表面贴装电流传感器 IC 的直流与瞬态电流能力/熔断特性

表面贴装电流传感器 IC 的直流与瞬态电流能力/熔断特性

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作者:Alex Latham 与 Scott Milne,
Allegro MicroSystems, LLC

简介

Allegro MicroSystems LLC 提供了品类齐全的采用集成导体的电流传感器 IC 产品系列。这些产品可用于在各种应用中测量电流,这些应用包括电机控制、逆变器、负载检测与管理,以及过电流故障监测。对于正常工作电流最大达 50 A 的应用,Allegro 提供了许多采用标准表面贴装型封装的电流传感器 IC,例如 SOIC-8、SOICW-16、QSOP-24 和 QFN1。由于采用了集成导体,所以这些传感器 IC 需要与它们测量的电流串联。集成导体的电阻极低(1.2 mΩ 或更小,具体取决于封装类型),因此它们在正常工作温度下,只会产生极少的热量。但是与电流路径内的所有组件一样,当电流强度超过额定电流值(由于短路、冲击电流或其他瞬态条件造成)时,理解这些组件的运行方式很重要。

图 1

图 1:传感器 IC 对比

进行的测试与结果限制

本次研究的重点是 Allegro 提供的基于 SOIC-8、SOICW-16 和 QFN 封装的电流传感器 IC。必须注意的是,这些封装的内部结构会因产品的不同而各异,即使它们使用的是同类的 SOIC-8 或 SOICW-16 封装。特别是下表显示的封装和相关的测试产品。

封装 导体 产品
SOIC-8 LC1: 1.2 mΩ ACS711KLC
ACS712
ACS713
ACS714
ACS715
ACS724LLC
ACS725LLC
ACS730KLC
LC2: 0.65 mΩ ACS722LLC
ACS723LLC
SOICW-16 LA: 1 mΩ ACS710
ACS716
MA: 0.85 mΩ ACS717
ACS718
ACS722KMA
ACS723KMA
ACS724KMA
ACS725KMA

除非另有说明,否则本文提供的所有数据都是在室温条件下的产品上收集的,这些产品都焊接在 Allegro2研发的产品专用演示板上。散热特性,特别是中等电流 (<150 A) 下的散热特性会因用于电流传感器 IC 附近的大电流轨迹的 PCB 布局的不同而变化。其他因素,例如 PCBA 是否采用保形涂层封装(即是否“密封”),以及 放置 PCBA 的外壳都会影响系统的热特性。本次研究的目的是对比以上列出的产品系列的相对性能,并说明每种封装能经受的电流强度和耐受时间。应在要使用这些部件的具体应用环境下,对它们承载大电流的能力进行验证。

测试结果

大电流脉冲行为(熔断特性)

当 Allegro 的集成导体电流传感器暴露在大电流中时,可能出现两种不同的故障模式。根据通过导体的电流的量级和持续时间,可能出现下列一种或两种故障模式:

  1. 热暴露可能损坏模具,当模温超过 165°C 时,可能出现这种情况。
  2. 一次导体将作为熔丝装置。

图 2 显示了 LC1 封装(ACS712/3/4/5 与 ACS724/5 器件)的此类故障模式的时间与电流的对比曲线。蓝色曲线代表导体熔断经历的时间,黑色曲线代表模具达到 165°C 时经历的时间。在中等电流下 (<150 A),这些传感器 IC 会在熔断前超温,这说明 PCB 布局和应用组件都可能对此类电流强度下的失效时间产生重要影响,因为它们可能促进或阻碍传感器 IC 的散热。在更大的瞬态电流 (>150 A) 下,传感器 IC 会在模具超温前熔断。这些故障情况下的熔断时间在很大程度上取决于集成导体的尺寸和外形,并且在不同应用环境下很少变化。最后,必须始终处于安全工作区内,即熔断曲线和超温曲线的下部区域,图 3 显示了测试的每种封装的安全工作区。

图 2

图 2:LC1 (SOIC-8) 封装类型的熔断与超温时间和电流的对比

除了故障点以外,当传感器 IC 熔断时的故障行为也很重要。通常,当集成导体熔断时,导体最薄的部分会解体,封装可能断裂。在进行的所有试验中,当器件在超温前熔断时,故障不会在器件的一次和二次导体之间造成短路。但如果封装已损坏,器件的隔离电压就会受到影响。

图 3

图 3:安全工作区 - 模温达到 165°C 或熔断(以先出现的为准)所需的时间与电流的对比。

还要注意的是,如果封装在熔断前超温,就更容易出现熔断故障。这类故障在图 2 中的淡灰色区域(超过安全工作区)发生,那里是封装熔断前出现超温的区域。在此类情况下,由于存在大量的热量,所以系统会更积极地响应在这些条件下出现的超温故障。图 4 显示了测试的每种封装的熔断时间。但必须指出的是,只能在图 2 和图 3 显示的安全工作区内操作部件。

图 4

图 4:熔断时间 - 一次导体熔断所需的时间与电流的对比。

直流电流能力

与各种量级和持续时间的大电流脉冲的响应差异相似, IC 的相同物理特性、PCB 布局和应用组件将影响器件经受持续电流和将模温保持在 165°C 以下的能力。影响部件安全承载持续大电流能力的另一个因素是环境温度。图 5 显示了测试的每种封装的模具升温与直流电流的对比。这可以增加到环境温度中,以确定模具的绝对温度,从而可以确定,在规定的环境温度下,模具超过最高绝对温度 165°C 之前的最大容许电流。例如,如果环境温度是 45°C,通过 ACS723LLC(LC2 封装)的连续电流是 50 A,封装内部的预计模温会达到 115°C 的稳态值(45°C 环境温度 + 70°C 升温)。

图 5

图 5:每种封装类型的模具升温与电流的对比


1对于电流强度 >50 A 的应用,请参阅50 - 200 A 集成导体传感器 IC 了解更多信息。

2网站中每种传感器的常见问题部分提供了演示板 Gerber 文件。