无核霍尔效应电流传感器IC中的共模场抑制

无核霍尔效应电流传感器IC中的共模场抑制

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由Alexander Latham，
亚博棋牌游戏Allegro MicroSystems，LLC

背景

Allegro电流传感器IC使用霍尔效应来测量由集成的电流承载环产生的磁场，将磁场转换为与电流成比例的电压。该技术具有许多优点，包括电流隔离，低功率损耗和高精度。该技术还具有近零磁滞，因为没有用于集中场的核心。然而，不使用核心的缺点是传感器IC容易受到杂散磁场的影响。通过核心，杂散磁场在传感器IC周围分流，因为芯在传感器IC周围提供低磁阻路径。没有核心，例如，霍尔板将看到来自高电流承载迹线或螺线管的杂散场，并且可能导致电流测量中的误差。适当的电路板和系统设计可以避免当前测量中的这些误差源;但是，优化的跟踪布局可以不合需要地限制PCB和系统设计。该问题的解决方案是集成的差分电流感测。

图1：ACS724集成电流传感器IC

图2：具有差示霍尔板配置的集成电流传感器IC引线框架

差分电流传感理论

差动电流感应的基本原理是载流导体两侧产生的磁场极性相反。这意味着，当使用如图2所示的载流引线架时，霍尔板1 (H1)将看到一个场出页面，霍尔板2 (H2)将看到一个场进入页面，以显示当前的流。当电流传感器IC上有一个共同场时，两个霍尔板将看到相同的场。通过减去两个霍尔板的输出，就可以抑制这些外部产生的电场。差动电流传感器IC的输出为:

这里，B1是H1，B2是由H2看到的字段，G是MV / GAUS中的传感器IC的增益。如果有电流流过传感器IC（BC）上的引线框架（I）和共模场，则差分传感器IC的输出将是：

这里，C1是高斯/ amp中H1的耦合因子，C2是高斯/放大器中H2的耦合因子。简化此等式的结果：

共模场（b_C）被取消，并且输出信号仅与流过传感器IC的电流成比例。此外，由于霍尔板仅测量一个维度的字段，因此传感器IC将忽略任何其他平面中的外部场。

差动电流传感中的限制因素

差分电流传感的抑制功能有两个主要限制：

1. 霍尔板材匹配：由于共模字段，两个霍尔板中的任何不匹配都会导致差分传感器IC的输出发生一些变化。Allegro电流传感器IC是单片装置，因此两个霍尔板都在同一硅上，导致标称和温度的高水平匹配。在单芯片上匹配的霍尔板通常比1％更好。
2. 场梯度：如果外部，干扰场在两个霍尔板上不均匀，则干扰场的差异将传播到传感器IC的输出。通过将两个霍尔板块尽可能靠近导体的相对侧，通过将两个霍尔板块放置在一起来解决这种限制。

均匀外部场的共模抑制

硅板匹配的硅胶匹配约为1％，限制了共模场的拒绝至约40 dB。由于这种均匀的外部场，传感器IC输出的安培中的错误（B._C） 将：

图3：错误（在安培中）与共同模式字段由于两个霍尔板中的1％不匹配。cf = 10 g / a

在这里c_F是电流通过传感器IC流到霍尔板的高斯/安培的耦合因子，其等于上面的C1 + C2。大多数Allegro集成电流传感器IC具有约10到15g / a的耦合因子，这导致输出误差（在安培中）与图3中的外部字段。要了解产生这些类型的内容距离传感器IC仅10毫米的电线50a在传感器IC上产生10个高斯。通过1％的霍尔板匹配，由于该字段，其中仅在传感器IC的输出上看到10 mA的误差约为1，而没有共同模式抑制的错误。

来自附近电流携带导体的字段的共模抑制

电流传感器IC应用中最常见的干扰领域之一是附近电流承载导体。亚博尊贵会员例如，这些可能是其他阶段或地面返回路径。由于当前携带导体引起的字段的问题是它们可以在两个霍尔板上产生非均匀的字段，这取决于当前流量的方向。最坏情况是当电流垂直于两个霍尔板时，其如图4所示。

图4：外部电流垂直于两个霍尔盘子

在这种情况下，H1和H2看到的字段是：

这里，我在安培中，D处于mm，d处于mm，b1和b2位于高斯。当使用仅一个大厅板时，B1是将看到的领域。使用差异配置时，减去两个霍尔板（B1和B2）的字段，导致：

用耦合因子C_F（〜10至15克/ a），将这些干扰字段转换为安培中的错误。图5显示了仅使用一个霍尔板时的误差与距离，

图5：误差（a）与单堂传感电流载线的距离（d为0.8 mm）

图6：误差（a）与电流承载线的距离与电流流动垂直于霍尔板的电流（d为0.8 mm）

图6显示了使用差异配置时的错误。然后，图7显示了单个霍尔和差示厅配置之间的抑制比（以DB为单位）。值得注意的点是-20 dB，其中抑制是10x和-30 dB，其中抑制为30倍。这些点将取决于d至d的比率，如图8所示。图8对所有D和D值保持不变，这意味着减少了霍尔板之间的距离并增加了与大厅板之间的距离增加到外部的距离电流携带线将始终减少测量中的误差量。大多数Allegro集成电流传感器IC具有大约0.6至1毫米的霍尔间距（D）。

图7：单个大厅与差示厅配置的拒绝比在传感器IC的外线距离上。外线具有电流垂直于两个霍尔板流动。D为0.8毫米。

图8：单个大厅与差分霍尔配置的抑制比在传感器IC（D / D）上的外线电线的相对距离上，外线具有垂直于两个霍尔板的电流流动。

当附近的载流导体有电流平行于两个霍尔板时，这将导致两个霍尔板上的电场相等。这是理论排斥是无限的理想情况。这里，抑制的限制因素是霍尔板的匹配，如上所述。当然，也有介于最坏情况垂直构型和最佳情况平行构型之间的情况。如图9所示，干扰场可计算为:

图9：附近电流的角场

实验数据

这ACS724电流传感器IC，利用差分电流检测，用于验证此处呈现的分析。通过将传感器IC旁边的高电流承载线在垂直于霍尔板旁边放置，并测量不同距离和电流水平的传感器IC输出的变化来执行测试。为了估计错误，ACS724的关键参数是：

1. 霍尔板间距(d)为0.7 mm。
2. 耦合到一个霍尔板是11g / a，并且与另一个霍尔板的耦合为2.8g / a，因此总耦合因子（C_F）是13.8克/ a。

这意味着以安培为单位的估计误差为:

图10显示了使用该等式的估计误差的虚线，并且绘图上的点表示测量值。总的来说，实验数据与计算错误相比匹配。测量的误差可能略低于所需的误差，因为附近的电线没有与霍尔板的平面完美，导致传感器IC上的缩小场。

图10：估计误差（a）与差分传感电流携带线的距离

结论

最终，集成差动电流传感器提供了一到两个数量级的误差减少由于杂散磁场。这使得这些传感器ic的用户不必担心杂散场对当前测量的干扰，简化了PCB布局，并允许更多的物理压缩系统。对于高压缩系统，其中有大电流载流道或磁性产生装置，如螺线管，本应用笔记中提供的分析可用于快速估计由这些杂散场引起的误差量。这让设计师能够预见并纠正系统配置或PCB布局，这将给系统带来太多错误，从而减少设计迭代次数。