一种微封装线性电流传感器芯片
一种微封装线性电流传感器芯片
一次导体电阻仅为0.6 mΩ，可降低功耗
By Shaun Milano
Allegro MicroSystems, LLC
The linear current sensor IC, theACS711, is housed in a 0.75 mm thick low profile package measuring only 3 mm × 3 mm! It is designed for low-side and less than 100 V sensing applications requiring 5 A to 30 A continuous current sensing.
传统上,电流传感已完成ed with sense resistors or current transformers that can take up a large PCB area. Sense resistor values from 10 to 50 mΩ can burn a significant amount of power at higher currents, which lowers overall system efficiency, while current transformers consume large PCB real estate. Hall-effect sensor ICs have been employed to provide a non-contact method of measuring current in conductors and to provide a voltage signal proportional to current flowing in conductors.
A new current sensor IC from Allegro™ MicroSystems, LLC, the ACS711 (figures 1 and 2) resolves the size issue with a truly small, 3 mm by 3 mm footprint with only 0.6 mΩ conductor resistance, which lowers power dissipation by an order of magnitude over typical sense resistor op-amp solutions. Full integration of the current sensor IC allows for factory programming at Allegro that delivers a solution that is more accurate while providing the additional benefits of small size and higher efficiency through reduced power loss in the current carrying conductor.
Figure 1. ACS711 QFN package size, in comparison to a U.S.
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Figure 2. ACS711 device with QFN construction: yellow is the IC
芯片，红色是霍尔元件，绿色线代表磁通量，
蓝色是感应到的电流路径
Packaging
单匝无磁芯的霍尔电流传感器集成电路不会产生大的磁场，因此将霍尔传感元件放置在靠近被测电流的位置是一种很有吸引力的方法。导体周围的磁通量可能只有100高斯（10mt）或更小，并且随着霍尔元件与导体的距离而迅速减小。
To optimize the performance, the ACS711 device employs an Allegro patented flip-chip magnetic field sensing technology, illustrated in figure 2. Flip-chip use allows the active area of the Hall transducer section of the IC (shown as the red square in figure 2) on the surface of the silicon to be placed in the closest proximity to the primary conductor. This allows for excellent signal coupling.
采用经典的倒装芯片技术，与信号电路进行必要的连接，并将芯片支撑在引线框架上电流导体的上方。一次电流路径通过专利的暴露电流回路设计有效地传导到霍尔元件，终端直接焊接到PCB迹线。通过与导体如此紧密的磁耦合，信号灵敏度最大化，装置可以产生90 mV/A和45 mV/A，用于感测15 A和31 A满标度电流，传感器IC只需要3.3 V电源。
倒装芯片技术还允许外壳模塑塑料填充初级载流导体与模具表面和设备信号引线之间的小空间，提供电流（电压）隔离。由于该装置尺寸小，因此仅在电源电压值低于干线电压时提供隔离。ACS711已针对<100 V的低压电路进行了优化，例如：48 V太阳能电路、通信、消费电子和音频应用。该设备还可以经济地组装成成品，非常适用于家用和商用白色家电的低侧传感应用以及通用电机驱动器。亚博尊贵会员
尽管ACS711的体积很小，但它可以在QFN封装中检测到相对较大的电流，高达±31 A。在更高的电流范围内，检测电阻器的功耗非常显著，在IC封装内外传导这种电流水平一直是传统的限制。QFN封装解决了这个问题，在安装表面上有两个大的焊盘，并且对初级感应电流传导回路的形状进行了仔细的分析。这种设计在封装中使用大量的铜导线来形成感应电流回路，而不需要连接线。QFN中的一次导体电阻仅为0.6mΩ，比低侧感测配置中使用的大多数感测电阻器小一个数量级。这降低了功耗，30 A时的典型功耗仅为0.54 W，15 A时的功耗仅为0.135 W。这不仅有助于提高系统效率，而且允许设备即使在高电流下也能保持冷却。如果客户在某些应用中更喜欢含铅封装，那么ACS711产品还提供SOIC-8配套封装。请访问Allegro网站www.wangzuanquan.com提供更多线性电流感应范围。亚博尊贵会员
Soldering and Thermal Characteristics
尽管功耗很低，但与相对较小的3mm2需要QFN包。如果设计得当，印刷电路板（PCB）上宽而大电流的铜线足以帮助冷却设备。图3显示了一个示例，Allegro提供的ACS711原型板上的布局。请注意，两个大的焊盘区域，4.5毫米宽，只是略大于非常小的QFN封装轮廓。在这个电路板上，使用两层4盎司的铜，通过热通孔连接（QFN下的通孔可以在必要时填充或消除），以提高热性能。如果需要，QFN下的过孔可以填充或消除，因为有些客户发现在生产环境中很难实现这一点。更多设计细节和PCB安装指南可从Allegro获得。
Figure 3. A PCB layout for the QFN current sensor IC (Allegro prototyping
板85-0528）
使用图3的Allegro PCB，在一系列感应电流水平上进行温度测量。图4显示了结果。该图显示，在85°C的环境温度下，传感器IC封装在达到最大推荐结（芯片）温度165°C之前可以承受45 A的连续电流。通过正确的PCB设计，该器件可以在85°C的环境温度下安全地用于30 A的连续电流应用中，在达到165°C的模具温度之前，具有大约50°C的安全裕度。亚博尊贵会员
图4。印制板上QFN的热性能
Device Features, Fault Output, and Accuracy
电压信号取决于电流的方向，可以测量交流和直流的双向电流。在零电流水平下，输出电压信号为电源电压的一半。
ACS711传感器IC还集成了工厂编程的快速响应数字故障输出，其响应时间为1.3μs。设置为传感器IC最大额定电流的100%。这种快速故障信号可用于防止IGBT或其他开关设备在短路或过电流条件下损坏，或作为电机控制应用中的冗余故障特征。亚博尊贵会员
使用运算放大器解决方案的感测电阻器的另一个固有缺点是随着温度的变化而降低精度，因为感测电阻器的值会发生变化。霍尔传感器集成电路不受此误差的影响，因为在导体中流动的电流产生的磁场与温度无关。该Allegro ACS711提供额外的保护，针对封装热应力，通过应用先进的双CMOS工艺与内置斩波电路，以补偿霍尔元件偏置电压的变化。ACS711传感器IC的完全集成架构进一步允许在Allegro生产线测试结束时进行调整编程，以进一步减少增益和偏移误差，提供更精确的传感解决方案。
摘要
Advanced Allegro patented flip-chip packaging for linear Hall ICs has allowed the creation of a micro-sized, 3 mm × 3 mm fully integrated current sensor device, the Allegro MicroSystems ACS711, which has only 0.6 mΩ internal resistance, produced in a package that can really take the heat. Used with an appropriate PCB design, the device can be used for applications with over 30 A continuous current while reducing power consumption by an order of magnitude compared to existing sense resistor solutions.
工厂编程提供了高精度的集成电路，集成快速响应故障输出。这些技术结合在一起，在不影响精度的前提下，为您的应用程序提供最小的电流感应足迹。
Figure 5. Typical application circuit for the ACS711
Based on an article originally published in Bodo’s Power Systems®, A Media, April 2013, pp. 36-38. Used with permission. For portions not copyrighted by original publisher, Copyright ©2013, Allegro MicroSystems, LLC
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