally开发出开头下一页完全完全成的低成本网电器设备制备。

包装概念

Allegro电视机IC设备的特价是将片性霍性霍ic和低电视一体电脑导路径导路径到到到并相对于铜导保持确紧密并相对于铜导保持精密定位，从而可致油设备精密。低功耗和高电平隔离是此此装配出有的特性。包装电气批量系统尺寸，形状和其他组件要测尺寸，形状和其他取决于要测尺寸电流的幅值。本节详细介绍了用于于于幅值。包装技术。

电气最高为20 a

对于最高为±20 A的小额定电影，霍尔晶片和一次电视路径袜在标准尺寸的soic8表面敷装中，如图1和图3所示。这是一个个紧凑，小尺寸的解决方向，并兼容高度自动化板载板载技术。使用装备晶片技术使使效应器材的工作室与正被传感的电气所所磁场最优优耦料。用语于电视检测的铜制路径内内内内内内常常内内很小。电影源子与低电阻信号I / O等方面具有电气隔离。 - 进一一仪经过仔细，可口进一流步高机械的电影隔离，一次电视路径与信号侧典型直流电影为5 kV，最小偏方根电池为1.6 kV，典型电池为2.5 kV（60 hz，持续1分钟）。

图 1.ACS封装的内部结构,显示U型一次铜导体和单个倒装晶片型——霍尔IC。

图2.CB套装的内部结构，显示一次繁体（铜，左侧），交通仪器（红色）和性性直插式霍直插式霍in（黑色）以及信号引脚（铜，右侧）。

图 3.±20 (LC封装)和±200 (CB封装)电流传感器IC的照片,并显示与之比较的硬币。

电气高达200a

对于较高的电流,必须增加铜导体的截面,以适应CB封装材料的电流密度。由于此较厚导体与线性霍尔元件之间存在磁耦合，因此必须使用磁通集中器。在包覆之前,必须精确组装铜路径、线性SIP霍尔效应器件和磁通集中器。凭借精心设计的系统,一次导体电阻是通常低至100µΩ,且一次电流路径与信号侧之间的最小均方根隔离电压为3 kV (60 Hz,持续1分钟)。图2显示这种±200电流传感器的内部结构,图3显示了此类和±20封装类型的照片。

大于200的电流

如果要测量的电流高于200,可以在分流器配置中使用集成电路。[2] 这种方法需要对正在检测的电流的路径进行分流。最简单的方法是设计一个带有分口的汇流条，只让控制良好的电流部分流过设备，其他部分都流到分流路径（见图 4)。分流比由汇流条的几何形状确定。这种方法的固有缺点是，它降低了电流分辨率，降低的比例为电流的分流比。

如果将电流等分分流和并且并联使用两个设备，则可以增加电流传感系统的分辨率（见图 5）。为了获得正比于一次总电流的线性输出，可以使用涉及电平漂移并且添加了两个设备输出的简单电路。［2］

图 4.分流器配置。电流传感器IC 可以直接连接到汇流条。

图5.电孔分类，以提高分子。可将将两制备的输出并，以以正式要感测电阻的线路输出。

集成电路设计

本节详细介绍基本的芯片芯片和最的IC的IC次数。

方案图制备的中心是精锐的，低偏移硅霍的。图6中展示了一代方形图。一击电源产后的普通会影响尔元件.bicmos稳定斩波电脑用途在其工作温度内减少信号量，并稳定IC输出。[3]片上电子设备制造商的模拟电气压与电阻成正正比。

图 6.电路的方框图。

输出呈比例关系,即偏移和灵敏度与V_CC值之间呈线性关系。通过线端微调偏移、灵敏度和温度响应优化设备精度。集成电路设计用于测量正负电流，但是如果需要，您可以调整参数，以适应单向应用。封装后要裁剪器件，以减小霍尔元件上的封装应力效应。如图 6 所示，建议采用外部旁路电容器，以减小噪声。如果应用程序的带宽允许，可在输出使用简单的 rc 滤波器，以进一步提高信噪比。

±20 a型的主要特征虽然soic8设备设计工作电像为±20 a，但能承受高达100 A的大声电阻。确定器材过流能力的有限性是IC的结温（T_J（最多），该值是165°C） - 由由用中印制电阻（PCB）的热热决定。

主要特点和优点总结如下：

• 交流和直流电气送量
• 1.5MΩ内部内部态电阻
• 1600 vrms（最小）隔离电阻
• 4.5至5.5 V工作电压
• 50 千赫带宽
• ±室温下总输出误差为1.5%
• 工作温度范围:-40°C至85°C
• 面积小的扁平型SOIC8封装
• 近零的磁滞
• 电源电压的成比例输出
• 符合RoHS标准要求(采用倒装晶片法的高温含铅焊球目前不受RoHS的管辖)。

±200 a型主要特性铜导体的厚度使得设备可以抵御高×达5倍的过电流。主要特点和优点总结如下：

• 交流和直流电气送量
• 100μΩ内部传导电阻
• 3000 VRMS(最小)隔离电压
• 4.5至5.5 V工作电压
• 35到50千赫带宽
• ±室温下总输出误差为1.0%
• 工作温度范围-40°C到150°C(一次电流函数)
• 小型装配尺寸，安装简
• 电源电压的成比例输出
• 无铅

近期趋势

高级工业，汽车，商业和通信系统的电影传感解决方向迎面临挑战挑战中的挑战。虽然前面的段落中的解决案涵盖各各种客户客户的大量要求，但总的趋势种客户的大成形，高度精选，小尺寸，并具有新增功能的系统。本节介绍了allegro为解决解决需求而开发的两两新设备。

增强IC性能为进一步提高±20 a扁平型soic8特征，alligho开发出第第产品，其重点减小噪声和总输出误差。芯片芯片使用了alleglo最最噪声噪声噪声噪声噪声0.65μmbicmos工艺（dabic6）。在封装之框，可用共23传播位来融化下载IC次数：

• 静态输出电压
• 灵敏度
• 灵敏度温度系数

改进的工艺性能,新的设计理念,以及新增的编程能力,这三者的结合可将噪声减小2×。在工业温度范围40°C到85°C,我_P=±20时，±8.4％降至±8.4％±1.5％。

该新设备还配有滤波器引脚,用于通过电容器来设置3 dB点。这减少了提高集成电路分辨率所需的外部组件的数量(无需传感电阻器)。下表提供了对于不同的滤波电容值,在T = -40°C至85°C和IP =±20时的峰-峰电流噪声水平,如下表所示:

该新ACS712设备是之前几代产品ACS704和ACS706的插入式替代品。

新增功能

对于大容量应用场合,在霍尔IC上集成一些其他功能有应用价值,通常利用外部组件实现。在下述具体实施中,利用这种方法实现新型保护集成电路,此电路采用集成热插拔门极驱动器和基于霍尔效应的内部元件。

图7中展示了该ACS760设备的方框图。无需使用外部传感电阻就可以测量电源负载。器件使用集成的1.5Ω铜导体和霍尔效应元件,以精确测量最高为30的负载电流。该器件包含过流保护电路,此电路根据用户选择的电流级别(30到40之间)跳闸。如果检测到过流条件,则器件的故障输出装置跳闸,外部MOSFET的栅极被拉到接地电位。过流条件的检测与门电路关闭之间的延迟时间由外部电容器设置。

图 7.保护IC的方框图,此集成电路配有集成热插拔门极驱动器以及基于1.5Ω霍尔效应的内部元件。

应用实例

本节提供了两个应，其中ACS设备支持支持最电源流流传感案。

电气监测智能电池系统需要电路监测电池电压、温度和电流。对于容量监测应用场合，所有这些测量值都很关键。不过，正确设计的最大难点是电流测量。其原因是电流测量对精度、功率耗散和解决方案的尺寸都有要求。

电视量挑选对于监测算法行为至有关重要。在接地路径或者低侧接入接入接入。这种方法的关键词。这种方法的关键词。²r损失，分享的电气流值很小。这这笔记本机，必须接受较低的电气流言，在挂起，休眠，或其他功耗状态下，电气池难准确监测流入系统的电阻。

如果电池使用10米Ω传感电阻器,以最大限度减少标称负载的功率耗散,若拉电流仅为50,则分流器的电压将只有500 pV。此电压很难分辨，必须为电池开发用于估算剩余容量的复杂算法，以补偿此效应。这些常规方式本质比较保守，即假定电池容量的损失要比实际计算值多。其结果可能是，随着时间推移电池容量损失看起来过多。

根据电池和应用场合,监测电流需要1到2 W的传感电阻。不过,一般在便携式解决方案中没有足够的空间放置2 W电阻器,因此解决方案通常仅采用1 W电阻器。对于更高电流的解决方案，需要使用多个并联电阻，以将功率额定值保持在设备限制范围内。这两种解决方案都对安装这些组件所需的板上空间有很大的影响。

将霍尔辅助器件作为电阻的分类器，可口降低电视组耗散耗散明道：设备的插入损耗较小。在SOIC8包装中，ACS712驾驶框架插入损耗仅为1.5mΩ。图8展示了一系列负载电脑下面的功耗差别。

使用图 9 所示的霍尔效应器件可以增加电流测量精度。此方框图显示高电流路径和低电流路径。在监测小电流时，可启用低电流路径，以获得更高精度。图 9 显示的解决方案不仅为较低充放电电流提供了更高的精度，而且在测量范围内，比分流解决方案提供更多信号。假定霍尔效应器件的增益为100 mV / A,则此信号远大于分流电阻产生的信号,如下面的图10所示。

图 8.分流与霍尔效应电流传感解决方案的功率损耗对比。

图 9.在电池监测中采用霍尔效应器件可提高精度和效率。

图10.霍尔效应效应方向与20mω分流配方的输出电气压。

采用霍尔效应解决方案实现增益步长增加的假定条件是，此应用采用图 9 所示的高电流路径。实际过渡阈值和要求的迟滞级别将是应用以及所用分流值的函数。

在电气系统中间用途韦尔有器材有条学分享牌解决方向所要求的pcb面积，并实现高度传感的pcb面积，并并高度传感，而高侧传感不合会中断接地路径。利用欧尔武器的两个主要收益是，在更大的电气范围提高电平仪表精密，并通过显着降低分布器的1²r损耗来降低功耗。

UPS和逆变器应用中的霍尔效应器件UPS系统经常使用霍尔效应器件或电流互感器(CT)。尽管CT被视为低成本解决方案,但与霍尔效应解决方案相比,CT实际需要更多的支持组件,并且只限于交流应用场合。使用CT监视交流线路的另一项次要成本是,需要新增电路来控制涌流效应,以及涌流期间可能的铁芯饱和问题。

UPS解决方案要求使用线电压为电池充电,以便在发送电力故障时,为系统提供线电压。UPS的目标是,以最高效率供应尽可能多的电力。例如,2200 VA UPS的充电时间通常为3个小时。此UPS只能为半载(990 W)负荷供电大约24分钟,为全载负荷(1980 W)供电6.7分钟。监测输入和输出电流，以进行保护，并可轻松展示电池的充电状态。

有几个原因使ACS712霍尔效应器件非常适合监测输入功率或电池充电电流。扁平型霍尔效应解决方案显而易见的优势是,所需体积仅为等效CT解决方案的几分之一。此外，它还无需使用增益和额外的保护组件。这是因为ACS712不会在设备的隔离侧产生过电压。

为高负载逆仪器供电力时，霍尔效应ic的最佳布置位置是线电动本地在位置，这样可直接监测负载电阻。其原因是线电动仪器高达15到20a_rms.,而电池源电流可能超过50至60,具体取决于电池组的电压和变流器效率。下面的图11显示UPS电源使用的霍尔效应器件实例。

图 11.UPS电源架构

此下一代霍尔效应器件可帮助解决现有CT问题,并提高系统的可靠性。在电池充电系统和逆变器装置中使用霍尔效应器件，可以优化变流器的效率。这有助于降低系统的总体尺寸并节省成本。

总结

为工业、汽车、商业和通信系统提供创新传感器电流解决方案。封装器件包括低电阻一次电流路径和单片线性霍尔效应 IC，此 IC 集成了霍尔元件和最先进的 BiCMOS 接口电路。

器件适用测量范围最高达±200 A,通过使用分流器,还可以设计用于更高电流的应用场合。本文详细阐述了朝着低成本、高精度和具有新增功能的小尺寸电流测量系统方向迈进的新方法，并介绍了两个应用示例。

备注

1. r.s.popovic，“欧尔效应器材”（第二版）IOP Publishing Ltd.，2004年。
2. R. Dickinson和A.P.Friedrich，“为扩大量销在分布器配置中间用途allegro电脑仪器”，Allegro 亚博棋牌游戏Microsystems，LLC，使用注释AN295036,2005年4月。
3. a . Bilotti g . Monreal和r中收取”,使用动态正交偏移消除技术的单片磁式霍尔传感器”,IEEE j .固态电路32岁第6期(1997):829 - 36。