具有 50 至 200 A 测量能力的直流传感器 IC 的直流载流能力和熔断特性

具有 50 至 200 A 测量能力的直流传感器 IC 的直流载流能力和熔断特性

作者:Evan Shorman、Caleb Mattson 和 Shaun Milano,Allegro MicroSystems, LLC

下载 PDF 版

 

前言

Allegro MicroSystems LLC 提供了各种电流传感器 IC 解决方案,主要分为两大类:IC 具有集成带电导体和设计配合外部磁芯使用的 IC。在具有集成带电导体的电流传感器 IC 中,有两个封装可以用于测量 50 至 200 A 的电流[1]: LR 和 CB。由于采用了集成带电导体,所以这些 IC 需要与测量的电流串联。为了降低集成导体的功耗,导体的电阻极低(LR 封装的电阻为 200 μΩ,CB 封装的电阻为 100 μΩ)。需要了解这些 IC 在发生直流电流、短路、浪涌电流或其他故障情况下的热性能。设计师们可以通过这种方式设计 PCB 布局和保护功能,以优化电流传感器的性能和了解应用中的边界条件。

 

背景

CB 封装(图 1)和 LR 封装(图 2)都会在本应用说明中进行评估。多种器件都可以以这种封装提供,如表 1 所示,也可以到 Allegro 网站查找(点击下面的器件编号获取更多信息)。

表 1:器件和封装

封装
器件
LR  ACS780
 ACS781
CB   ACS758
 ACS759
 ACS770
 
 
图 1:CB 封装
图 1:CB 封装
 
 
图 2:LR 封装
图 2:LR 封装

 

执行的测试

Allegro 电流传感器 IC 的热性能经过了两种测试:高电流瞬时脉冲测试和直流恒流测试。在第一项测试中,封装承载设定大小的电流脉冲,时间在两个边界条件下测量:晶片温度超过最高结温 (165°C) 的时间,以及熔断电流导体的时间。在第二项测试中,封装承载恒定直流,并记录稳态晶体温升。

注意,测试取决于印刷电路板的设计。在本应用说明中执行的所有测试中,器件焊接到标准 Allegro 评估电路板上 [2](图 3 和图 4)。电路板的散热属性会因为 PCB 布局以及附近其他器件的影响而发生很大变化。在电流小于 150 A 时,这种情况尤为明显。这些测试的目的是为测试器件的热性能提供一般指南。每种封装的热性能还会在将要使用的特定应用中进行验证。通过遵循下述几个基本的布局指南就可以获得 Allegro 演示电路板的热性能。

图 3:LR 评估电路板
图 3:LR 评估电路板

图 4:CB 评估电路板
图 4:CB 评估电路板

 

热性能测试布局指南

在对 Allegro 电流传感器 IC 进行 PCB 布局设计时,有几个关键元素有助于提升热性能。其中包括:在焊垫区位置周围设置秘密集的热通孔,在电流路径正下方设置多层金属以加快散热,还可以在尽量靠近器件的位置设置散热元件
(参考图 5)。使用的评估电路板为 8 层电路板,通常每层为 2 盎司铜。通常不需要层重超过 2 盎司,因为 PCB 的布局设计非常精密,已经考虑到热性能。

图 5:PCB 布局实例 – LR 封装
图 5:PCB布局实例 – LR 封装


高电流脉冲测试

LR 和 CB 封装高电流脉冲测试会在多个峰值电流水平下进行。所有数据都在 25 °C 环境温度下获得。图 6 中仅显示了 LR 封装的测试结果,因为实验室设备的最大电流承载能力仅为 700 A,不足以熔断 CB 封装。

参考图 6,绿色区为安全工作区(这表示没有超过最高结温)。橙色区显示的是已经超过最高结温的区域,但是电流导体尚未熔断。LR 封装高电流脉冲测试结果表明,在电流达到 300 A 时,超过最高结温需要 2 秒以上的时间。在 675 A 电流条件下,熔断点和超过最高结温的时间点几乎同时发生,间隔大约为 100 ms。

图 6:LR 封装 - 熔断和过温时间与施加的直流电流之间的函数
图 6:LR 封装 - 熔断和过温时间与施加的直流电流之间的函数

直流载流能力 

LR 封装和 CB 封装均接受了直流载流量能力测试。测试结果如图 7 所示。两种封装的载流能力测试结果都非常优秀。CB 封装的载流量高于 LR 封装;但是,LR 封装更小,而且通过载流导体的电阻加倍,因此这种结果是在预期范围内的。

LR 封装在 50 A 直流电流条件下的温升仅为 20°C。CB 封装在 100 A 直流电流条件下的温升也为 20°C。这一数据是在 25°C 环境温度条件下获得的,但是可以用于对任意工作温度条件下的传感器进行降额。

图 7:晶片温升与施加的直流电流之间的函数
图 7:晶片温升与施加的直流电流之间的函数

结论

本应用说明中的测试结果表明 LR 和 CB 封装的热性能均十分出色。LR 封装可以承载很大的电流,尤其是考虑到其尺寸仅有 6.4 mm × 6.4 mm × 1.5 mm。CB 封装更大一些,具有非常优秀的载流能力,
可以承载 200 A 直流电流,同时温升却仅有约 85°C。本应用说明中的数据可以作为 Allegro 电流传感器 IC 设计指南,也可以用于为超过应用工作温度范围的应用的连续电流进行降额。请访问 Allegro 电流传感器登录
页面。

 

1对于电流强度小于 50 A 的应用,请参阅 http://www.allegromicro.com/en/Design-Center/Technical-Documents/Hall-Effect-Sensor-IC-Publications/DC-and-Transient-Current-Capability-Fuse-Characteristics.aspx 了解更多信息。

2网站中提供适合各种传感器的演示板 Gerber 文件。