电动与混合动力车辆中的霍尔效应电流感应

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作者：Allegro MicroSystems, LLC 的系统工程师 Georges El Bacha、
系统工程师 Ali Sirohiwala

汽车市场正在从机械驱动与计时方法向电力驱动系统过渡。经证明，只有霍尔效应器件适合这类应用。本应用说明对实施因素进行了综述。

介绍

通过使用电力驱动致动器来代替皮带传动和液压致动器，可以提高 HEV 与 EV 中的能源效率。例如，在传统的内燃机中，由一个风扇皮带来驱动冷却风扇，而该风扇在内燃机运行过程中会持续不断地运转。上述情况也适用于动力转向泵和其他的皮带传动负载。

技术更换的好处

使用电动机来取代皮带传动致动器（如图 1 所示）有助于提高能源效率和更好地控制致动器。精密、高速的电流传感器 IC 可提供优化电动机性能所必需的带宽、响应时间、低噪音和精度特性。他们还可以通过报告过电流情况和触发启动电路来帮助快速侦测故障。

图 1：节能型电动制动器

Allegro 霍尔效应电流传感器 IC 已经过工厂微调，可在整个工作温度范围内提供恒定的灵敏度和最大程度地降低偏移电压。这些封装尺寸小并且还采用了电流隔离设计，在节省 PCB 面积的同时还能促进高端与低端电流感应，尤其是在与基于感应电阻和运算放大器电流的传统感应解决方案相比时这种优势将更为明显，如图 2 所示。

图 2：典型的霍尔电流传感器 IC 与
传统的感应电阻和运算放大器电流感应解决方案之间的 PCB 体积对比

所展示的 SOIC 封装是一种典型的霍尔解决方案。在 Allegro ACS714（使用此封装的产品系列之一）中，一个低电阻集成导体将充当电感电流的通路（图 3，左面板），在确保电流隔离性能的同时让电流紧密靠近传感元件。这样可以最大程度地减少功率损耗并帮助实现高级 HEV 系统所需的高精度测量。

图 3：智能电池的电流感应。左边的插图显示了
ACS714 中的集成电感电流主通路。

例证：智能电池

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。如图 3 所示，除了两个电池端子之外，这些电池系统一般都有两个诊断信号：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。

看似简单的感应电阻解决方案的设计复杂度会对感应判决的效率和精确度产生直接的影响。在此应用中使用感应电阻器时，设计工程师必须考虑到各个关键性误差项。其中最主要的就是该电阻器将以散热的形式耗散掉电池中大量的能量，使系统效率降低并导致在应用时需要另外采用外部传热结构。

其次，热现象也会影响将在感应电阻器上产生的感应电压（图 3 中的 V_SENSE）。另外，感应电阻器运算放大器解决方案要求将 V_SENSE 与热敏电阻器电压 V_THERM 叠加在一起。这会使充电控制器观测到的电压逐步升高，从而使：

V′_SENSE = V_SENSE + V_THERM，

最终导致所监测的电池温度的误差因子增大。这不利于对电池系统进行充电控制并且最终会导致电池寿命（HEV 和 EV 系统成功的一个关键要素）缩短。

若要与霍尔效应传感器 IC 解决方案进行对比应从最基本的考虑因素——导体电阻开始。集成导体的电流通路电阻大幅降低，低至 100 μΩ。这极大地减少了总体应用功耗。

另一个必要的考虑因素是在集成导体环路的端子上会产生几乎为零的电压。将电压降低至跟踪级别有助于提高热敏电阻器诊断信号的精确度和完整性M（V_SENSE 降至其下限值）。

区分霍尔效应技术的一个基本的优势在于对电流和感应信号响应之间的磁性耦合的依赖。这是因为感应的磁特性在热力方面不会受实际的温度范围影响。这不仅能确保以电流电平变化的方式进行响应的总体线性度，而且高级霍尔效应器件可以合并逻辑电路、使他们具有高度可定制性，另外还能提供可编程的温度偏压、从而提高性能。

这简化了总体系统设计挑战并使霍尔 IC 在导体电阻与精确度的复杂元件依赖关系方面与相对强力的感应电阻运算放大器方法形成鲜明的对比。在使用感应电阻器运算放大器方法时，必须使用较低的电阻值以最大程度地减少功耗。但是，低电阻也可能会产生相反的效果，即，因为只能感应到极小的电压而导致精确度下降。如前所述，高级霍尔 IC 能在低的电压下工作。此外，器件的后端级可以在不影响集成解决方案的高精确度与低功耗性能的情况下输出条件数据信号来满足应用系统的要求。

实用的感应解决方案

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（双向或单向）。器件的基本类别如图 4 所示。

图 4：Allegro 霍尔效应电流传感器 IC 的典型封装类别

Allegro 专有的集成霍尔效应器件采用高级 IC 和封装技术来感应 5 至 200 A 的电流。通过使用霍尔 IC 和一个外部磁集中器或磁芯，也可以测量较大的电流。Allegro 电流传感器 IC 允许设计工程师将基于霍尔效应的电流传感器 IC 用于要求强化能源效率或新运行特点的新 EV 和 HEV 应用。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。

©2013 年 Allegro MicroSystems, LLC 版权所有

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