既节能又节省空间的高效电流检测霍尔传感器 IC 的新技术

既节能又节省空间的高效电流检测霍尔传感器 IC 的新技术

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高效电流检测的新技术:既节能又节省空间的集成霍尔传感器 IC

作者 Alihusain Sirohiwala
Allegro MicroSystems, LLC

集成霍尔效应电流传感器技术的最新进展,为电流感应应用提供了一种最佳的替代解决方案,它不仅能显著降低功耗,实现大部分的成本目标,而且大大减少了在应用印刷电路板 (PCB) 上占用的体积空间。

利用检测电阻与放大器进行电流检测

传统的电流检测技术需要插入一个串联的检测电阻和承载测试电流的导体。还需要使用放大器,这样当电流通过电阻时,可使用产生的电压测量输入电流。检测电阻的数值(通常在 1 - 100 mΩ之间)取决于要检测的最大目标电流。当接通电流时,检测电阻的数值越小,其产生的信号电压就越低。

电阻-放大器传感电路可作为分流电路,布置在承载施加电流的负载的低端(靠近接地电位)或高端(靠近电源电位)。高端电流检测允许检测接地电位的短路状态,而且对接地电位的干扰有极强的抵御能力。当以并联方式(减少功耗)连接多个低端电流检测电阻时,必须考虑接地电位干扰,因为它可能形成寄生接地回路。高端检测的缺点是,根据高端电压的不同,放大器电路必须利用高共模输入电压信号才能工作,这就增加了设计的复杂性和解决方案的成本。低端检测虽然放宽了放大器电路的共模输入要求,但它对系统接地电位的干扰仍非常敏感,而且它无法检测电源到接地电位的短路状态。

在检测电阻应用中,检测电阻的温度系数 (TC) 和放大器的输入偏置误差 (VOSI ) 会在很大程度上限制测量精度。 低值检测电阻通常会降低测量的精度,因为放大器’的输入偏置误差已成为放大器输入信号的主要组成部分。使用高值检测电阻虽然能提高输出精度,但会增加功耗。因此,通常应根据检测精度和功耗之间的设计权衡,选择符合设计要求的检测电阻值。

假设一个用于低端感应的典型电流检测电阻的阻值约为 20 mΩ。在 30 A 的连续电流感应应用中,电阻损耗导致的功耗为:

PD = I 2R = (30)2 × 0.02 = 18 W

= = (30) × 0.02 = 18 W

= = (30) × 0.02 = 18 W

该功率会以热量的形式损耗,它需要使用阻值更大、价格更贵的高功率电阻,并采用特殊的热防护技术,如散热底座和外露的金属散热垫。这种功耗会导致解决方案的能效降低,在便携电子设备和环保设计中,它成为日益重要的考虑因素。

利用集成霍尔技术改善电流感应

检测电阻技术的另一个缺点是,在 PCB 应用中,它们往往会导致体积损失,因为在这么多的电量以热量形式损耗时,必须考虑热防护。图 1 对典型检测电阻 (TO-220) 与运放 (SOT-23) 解决方案占用的最小体积和封装,与基于集成霍尔效应的电流感应技术 (QFN 与 SOIC) 的 PCB 消耗进行了对比。

图 1.应用 PCB 体积比较

Allegro’的集成霍尔效应电流传感器 IC 采用了如图 2 所示的已获专利的倒装芯片技术,以在面积优化、热效率高的单片封装内,集成一个高精度的载流导体。电流通过主导体回路进出封装。这种电流会产生能被霍尔传感器感应的磁信号(如图 2 中的红方形所示),并会转换成电压。霍尔电压与原电流实现电隔离,而且要依赖电流的流动方向,这样就能确保在 AC 和 DC 模式下进行双向电流感应。为优化磁耦合,需要将传感器放在磁通量密度最高的区域。由于装有霍尔元件的芯片表面现在离主导体最近,所以这种技术能提高传感器的灵敏度和精度。

图 2.Allegro 集成倒装芯片技术为电流感应提供了极有吸引力的全新解决方案

电流通过导体时产生的磁场不会随温度的变化而改变。因此,与检测电阻和放大器技术相比,集成霍尔技术只有一个不受温度变化影响的误差项。集成霍尔效应 IC 的导体电阻低达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。在客户的实际应用中,这不仅能节约功耗,而且能提供更高效、更环保的解决方案。小巧的外形还能节约 PCB 面积,因而能降低系统的整体成本。表 1 对用于检测电阻和放大器解决方案的 30 A 连续电流感应,以及 Allegro’ ACS711 QFN 和 ACS710 霍尔效应 IC 的面积和功耗进行了对比。

智能电池的电流感应

对智能电池系统进行充电电流监测是低端电流感应实施的一个日益相关的例证。除两个电池端子外,这些电池系统通常还有两个诊断信号:一根用于查看电池健康状况的单线数据线和一个用于监测电池温度的单线热敏电阻。这些诊断信号将传送至电池的负端。

在此类应用中使用检测电阻时,设计工程师必须考虑各种误差项。首先,电阻会以热量的形式从电池中消耗能量,这就降低了系统的使用效率。其次,沿检测电阻生成的电压 (VSENSE ) 将在热敏电阻电压 (VTHERM ) 上叠加,因此,充电控制器检测到的电压是 VSENSE + VTHERM ,从而会在监测的电池温度中产生误差(图 3)。这会影响电池系统的充电控制,并最终缩短电池的使用寿命。最后,在使用本文之前提到的低值电阻时,检测电阻技术的精度会降低。

图 3.智能电池的电流感应

当使用集成霍尔效应传感器时,导体电阻会降低(抵达 0.6 mΩ),这能显著减少功耗。不会沿导体回路端子产生电压,能有效确保热敏电阻’的诊断信号的完整性。最后,由于电流感应是基于磁耦合的,所以不必在导体电阻和测量精度之间再三权衡,这就简化了系统的设计。

用于白色家电的电机控制的电流感应

节能、安全、可靠和成本低是大型家电(如冰箱、洗衣机、空调等,统称“白色家电”)的电机控制电路的基本要求。集成霍尔效应电流传感器能提供具有内在高压隔离功能的外形小巧的电流感应解决方案。(图 4)。采用集成霍尔效应 IC 还能显著减少电流感应的功耗,因为它们的主导体电阻极低。这有助于满足节能要求(如“能源之星”计划)。这些传感器 IC 还能快速检测故障状态,因此能预防成本高昂的系统损坏,并提高系统的可靠性。

图 4.电机控制的电流感应

总结

Allegro MicroSystems, LLC 开发了一系列全面集成的霍尔效应电流传感器 IC,这些 IC 可提供与外加 AC 或 DC 电流成比例的高精确度、低噪声输出电压信号。Allegro’独有的集成霍尔效应传感器采用了电流感应范围在 5 A - 200 A 之间的高级IC 和封装技术。Allegro 电流传感器 IC 允许设计工程师在需要提高能效,且需要新工作特征的最新应用中,使用基于霍尔效应的电流传感器 IC。无论是在什么情况下需要电流感应,集成霍尔效应传感器 IC 都可以提供相应的解决方案。

于 2013 年 2 月首发于《设计新闻》杂志,版权©2013 归 UBM 电子公司所有。经许可后方能转载。

不属 UBM Electronics 公司版权保护范围的版权©2013 归 Allegro MicroSystems, LLC 所有。保留所有权利。