作者：Richard Dickinson 和 Andreas Friedrich，Allegro MicroSystems, LLC
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摘要
Allegro? 電流傳感器 IC 的特點(diǎn)是采用創(chuàng)新的封裝技術(shù)，將低電阻銅制主電流通路整合到封裝中。盡管這可以提高應(yīng)用在許多方面的性能，但是封裝問(wèn)題局限了電流水平的范圍。
此應(yīng)用注釋描述了數(shù)種提高可測(cè)量電流范圍的簡(jiǎn)單方法。這些方法涉及分割被感應(yīng)電流的路徑。描述設(shè)備和電路的各種選項(xiàng)。
介紹
在所有 Allegro 電流傳感器 IC 中，其核心元件是精確線性霍爾效應(yīng)—磁場(chǎng)感應(yīng)電路。標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)采用雙向電路（如圖 1 所示），允許電流雙向流動(dòng)。
(A) 較高電流應(yīng)用
(B) 較低電流應(yīng)用
圖 1. 電流分配器配置。Allegro 封裝主要導(dǎo)線端子可以直接連接到匯流條，適用于較高電流應(yīng)用。面板 A 顯示此配置，已使用 ACS75x-PSS 封裝選項(xiàng)。對(duì)于較低電流應(yīng)用，封裝可以連接到打印電路板導(dǎo)線。面板 B 顯示此配置，正在使用 ACS75x-PSS 封裝選項(xiàng)。在標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)中，電流可以雙向流動(dòng)。
電流形成的磁場(chǎng)能夠被集成霍爾 IC 感應(yīng)并轉(zhuǎn)化為成比例電壓。
通過(guò)將電流路徑靠近霍爾傳感器，實(shí)現(xiàn)器件精度優(yōu)化。將主要電流導(dǎo)線整合到封裝，良好地控制霍爾芯片相對(duì)于電流路徑的位置。但是，能夠通過(guò)封裝的電流量，IPrimary，最終受限于物理和熱條件。
為測(cè)量電流強(qiáng)度，大于最大 IPrimary 的 ITot，克服這些限制的簡(jiǎn)單方法是物理分割電流路徑，只測(cè)量總電流中受良好控制的部分。如圖 1 所示，通過(guò)在匯流條上刻凹痕，此概念可以應(yīng)用于較高電流應(yīng)用，以及通過(guò)使用 PCB（印刷電路板）導(dǎo)線或?qū)拥莫?dú)立分支，應(yīng)用于較低電流應(yīng)用。
此方法存在缺點(diǎn)。它會(huì)降低系統(tǒng)的電流分辨率，降低幅度等于分流比例。根據(jù)獨(dú)立電流子路徑的比例可以確定最優(yōu)的補(bǔ)償方案。請(qǐng)注意，校準(zhǔn)應(yīng)在器件已組裝到 PCB 的情況下在原位完成，以考慮焊點(diǎn)本身的任何額外電阻。
使用 ACS712 電流傳感器 IC 感應(yīng)部分電流
Allegro 設(shè)計(jì)的參考 PCB 將三分之一的應(yīng)用電流傳輸通過(guò) ACS712 器件。如圖 2 所示，PCB 傳導(dǎo)路徑是將電流分割成兩個(gè)獨(dú)立子路徑的導(dǎo)線：分流子路徑（導(dǎo)線寬度 3.0 mm）和傳感電流子路徑（寬度 5.0 mm）。圖 3 顯示所得的電流密度的模擬映射。
圖 2. ACS712 PCB 導(dǎo)線配置，適用于 1/3 ITot 測(cè)量。ACS712 安裝到 PCB 導(dǎo)線，與電流感應(yīng)子路徑串連（與通過(guò)器件的 IPrimary 一致）。
圖 3. 模擬電流密度，適用于 1/3 ITot 測(cè)量。使用 4-oz. 銅制導(dǎo)線在 45 A ITot 時(shí)采集數(shù)據(jù)。
當(dāng)參考 PCB 使用 4-oz. 銅制導(dǎo)線制造時(shí)，A 點(diǎn)到 B點(diǎn)之間的電阻小于 1 mΩ，功耗低于 2W。表 1 比較了使用 4-oz. 導(dǎo)線和使用 2-oz. 導(dǎo)線制造的參考 PCB 的計(jì)算電阻和功耗。
表 1. PCB 導(dǎo)線重量對(duì)通過(guò) 1/3 電流分配器的功耗的計(jì)算所得作用
|
|---|
導(dǎo)線重量
(oz. Cu.) | 在 45 A
(W) 時(shí)的功耗 | 整體電阻
(mΩ) |
|---|
4 | 1.14 | 0.56 |
2 | 1.94 | 0.96 |
由于制造和組裝誤差，各個(gè) PCB 上的感應(yīng)子路徑和分流子路徑之間的電流分割會(huì)有一些小差異。在應(yīng)用中如果必需補(bǔ)償這些差異才能滿足準(zhǔn)確性時(shí)，可以使用客戶可編程的 ACS712。這允許在電路板制造和組裝完成后校準(zhǔn) IC 的 mV/A 靈敏度。
但是，系統(tǒng)準(zhǔn)確性的漸進(jìn)改善必須能夠彌補(bǔ) IC 中潛在的小比例產(chǎn)量損失，如果某些 IC 在客戶場(chǎng)所沒(méi)有適當(dāng)編程，就可能會(huì)造成這種問(wèn)題。發(fā)貨后必須編程意味著我們不能在 Allegro 工廠對(duì)所有器件進(jìn)行最終測(cè)試。
用于分隔電流路徑以測(cè)量總電流中指定部分電流的導(dǎo)線布局尺寸可以使用以下等式計(jì)算（參考圖 4）。
給出：
ISens，測(cè)量的 ITot 部分 (A)
LSens1，感應(yīng)子路徑側(cè) 1 的長(zhǎng)度 (m)
LSens2，感應(yīng)子路徑側(cè) 2 的長(zhǎng)度 (m)
LShunt，分流子路徑的長(zhǎng)度 (m)
Ρc，銅導(dǎo)線材料的電阻率（典型）(Ω×m)
RPrimary，器件中主要電流通路的電阻（典型）( Ω )
T，導(dǎo)線的厚度（典型）(m)
WSens，感應(yīng)導(dǎo)線的寬度（兩側(cè)）(m)
圖 4. 計(jì)算導(dǎo)線尺寸時(shí)使用的符號(hào)
感應(yīng)電流子路徑的電阻率 RSens ( Ω ) 和分流路徑的電阻率 RShunt ( Ω )，通過(guò)電流分配器電路等式計(jì)算：
(1)
其中
(2)
和
(3)
當(dāng)計(jì)算感應(yīng)路徑的電阻時(shí)，必須包含 ACS712 中主要電流導(dǎo)線和引腳框的電阻 RPrimary。
使用感應(yīng)電流 ISens 與總電流 ITot 的給定比率，以及給定的感應(yīng)路徑寬度 WSens，可以計(jì)算分流導(dǎo)線路徑寬度 WShunt 要求的導(dǎo)線尺寸比率，如下：
(4)
例如，對(duì)于參考 PCB：
ISens= ITot / 3
LSens1= 8.5 mm
LSens2= 8.5 mm
LShunt= 18 mm
Ρc = 2.5 × 10–5 Ω × mm
RPrimary= 1.5 m
T = 0.14 mm; 4-oz. 銅制
WSens= 5 mm
然后
平均分割電流，分辨率更高
分配器配置的缺點(diǎn)是他們會(huì)降低電流感應(yīng)系統(tǒng)的分辨率。并聯(lián)使用兩個(gè) ACS712 器件，移動(dòng)電平和增加其輸出，減少分辨率損失。圖 5 顯示了樣本配置。
圖 5. 雙封裝解決方案，不降低分辨率。使用兩個(gè)有源 ACS712 封裝劃分 ITot。
圖 6 的示意圖顯示，電路壓縮各個(gè)器件輸出的輸出范圍，然后將他們加在一起。在輸出前，各個(gè) ACS712 的信號(hào)首先通過(guò)減法器子電路處理，增益為 0.5。此子電路可刪除來(lái)自 ACS712 輸出信號(hào)的典型的 2.5 V 偏移電壓。
圖 6. 用于合并輸出的建議電路。此電路使用兩個(gè) ACS7xx 器件執(zhí)行對(duì)稱劃分的電流路徑，分辨率更高。
當(dāng)采用如圖 5 所示的方位時(shí)，器件 A 和器件 B 有相對(duì)于電流方向相反的極性。其中一個(gè)器件輸出必須反向。通過(guò)使器件 A 的輸出反向，然后為最后的加法階段使用反向 op-amp，從而使整體輸出信號(hào)有正確的極性。
通過(guò)最后階段的單位增益，輸出信號(hào)將 ≈ 50 mV/A 的一部分傳輸通過(guò)并行 IC，獲得 0 至 30 A 測(cè)量范圍。此模擬如圖 7 所示，測(cè)試導(dǎo)線如圖 8 所示。
圖 7. 輸出的模擬。在用于合并輸出的建議電路（圖 6）中使用 ACS712 器件的結(jié)果。
圖 8. 應(yīng)用 ±30 A 模式到 IPrimary，增量為 6 A。器件 A 是綠色導(dǎo)線，器件 B 是紅色導(dǎo)線。最低（藍(lán)色）導(dǎo)線是用于合并兩個(gè) ACS712 輸出的接口電路的輸出。請(qǐng)注意，為清晰觀看，信號(hào)是在示波器上移動(dòng)的 DC 偏移。
分辨率將隨著兩個(gè)有源器件的噪音貢獻(xiàn)的相互疊加程度而改變。但是，憑經(jīng)驗(yàn)測(cè)量，所得的信噪比大約是使用單個(gè)帶不間斷電流分流路徑的 ACS712 時(shí)的 1.5 倍。如需更大的輸出信號(hào)范圍，可以改變電阻比例值 R8 / R7 以調(diào)整增益。
在分配器中使用 ACS758 測(cè)量高于 200 A 的電流
正如 ACS712 一樣，ACS758 的測(cè)量范圍受限于可以通過(guò)其集成主電流導(dǎo)線的電流量，該導(dǎo)線的電阻為 100 μΩ。而且，必須考慮其磁通聚集裝置的飽和點(diǎn)。
圖 9 顯示分割電流路徑的配置，在分流子路徑和包含 ACS758 的感應(yīng)子路徑之間平均劃分 300 A。使用 1-mm— 厚銅制匯流條，計(jì)算所得的從 A 點(diǎn)到 B 點(diǎn)電流分流器的電阻不足 100 μΩ。
圖 9. 較高電流解決方案。在 1-mm 厚銅制匯流條上串連 ACS758 器件以均等劃分 ITot。
圖 10. 模擬電流密度，適用于 1/2 ITot 測(cè)量。使用 4-oz. 銅制導(dǎo)線在 300 A ITot 時(shí)采集數(shù)據(jù)。
使用多層重量級(jí) PCB 導(dǎo)線可額外降低分流路徑裝置的功率。—PCB 的多層結(jié)構(gòu)允許進(jìn)一步分割電流。分配到分流子路徑的層與感應(yīng)電流子路徑的層之間的比率決定著電流的總分配。此配置如圖 11 所示，提供此類 PCB 的平面和橫截面視圖。
圖 11. 多層電路板的俯視圖和橫截面視圖。此方法使用 ACS758 PFF 封裝選項(xiàng)，按照層的特性分割電流，將 ITot 中的受控部分傳輸通過(guò)器件 A。
為調(diào)整電流分割中的某些差異，可以使用客戶可編程的 ACS758。這允許在 PCB 裝配完成后，對(duì)器件靈敏度進(jìn)行編程。
使用 ACS758 測(cè)量高達(dá) 300A 電流，而且分辨率更高。
為提高測(cè)量高于 200A 的總電流時(shí)的分辨率，可以并聯(lián)使用兩個(gè) ACS758 器件，以準(zhǔn)確分割電流。輸出需移動(dòng)電平和加在一起。此配置如圖 12 所示。可以考慮用于測(cè)量高達(dá) 300A ITot。為匹配 300A 的完整范圍，Allegro 建議使用 ACS758xCB-150。
各個(gè) ACS758 的輸出首先通過(guò)減法器子電路處理，增益為 0.5。此子電路可刪除來(lái)自 ACS758 輸出的典型的 2.5V 偏移電壓。壓縮各個(gè)輸出信號(hào)的輸出范圍并把他們加起來(lái)的電路與圖 6 示意圖所示的電路相同。
當(dāng)采用如圖 12 所示的方位時(shí)，器件 A 和器件 B 有相對(duì)于電流方向相反的極性。其中一個(gè)器件輸出必須反向。通過(guò)使器件 A 的輸出反向，然后為最后的加法階段使用反向 op-amp，從而使整體輸出信號(hào)有正確的極性。
圖 12. 較高電流解決方案。串聯(lián) ACS758 器件以平均分割 ITot。
圖 13. 模擬電流密度，適用于 1/2 ITot 測(cè)量。使用 4-oz. 銅制導(dǎo)線在 300 A ITot 時(shí)采集數(shù)據(jù)。
通過(guò)最后階段的單位增益，其結(jié)果是輸出信號(hào)將每安培 ≈ 6.67 mV/A 的一部分傳輸通過(guò)并行器件，獲得 0 至 ±300 A 測(cè)量范圍。此模擬如圖 14 所示。
圖 14. 輸出的模擬。在用于合并輸出的建議電路（圖 6）中使用 ACS758xCB-150 器件的結(jié)果。
所得的信噪比幾乎是使用單個(gè)帶不間斷分流路徑的 ACS758 時(shí)的 1.5 倍。如需更大的輸出信號(hào)范圍，可以改變電阻比例值 R8 / R7 以調(diào)整增益。
盡管此案例中使用的是 ACS758xCB-150，但是通過(guò)使用兩個(gè) ACS758-200 器件，與此相同的配置和接口電路可以測(cè)量最高 400A 電流。在所有配置中，必須注意安全匹配匯流條尺寸和散熱能力與工作電流電平。
總結(jié)
通過(guò)仔細(xì)設(shè)計(jì)分割電流路徑，和在需要時(shí)在裝配完成后對(duì)器件靈敏度進(jìn)行編程，Allegro ACS7xx 系列器件可測(cè)量更大的電流范圍。如需有關(guān)分割電流路徑設(shè)計(jì)的更多幫助，請(qǐng)聯(lián)系您當(dāng)?shù)氐?Allegro 銷售辦公室和咨詢現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師。
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