采用微型封装的线性传感器 IC

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只有 0.6 mΩ 的主导体电阻可减少功耗

作者 Shaun Milano
Allegro MicroSystems, LLC

ACS711 线性传感器 IC 固定在尺寸只有 3 mm × 3 mm 的 0.75 mm 厚的扁平封装内!它专门用于需要 5 A - 30 A 连续电流感应的低侧和 100 V 以下的检测应用。

传统上,采用检测电阻或电流互感器进行电流检测时,会占用大量的 PCB 空间。因为阻值在 0 to 50 mΩ之间的检测电阻会以较高的电流产生大量功耗,这不仅会降低系统的整体效率,而且电流互感器还会消耗大量的 PCB 基板面。已成功应用的霍尔效应传感器 IC 不仅能以非接触的方法测量导体内的电流,还能提供与导体内流动的电流成比例的电压信号。

Allegro™ MicroSystems, LLC 推出的新型传感器 IC ACS711(图 1 和图 2)利用名副其实的 3 mm × 3 mm 的微型封装和只有 0.6 mΩ的导体电阻,有效解决了尺寸问题,与典型的检测电阻运放解决方案相比,它能减少一个数量级的功耗。全集成的传感器 IC 允许在 Allegro 的工厂进行编程,以提供更精确的解决方案,它们不仅具有封装尺寸小的优势,还能通过减少载流导体内的功耗,有效提供系统效率。

图 1

图 1.与
10 美分硬币对比的 ACS711 QFN 封装尺寸

图 2

图 2.具有 QFN 结构的 ACS711 器件:红色是 IC
芯片,红色是霍尔元件,绿色代表磁通量,
蓝色是感应电流通路

封装

只有一匝线圈且无磁芯的霍尔传感器 IC 不会产生强磁场,所以将霍尔传感元件放在感应电流附近是一种非常有效的方法。导体周围的磁通量只有 100 高斯 (10 mT) 或更低,这会随着霍尔元件与导体的距离增大而迅速减小。

为优化工作性能,ACS711 传感器采用了 Allegro 已获专利的倒装芯片磁场传感技术,如图 2 所示。倒装芯片允许将硅片表面的传感器 IC 的作用区(如图 2 中的红方形所示)放在主导体附近。这能极大地提高信号耦合的效率。

采用经典的倒装芯片技术不仅能连接信号电路,还能确保芯片位于引线框架上的电流导体的上方。采用已获专利的暴露电流环设计,可将原电流通路引至霍尔元件,并将终端直接焊接在 PCB 走线上。与导体的磁耦合如此紧密,能最大限度提高信号灵敏度,传感器可产生 90 mV/A 和 45 mV/A,以感应 15 A 和 31 A 的满量程电流,而传感器 IC 只需 3.3 V 的电源。

倒装芯片技术还允许使用塑料模压复合物,填充主载流导体与芯片表面/信号线之间的微小空隙,以提供电流隔离功能。由于该传感器的外形尺寸很小,所以封装只会隔离低于电源线电压的电源电压。ACS711 已针对< 100 V 的低压电路进行了优化,例如:48 V 太阳能电路、通信装置、消费性电子产品和语音应用。在成品内组装时,该传感器还能节约成本,而且它非常适合在家用和商用白色家电中进行低端电流检测,此外,它还配备了通用电动驱动器。

虽然尺寸小巧,但 ACS711 能感应 QFN 封装内最大 ±31 A 的强电流。当电流范围增大时,检测电阻的功耗会增加,在 IC 封装内传导如此强的电流,已成为一种传统的应用限制。QFN 封装的安装面具有两个大焊盘,而且精心设计了主感应电流传导回路的外形,从而有效解决了这一问题。该设计在封装内使用了大量铜线,以形成感应电流回路,而无需打线。QFN 内的主导体电阻只有 0.6 mΩ,这一数量级比在低端检测配置中采用的大部分检测电阻的要小得多。这就显著减少了功耗,30 A 时的典型功耗只有 0.54 W,15 A 时只有 0.135 W。这不仅能提高系统的整体效率,而且还能在电流增加时,使传感器保持冷却。如果客户想在特定应用中使用引脚封装,也可选择在 ACS711 产品中使用同类的 SOIC-8 小外形封装。请访问 Allegro 公司的网站 www.allegromicro.com,了解目前可用的线性电流感应范围。

焊接特性与热特性

虽然功耗减小,但与相对较小的 3 mm2 QFN 封装固有的热变电阻相比,还需要进一步减小针对外部环境的热变电阻。如果设计得当的话,在印刷电路板 (PCB) 上使用较宽的强电流铜引线,就足以使传感器冷却。图 3 显示了具体实例,Allegro 可提供在 ACS711 原型板上的布线方法。注意,两个 4.5 mm 宽的大焊盘区只比极小的 QFN 封装的轮廓略大一点。在该原型板上,覆盖了两层 4 oz. 厚的铜,它们由热通孔连接(在 QFN 封装中,必要时,可将热通孔填满或清除),以提高热性能。必要时可将 QFN 封装中的热通孔填满或清除,因为有些客户发现在生产环境中很难做到这一点。Allegro 还可为您提供有关 PCB 安装的具体设计规范和准则。

图 3

图 3.用于 QFN 传感器 IC 的 PCB 布线(Allegro
原型板 85-0528)

使用图 3 中的 Allegro PCB,可在各种感应电流强度下测量温度。图 4 显示了测量结果。曲线图显示了在 85°C 的环境温度下,传感器 IC 封装能经受 45 A 的连续电流,然后才达到建议的最大结点(芯片)温度 165°C。只要 PCB 的设计正确,该器件就能在 85°C 的环境温度下,在 30 A 的连续电流应用中安全使用,并保持大约 50°C 的安全系数,然后达到 165°C 的芯片温度。

图 4

图 4.安装在 PCB 上的 QFN 封装的热性能

器件特征、故障输出和精度

电压信号取决于电流的流动方向,以确保测量 AC 和 DC 双向电流的流动。在零电流条件下,输出电压信号只有电源电压的一半。

ACS711 传感器 IC 还集成了工厂编程的快速数字故障响应输出,响应时间只有 1.3 μs。其设定值为传感器 IC 最大额定电流的 100%。在出现短路或过流故障时,这种快速故障信号可防止 IGBT 或其他开关装置损坏,它还能在电机控制应用中检测冗余故障。

采用运算放大器的检测电阻的另一个固有缺点是,其测量精度会随温度的变化而降低,因此检测电阻的阻值会变化。霍尔效应传感器 IC 不易受这种误差的影响,因为由导体内的电流流动产生的磁场不会受温度变化的影响。通过采用先进的 Bi-CMOS 工艺和内置斩波电路,以补偿霍尔元件的偏置电压变化,Allegro ACS711 能为封装提供额外的热应力保护。ACS711 传感器 IC 的全集成架构允许在 Allegro 的生产线终端测试中进行调节编程,以进一步减少增益与偏置误差,并提供更精确的检测解决方案。

总结

Allegro 已获专利的适用于线性霍尔 IC 的先进倒装芯片封装技术,能确保制造 3 mm × 3 mm 的全集成微型传感器 Allegro MicroSystems ACS711,它在能真正散热的封装内产生的内电阻只有 0.6 mΩ。通过正确的 PCB 设计,该器件可用于连续电流超过 30 A 的应用中,而且与现有的检测电阻解决方案相比,它能使功率损坏减少一个数量级。

工厂编程为该 IC 提供了高精确度和集成快速故障响应输出。这些技术在不降低精确度的前提下,可为您的应用提供尺寸最小的电流检测解决方案。

图 5

图 5.ACS711 的典型应用电路



参考在《Bodo’s Power Systems®》杂志上刊登的文章(第 36-38 页)。得到使用许可。不属出版商版权保护范围的版权©2013 归 Allegro MicroSystems, LLC 所有。

本文中所含的信息不构成 Allegro 就本文主题而对客户做出的任何表示、担保、确保、保证或诱导。本文所提供的信息并不保证基于此信息的流程的可靠性,亦不保证 Allegro 已探究了所有可能出现的故障模式。客户’负责对最终产品进行充分的合格性测试,确保产品可靠且符合所有设计要求。

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