霍尔效应电流传感器技术的近期发展趋势
作者：John Cummings、Michael C. Doogue、Andreas P. Friedrich
摘要
本论文阐述了基于集成霍尔效应技术的–电流传感器 IC 的近期技术进展。文章涵盖将一次电流路径集成到系统的各种封装概念、IC 参数的主要改进，并介绍了若干典型应用电路实例，包括不间断电源 (UPS)、逆变器和电池监测。
介绍
过去十年中，工业、汽车、商业和通信系统对低成本、精确、小尺寸电流传感器解决方案的需求增长迅速。将电流转换为比例关系的电压的可用技术有很多。霍尔效应的磁检测器的优势是，电压与电流路径分离，并且霍尔元件与接口电子元件集成到一个单硅芯片上。[1] 新设计理念和系统使用 BiCMOS 技术进一步提高了 IC 性能。凭借这些优势，再加上支持集成其他功能（如在相同电流传感器 IC 加入电源保护功能），促进了全新产品的诞生与发展。本文涵盖了 Allegro ™ACS 电流传感器 IC 系列的基本封装和 IC 设计概念，并探讨了一些近期趋势，这些趋势支持 Allegro 开发其下一代完全集成的低成本电流传感器设备。
封装概念
Allegro 电流传感器 IC 设备的特点是将单片线性霍尔 IC 和低电阻一次电流传导路径集成到单个 模压封装中。霍尔传感器紧密逼近并相对于铜导体保持精确定位，从而可以优化设备精度。低功耗和高电压隔离是此封装概念固有的特点。封装电流测量系统的最终尺寸、形状和其他组件取决于要测量的一次电流的幅值。本节详细介绍了用于不同电流测量范围的创新封装技术。
电流最高为 20 A
对于最高为 ±20 A 的小额定电流，霍尔晶片和一次电流路径均封装在标准尺寸的 SOIC8 表面封装中，如图 1 和图 3 所示。这是一个紧凑、小尺寸的解决方案，并兼容高容量自动化板载组件技术。使用倒装晶片技术使霍尔效应器件的工作面与正被传感的电流所产生的磁场之间实现最优磁耦合。因此不需要磁通集中器。用于电流检测的铜制路径内阻通常是 1.5 mΩ，功率耗损很小。电源端子与低电压信号 I/O 引脚之间具有电气隔离。IC 和封装经过仔细设计，可以进一步提高设备的电压隔离，一次电流路径与信号侧之间的典型直流隔离电压为 5 kV，最小均方根隔离电压为 1.6 kV，典型电压为 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 封装的内部结构，显示一次导体（铜，左侧）、磁通集中器（红色）和线性单列直插式霍尔 ic（黑色）以及信号引脚（铜，右侧）。
图 3.±20 A（LC 封装）和±200 A（CB 封装）电流传感器 IC 的照片，并显示与之比较的硬币。
电流高达 200 A
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 100 µΩ，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 A 电流传感器的内部结构，图 3 显示了此类和 ±20 A 封装类型的照片。
大于 200 A 的电流
如果要测量的电流高于 200 A，可以在分流器配置中使用 IC。[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.电流等分分流，以提高分辨率。可以将两个设备的输出合并，以获得正比于要感测总电流的线性输出。
IC 设计
本节详细介绍基本的芯片架构和最重要的 IC 参数。
方框图 设备的中心元件是精确、低偏移的硅霍尔 IC。图 6 中展示了一个方框图。一次电流产生的磁通会影响霍尔元件。BiCMOS 稳定斩波电路用于在其工作温度范围内减少信号偏移量，并稳定 IC 输出。[3] 片上电子设备产生的模拟电压与输入电流成正比。
图 6.电路的方框图。
输出呈比例关系，即偏移和灵敏度与 VCC 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。IC 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 型的主要特点虽然 SOIC8 设备设计工作电流为 ±20 A，但能承受高达 100 A 的大瞬态电流。确定器件过流能力的限制因素是 IC 的结温（TJ(max)，该值是 165°C）——由应用中印制电路板 (PCB) 的热设计所决定。
主要特点和优点总结如下：
- 交流和直流电流测量
- 1.5 mΩ 内部导体电阻
- 1600 VRMS（最小）隔离电压
- 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 型主要特点 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：
- 交流和直流电流测量
- 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 kHz 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）
- 小型封装尺寸，安装简便
- 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流传感解决方案迎面临新的挑战。虽然前面的段落中提出的解决方案已经涵盖各种客户的大量要求，但总的趋势显然是实现低成本、高精度、小尺寸,并具有新增功能的系统。本节介绍了 Allegro 为解决这些需求而开发的两种创新设备。
增强 IC 性能为进一步提高 ±20 A 扁平型 SOIC8 特性，Allegro 开发出第三代产品，其重点是减小噪声和总输出误差。芯片设计采用了 Allegro 最新的低噪声 0.65 µm BiCMOS 工艺 (DABIC6)。在封装之后，可使用共 23 个编程位来优化下列 IC 参数：
- 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，IP = ±20 A 时的总输出误差由 ±8.4% 降至 ±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 IC 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 A 时的峰-峰电流噪声水平，如下表所示：
| 过滤器引脚 外部电容器 (nF) | 带宽 (kHz) | 峰-峰值 噪声 （毫伏（典型值）） |
|---|---|---|
| 1 | 50 | 40 |
| 4.7 | 20 | 24 |
| 47 | 2 | 10 |
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 IC，此 IC 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 1.5 mΩ 铜导体和霍尔效应元件，以精确测量最高为 30 A 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 A 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 IC 配有集成热插拔门极驱动器以及基于 1.5 Ω 霍尔效应 的内部元件。
应用实例
本节提供了两个应用实例，其中 ACS 设备支持最优电流传感解决方案。
电池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。
电流测量精度对于确保容量监测算法法行之有效至关重要。测量此电流的传统方法是在接地路径或者低侧接入分流回路。这种方法的关键问题是，为尽量减少 I2R 损失，分流的电流值必须很小。使用此方法，必须接受较低的电流测量精度。这对于笔记本电脑应用而言，在挂起、休眠，或其他低功耗状态下，电池很难准确监测流入系统的电流。
如果电池使用 10 mΩ 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 A，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。
将霍尔效应器件作为电池组的分流器解决方案，可以降低电池组的功率耗散。使用霍尔效应器件的优点很明显：设备的插入损耗较小。在 SOIC8 封装中，ACS712 引线框架插入损耗仅为 1.5 mΩ。图 8 展示了一系列负载电流下的功耗差别。
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.霍尔效应解决方案与20 mΩ 分流解决方案的输出电压对比。
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。
在电池系统中使用霍尔效应器件有助于减少分流传感解决方案所要求的 PCB 面积，并实现高侧传感，而高侧传感不会中断接地路径。利用霍尔效应器件的两个主要收益是，在更大的电流范围提高电流测量精度，并通过显著降低分流器的 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。
为高负载逆变器供电时，霍尔效应 IC 的最佳布置位置是线电压本身所在位置，这样可以直接监测负载电流。其原因是线电流可能高达 15 到 20 ARMS，而电池源电流可能超过 50 至 60 A，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
- R.S.Popovic,《霍尔效应器件》（第二版） IoP Publishing Ltd., 2004 年。
- R. Dickinson 和 A. P. Friedrich，《为扩大测量范围在分流器配置中使用 Allegro 电流传感器》，Allegro MicroSystems, LLC , 应用注释 AN295036，2005 年 4 月。
- A. Bilotti, G. Monreal 和 R. Vig，《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，第6期 (1997):829-36.