最近霍尔效应电流感应的趋势

作者：John Cummings，Michael C. Doogue，Andreas P. Friedrich

抽象的

本文介绍了基于集成霍尔效应的电流传感器IC的最新进展。它涵盖了用于将主要电流路径集成到系统中的各种包装概念，IC参数的主要改进，以及用于不间断电源（UPS），逆变器和电池监控的典型应用电路的一些示例。

介绍

在工业，汽车，商业和通信系统中，对低成本，准确，小型电流传感器解决方案的需求迅速增长。各种技术可用于将电流转换为比例电压。霍尔效应磁力检测器的优点是来自电流路径的固有电压隔离和霍尔元件和接口电子设备在单个硅芯片上的集成。[1]新的设计概念和高级BICMOS技术的系统使用允许进一步改善IC性能。这些也通过支持相同电流传感器IC的附加功能（例如电源保护）的集成来打开了新产品方法。本文介绍了Allegro™ACS电流传感器IC系列的基本包装和IC设计概念，并探讨了最近的趋势，使Allegro能够开发其下一代完全集成的低成本电流传感器设备。

包装概念

Allegro电流传感器IC器件的特点是整合整体线性霍尔IC和低电阻初级电流导通路径，以单次包覆成型包装。通过霍尔换能器相对于铜导体的近距离和精确定位进行优化器件精度。低功率损耗和高压隔离是包装概念的内在型。封装电流测量系统的最终尺寸，形状和附加部件取决于要测量的初级电流的幅度。本节详细介绍了针对不同电流测量范围的创新包装技术。

高达20 A的电流

对于小的标称电流，高达±20a，霍尔模具和初级电流路径在标准尺寸SOIC8表面安装封装中封装，如图1所示，这提供了兼容的紧凑，低轮廓解决方案具有大容量自动化板组装技术。使用倒装芯片技术允许在霍尔元件的主动面和被被感测电流产生的磁场之间的优化磁耦合。因此不需要磁通集中器。用于电流检测的铜路径的内阻通常为1.5MΩ，用于低功率损耗。电源端子也与低电压信号I / O引脚电隔离。仔细的IC和封装设计允许进一步提高装置的电压隔离，典型的直流隔离电压为5 kV，并且在初级电流之间具有1.6kV最小和2.5kV的RMS隔离电压为1.6kV路径和信号侧。

图1. ACS包装的内部结构，显示U形初级铜导体和单倒装芯片安装的Hall IC。

图2. CB封装的内部结构，显示初级导体（铜，左），磁通集中器（红色）和线性SIP HALL IC（黑色）和信号销（铜，右）。

图3.±20 A（LC封装）和±200a（CB封装）电流传感器IC的照片，如硬币所示。

高达200 a的电流

For higher currents, the cross section of the copper conductor has to be increased to accommodate the current density within the material, which is provided in the CB package. Because of the magnetic coupling between this thicker conductor and the linear Hall element, a flux concentrator has to be used. The copper path, linear SIP Hall device, and concentrator are precisely assembled before being overmolded. Through careful design of the system, the primary conductor resistance is typically as low as 100 µΩ and a minimum rms isolation voltage of 3 kV (at 60 Hz for 1 minute) is achieved between primary path and signal sides. Figure 2 shows the internal structure of such a ±200 A current sensor, and figure 3 shows a photograph of both this and the ±20 A package types.

200 a上方的电流

If currents to be measured are higher than 200 A, the ICs can be used in a current divider configuration.[2] This method involves splitting the path of the current being sensed. The simplest approach is to design a notched bus bar such that only a well-controlled fraction of the current flows through the device, the other going through a shunt path (see figure 4). The current split ratio is determined by the geometry of the bus bar. An inherent disadvantage of this approach is that it reduces the current resolution by the same proportion as the current is divided.

如果电流平均分开，则可以增加电流检测系统的分辨率，并且并行使用两个设备（参见图5）。涉及级别换档和添加两个设备输出的简单电路可用于获得与总初级电流成比例的线性输出。[2]

图4.当前分频器配置。电流传感器IC可以直接连接到汇流条。

图5.具有增强分辨率的等于电流分割。可以组合两个设备的输出以获得与要感测的总电流成比例的线性输出。

IC设计

本节详细介绍了基本芯片架构和最重要的IC参数。

框图该装置的中心元件是一种精确的低偏置硅霍尔IC。框图如图6所示。由初级电流产生的磁通量会影响霍尔元素。使用BICMOS斩波器稳定电路来减少信号偏移，并在其工作温度范围内稳定IC的输出。[3]片上电子器件产生与输入电流成比例的模拟电压。

图6.电路的框图。

输出是比例的，这意味着偏移和灵敏度比例v_CC.。设备精度通过偏移，灵敏度和温度响应的线路折叠优化。ICS旨在测量正电流和负电流，但如果需要，可以修剪参数以进行单向性。包装后修剪该装置，以减少对霍尔元件的封装应力效应。如图6所示，建议使用外部旁路电容，以降低噪音。如果应用程序的带宽允许，则可以在输出处使用简单的RC滤波器，以进一步提高信噪比。

±20型号主要功能虽然SOIC8器件设计为±20a，但它们可以承受高达100 A的大瞬态过度电流。确定器件的过电流能力的限制因素是IC的结温（T_j(max), which equals 165°C), and is therefore determined by the thermal design of the printed circuit board (PCB) in the application.

主要特征和优惠总结如下：

AC and DC current measurement
1.5MΩ内部导体电阻
1600 VRMS（分钟）隔离电压
4.5 to 5.5 V supply operation
50 kHz带宽
室温下的总输出误差±1.5％
工作温度范围为-40°C至85°C
小脚印，低调SOIC8包装
近零磁滞
电源电压的比率输出
符合RoHS（倒装芯片高温PB的焊球目前免于RoHs）

±200 A模型主要功能The thickness of the copper conductor allows survival of the device at up to 5× overcurrent conditions. The main features and benefits are summarized as follows:

AC and DC current measurement
100μΩ内部导体电阻
3000 VRMS（分钟）隔离电压
4.5 to 5.5 V supply operation
35 to 50 kHz bandwidth
室温下的±1.0％总输出误差
工作温度范围-40°C至150°C（初级电流的功能）
小封装尺寸，易于安装能力
电源电压的比率输出
铅（Pb）免费

Filter Pin External Capacitor (nF)	Bandwidth （千赫）	峰顶 Noise (mV (Typ.))
1	50	40
4.7	20.	24.
47	2	10.

添加了功能

对于大批量应用，可以将通常与外部组亚博尊贵会员件实现的大厅IC上的一些附加功能集成。在下面描述的实施方案中，该方法导致了一种具有集成热插拔栅极驱动器和基于内部霍尔效应的元件的新保护IC。

该ACS760器件的框图如图7所示。在不使用外部检测电阻的情况下测量电源负载。该部件使用集成的1.5MΩ铜导体和霍尔效应元素来准确地测量高达30 A的负载电流。该设备包含过电流保护电路，该电流在30到40 A之间的用户可选电平进行跳闸。如果是过电流条件检测到，零件跳闸的故障输出和外部MOSFET的栅极被拉到地面。检测过电流条件和栅极关断之间的延迟由外部电容器设定。

图7.具有集成热插拔栅极驱动器和基于内部1.5Ω霍尔效应元素的保护IC的框图。

应用例子

本节提供了两个应用示例，其中ACS设备支持最佳亚博尊贵会员电流传感解决方案。

电池监控智能电池系统需要电路监控电池电压，温度和电流。对于容量监控应用，所有这些测量都很重要。亚博尊贵会员然而，最难以设计的 - 这是当前的测量。这是准确性，功耗和解决方案尺寸的要求。

电流测量精度对于确保容量监测算法正好运行至关重要。传统测量该电流的方法是在地面路径中或在低端分流。这种方法的关键问题是，最小化i²r损失，分流器的价值需要非常小。通过这种方法，低电流测量精度变得损害。笔记本电脑应用程序的意思是，在暂停，休眠或其他低功耗状态期间，电池难以准亚博尊贵会员确地监控流入系统的电流。

If the battery is using a 10 mΩ sense resistor to minimize power dissipation at nominal loads, when in a low-power state with only 50 mA of power draw, the voltage across the shunt would be only 500 pV. This voltage is very difficult to resolve, and complicated algorithms for estimating the residual capacity must be developed for the battery in order to compensate for this effect. These routines are conservative in nature, meaning that they tend to assume that the battery is losing a little more capacity than is actually calculated. The result can be an appearance of excessive loss in battery capacity over time.

根据电池和应用，需要在1到2W范围内进行检测电阻来监控电流。然而，通常在便携式解决方案中，2个电阻器没有足够的空间，因此解决方案通常限于1W电阻器。对于更高电流的解决方案，并联使用多个电阻以使电力额定值保持在设备限制内。两种解决方案对符合这些组件所需的董事会房地产有很大的影响。

By using a Hall-effect device as a shunt solution in the battery pack, the power dissipation in the pack can be reduced. The advantage of using Hall-effect devices is readily apparent with the low insertion loss of the device. In an SOIC8 package, the ACS712 lead-frame insertion loss is only 1.5 mΩ. The difference in power consumption over a range of load currents is shown in figure 8.

The use of a Hall-effect device as shown in figure 9 can increase the accuracy of current measurements. This block diagram shows a high current path and a low current path. The low-current path can be enabled for better accuracy at monitoring small currents. Not only does the solution shown in figure 9 provide higher accuracy for lower charge and discharge currents, but also it provides more signal than the shunt solution over the measurement range. Assuming that the Hall-effect device has a gain of 100 mV/A, this signal is much larger than the resulting signal across a shunt resistor, as shown below in figure 10.

图8，分流电阻，霍尔效应测量

图8.分流器中的功率损耗与霍尔效应电流传感解决方案。

Figure 9, shunt resistor, hall effect measurement

图9.通过霍尔效应装置提高电池监控精度和效率。

图10，分流电阻，霍尔效应测量

图10.霍尔效应解决方案的输出电压与20mΩ分流器相比。

随着霍尔效应解决方案的增益增加的步骤假定应用程序实现了图9所示的高电流路径。期望的滞后的实际阈值是应用程序的函数以及值的函数以及值分流所用。

在电池系统中使用霍尔效应装置将有助于减少分流传感解决方案所需的PCB区域，并使高侧传感能够中断地面路径。使用霍尔效应装置的两个主要益处在更宽的电流范围内提高了电流测量精度，并通过显着减少1，从而降低功耗²失去分流器。

Hall Effect Devices in UPS and Inverter Applications使用霍尔效应装置或电流互感器（CT）在UPS系统中是常见的。虽然CTS被视为低成本的解决方案，但它们实际上需要比霍尔效应解决方案更多的支持组件，并且严格限于AC应用。亚博尊贵会员归因于使用CTS监控交流线电压的另一种次要成本是额外的电路，用于管理涌入事件期间涌入和可能的核心饱和度的额外电路。

UPS解决方案需要使用线路电压为电池充电，该电池用于在电源故障发生时为系统提供线电压。UPS的目标是以最大效率提供尽可能多的能量。例如，2200 VA UPS需要典型的3小时充电时间。同样的UPS只能在半负载（990 W）的大约24分钟的功率下，在满载时6.7分钟（1980 W）。对保护的输入和输出电流进行保护，并能够以置信度显示电池充电状态。

由于几种原因，ACS712霍尔效应装置非常适合监控输入电源或电池充电电流。小型霍尔效应解决方案的显而易见的益处是所需的体积是等效CT溶液的一小部分，此外还有消除增益和附加保护部件。原因是ACS712不能在设备的隔离侧上过冲。

当在高负载下为逆变器阶段供电时，具有霍尔效应IC的最佳位置是线电压本身，直接监测负载电流。原因是线电压电流可以高达15到20 a_rms.，而电池采购电流可能超过50至60，这取决于电池堆的电压和转换器的效率。下面，图11示出了在UPS动力系中使用霍尔效应装置的示例。

图11. UPS电力列车架构。

下一代霍尔效应设备有助于解决CTS的已知问题，并提高系统的可靠性。通过在电池充电系统和逆变器动力列中使用霍尔效应装置，可以优化转换器的效率。这有助于降低系统的整体大小并节省成本。

结论

创新工业电流传感解决方案l, automotive, commercial, and communications systems were presented. The packaged devices consist of a low-resistance primary current path and a monolithic linear Hall-effect IC that integrates the Hall element and state-of-the art BiCMOS interface circuitry.

该器件覆盖高达±200a的测量范围，并且还可以使用当前分频器配置设计成更高的电流应用。亚博尊贵会员详细介绍了具有添加功能的低成本，高精度和小型电流测量系统的新方法，并提供了两个应用示例。

Notes

R.S.波波维奇，“霍尔效应设备”，第二届EOP Publishing Ltd.，2004年。
R. Dickinson和A.P.Friedrich，使用Allegro电流传感器在当前分频器配置中进行扩展测量范围，Allegro Microsystems，LLC，应用说明AN295036，2005年4月。亚博棋牌游戏亚博尊贵会员
A. Bilotti，G. Monreal和R.Vig，“单片磁霍尔传感器使用动态正交偏移消除”，IEEE J.固态电路32，NO。6（1997）：829-36。