高级霍尔效应线性电流传感器 IC 能在混合动力汽车和其他大电流传感应用中进行高带宽感应。
作者：By Shaun Milano，
Allegro MicroSystems, LLC
摘要
已研发出来的新型霍尔效应线性电流传感器 IC 能有效满足混合动力汽车 (HEV) 逆变器电流传感应用的精度与带宽要求。该器件不仅采用了专有 SIP 封装，它还采用了下一代斩波稳定信号调节与滤波电路，它们能共同提供带宽最大 120 kHz 的低噪声模拟输出信号。通过采用专有、分段的线性温度补偿功能，以稳定整个操作温度范围内的零场偏移和输出灵敏度，同时不影响高带宽信号路径，能达到行业领先的精度水平。该器件适用于所有采用铁芯外形（要求高频运行）的电流传感应用。本文以混合动力汽车的逆变器应用为例。
简介
典型 HEV 逆变器中的全桥式驱动器能将直流电池电压转换为 3-相交流电压，以驱动与传动系连接的交流电机（参阅图 1）。
图 1：典型逆变电路应用
测量逆变器的相电流后，可使用测量结果控制脉宽调制 (PWM) 逆变器开关（通常为 IGBT）。逆变器控制回路需要具有高精度的高带宽电流传感器 IC，以最大限度提高电机扭矩和电机的总效率。响应时间快的高侧电流传感器 IC 还能启用使电流保护功能。Allegro™ A1366 霍尔效应线性传感器 IC 能满足 HEV 逆变器应用的高带宽和高精度要求。在此类应用中，通常会将霍尔效应线性传感器 IC 放在“C”型铁磁芯的间隙，铁磁芯会围绕电机内的每个逆变器相导体（参阅图 2）。当电流通过相导体时，铁磁芯会通过单列直插式封装 (SIP) 集中产生的磁场。
图 2：A1366 电流传感配置
Allegro 的专有设计特征使 A1366 成为能在混合动力汽车逆变器、大电流电机控制或其他高频大电流应用中使用的理想传感器 IC。这些特征包括特殊封装、高级斩波和滤波技术，以及数字温度补偿算法。这些创新技术能使行业领先、精度高、带宽可达 120 kHz 的霍尔效应线性传感器 IC 在混合动力汽车的电流传感器应用中发挥出色的性能。
本文件将重点介绍下一代封装，IC 设计创新，以及它们对传感器 IC 性能的应用。它还包括有关铁芯设计的简要应用说明。
功能说明
模拟信号路径与带宽
图 3 显示了 A1366 霍尔效应线性传感器 IC 的简化方框图。从中能清楚看到传感器的模拟信号路径。模拟输出信号与电源电压成正比，当施加磁场为零时，它通常为 VCC/2 。输出会以正向或负向偏离 VCC/2，具体取决于施加磁场的极性，或图 2 中的铁芯外形中的电流方向。
图 3：A1366 方框图
霍尔元件传感器产生必须以高增益放大的小信号。由于环境温度不断变化，所以高增益放大很难产生稳定的输出信号。A1366 的放大器设计采用了 BiCMOS 工艺，它将精确的放大器设计与数字电路融为一体。增加的数字电路用于在 Allegro 进行出厂编程。在操作温度范围内能调节增益与偏移。此外，霍尔元件与放大级均为稳定斩波型，以最大限度减少温度的失调漂移。Allegro 还研发出专有的斩波稳定与陷波滤波技术，尽管霍尔效应线性传感器 IC 需要大信号增益，但它仍能产生低噪声输出。实际上，降噪技术的划时代进步已远远超过一个数量级。A1366 是 Allegro 制造的带宽最高、模拟输出分辨率最高的传感器。在 120 kHz 的全带宽条件下的六标准差峰-峰噪声约为 6 mV。
A1366 的模拟输出响应时间少于 4 μs，这快到足以防止 IGBT 器件出现过电流或短路故障。在低频应用中，可对输出进行过滤，以降低输出噪声，并提高分辨率。高带宽不仅能通过模拟信号路径设计实现，还能利用单列直插式封装 (SIP)，即 KT 封装的形式实现。
封装
由于霍尔传感器后面有大量的铜引脚框，所以一般的 SIP 封装会限制带宽。这块金属垫允许在快速 dɸ/dt 事件中形成涡电流。涡电流能在引脚框上产生反向磁场。这些磁场能减慢系统的响应速度，并能在霍尔效应线性传感器 IC 的输出中体现。Allegro KT 封装直接取消了霍尔元件后面的引脚框材料，从而消除了霍尔元件区域的涡电流。不更改 KT 封装，就无法实现高带宽运行。Allegro 专有封装非常有效，与在标准封装内使用的相同 IC 相比，它能使 KT 封装内的 A1366 的运行带宽提高 3 - 4X。
在 8 引脚 TSSOP 封装内也能实现相同的封装技术改进，它主要用于客户采用机械设计（要求表面贴装焊接）的应用。
数字温度补偿
为提高在电流传感器中使用的霍尔效应线性传感器 IC 的总精度，许多供应商已采用完整的数字信号路径。数字滤波和信号调节的缺点是信号带宽的损失，因为数字信号处理和信号调节会使传感器带宽降低 1 - 3 kHz 范围，这会严重减慢它们的响应速度，所以无法在 HEV 逆变器中使用。Allegro 采用最新的数字补偿方案解决了这一问题。
通过增加包括 EEPROM 技术在内的专有数字温度补偿算法，A1366 的精度得以显著提高。它在 5 个边界之间采用了分段线性温度补偿，从而能在不牺牲信号带宽的条件下，大幅减少模拟信号路径的本地漂移。图 4 显示了该技术。利用该算法能同时调节静态电压输出 (QVO) 和灵敏度。虚线显示了 QVO 或灵敏度的本地漂移。虚线显示了在边界之间增加的线性补偿，实线显示了由此产生的传感器输出行为。
图 4：温度补偿算法的结果
A1366 具有一个能确定相邻边界的板载温度传感器。数字控制引擎采用了适当的补偿。
与测量的电流相比，温度变化非常缓慢，因此补偿方案能在背景中运行，并能在必要时连续调节 QVO 和灵敏度。这样就能保持 120 kHz 的传感器模拟信号路径，并优化器件的精度。
Allegro 制造集团通过温度范围测试器件，并将 QVO 和灵敏度的温度补偿系数编入 EEPROM，这样客户就不必对成品传感器组件进行温度测试了。
在 Allegro 工厂还对 A1366 QVO 和灵敏度的绝对值进行编程。灵敏度的标准值包括 1、2.5、5 和 10 mV/G。器件的零场输出电压 QVO 已编程为 2.500 V。Allegro 还提供了客户可编程的器件，即 A1363，它适用于需要在最终应用中为器件编程的客户。A1363 允许对灵敏度和 QVO 的绝对值进行编程控制，当线路测试结束时，客户可在 25ºC 条件下，将它们编入 EEPROM。
磁芯设计
如上所述，A1366 霍尔效应线性传感器 IC 适合在混合动力汽车应用中，与采用通孔外形（如图 2 所示）的铁磁芯一起使用。磁芯材料的选择取决于下列各项之间的权衡：
- 信号偏移后的残留磁性；
- 频率响应；
- 施加磁场与施加电流的线性对比。
最常用的选项是叠片钢芯。它不仅极具成本效益，而且能最大限度减少涡电流，因而能提供出色的频率响应。叠片铁芯的磁滞在大部分应用中通常可接受。
铁磁芯的横截面积取决于在一次导体中感应的最大电流量。它还在很大程度上取决于材料的选择。必须小心确保材料不会在高温下饱和，并产生非线性响应。Allegro 可为需要设计铁芯和选择材料的客户提供应用支持。
A1366 的精度
与现有的霍尔效应线性传感器 IC 相比，A1366 的 QVO 和灵敏度的高度可编程性，以及分段线性温度补偿改进，可使其性能提升 3X - 4X。
灵敏度与 QVO
A1366 融合了本文描述的技术结果，因而能产生一种高带宽的霍尔效应线性传感器 IC，它在开环传感器中提供了近似闭环的精确性能。请参阅图 5 和图 6 中显示 QVO 和灵敏度与温度对比的曲线图。曲线图显示了在小于 ±1% 的温度范围内典型的 ±3 标准差的灵敏度漂移，以及在 –40ºC - 150ºC 的操作温度范围内，±3 标准差的 QVO 分布（±6 mV）。
图 5：QVO 与温度的对比
图 6：灵敏度与温度的对比
总结
Allegro A1366 霍尔效应线性传感器 IC 特别适合在高精度和高带宽应用环境下使用，例如在 HEV 逆变器中使用。封装改进、斩波稳定放大器、先进的滤波技术和创新的数字温度补偿电路在开环电流传感器系统中，共同为传感器 IC 提供了近似闭环的精确性能。曾经在低带宽霍尔效应线性传感器 IC 中无法实现的低误差水平，如今已能在广泛的操作温度范围内（汽车业），以最高 120 kHz 的带宽实现。
文章于 2015 年 2 月在《Hanser Automotive》发表转载需经许可。