采用ASIC技术的新一代电流传感器

1 前言

    电力电子行业的市场发展趋势对应用特殊元部件提出了要求。对于电流测量也是如此。从基本上来说，若要获得一定的测量精度，就要求元部件具有相对应的尺寸以及投入相应的成本。本文介绍了一款新一代电流传感器，该传感器主要通过一种特别开发的ASIC技术来实现基于开环霍尔效应的电流传感器性能改善。

    2 通道-ASIC

    目前在市场上可以采购到很多霍尔-ASIC传感器，用这些传感器可以来测量位置、磁场以及电流。所有这些ASIC传感器大多用于进行精确快速的电流测量，比如电力电子行业，对于电磁干扰具有高抗干扰性的优点。这一基础已经使得新集成元件得到了开发，这些元件特别适合这些需求（图1）。该新型集成元部件基于CMOS技术，将开环霍尔效应电流传感器结构的所有元件综合在了一个单片上。霍尔阵列作为测量元件，后面跟着放 大级以及扩展编程单元和一个稳定的带隙基准电压。该元部件具有以下特点：

    ⑴ 5V电源；
    ⑵ 从0.54mV/GS到4mV/GS的大测量范围；
    ⑶ 可以对偏差和增益进行编程（比例或固定）；
    ⑷ 基准输入/输出；
    ⑸ 可编程温度补偿；
    ⑹ 接线管脚具有短路和静电放电（ESD）保护；
    ⑺ 温度范围从-40℃到+125℃。

 
图1 开环霍尔效应电流传感器

[page]   基准电压作为测量的零点可以在生产过程中进行编程。可以提供一半的供电电压或固定的2.5V电压。外部管脚上也可以提供基准电压。例如，该基准电压随时都可以通过一个来自A/D转换器的当前外部基准电压经一个200Ω的内部载荷阻抗而起作用。

    3 参数

    与传统霍尔元件相比，瞬态电流的速度几乎没有变化。具有100A/*s电流变化率（di/dt）的瞬态电流后的延迟时间大约为4µs，如图2所示。对于电流电路短路切断和调节来说，这个延迟时间应该足够。有点长些的延迟时间可以通过霍尔芯片的斩波技术来进行说明，该技术用于改善漂移参数。

 
图2 瞬态电流后的延迟时间

    对于在高EMC环境所使用的传感器来说，其中一个关键参数是在电压跳变（共模）之后的性能。图3记录了6kV/*s电压变化率（dV/dt）的情况，同时给出了当输出为大约20mV时跳过一个偏差之后的状态，这一结果与3%标称值的漂移相一致。性能是平衡的，因此在不产生偏差的情况下可以对其进行外部或内部过滤。

 
图3 6kV/*s电压变化率的情况

    由于斩波的稳定性，与传统霍尔元件相比，感应器输出处的噪音增加了三倍。一般情况下，该噪音大约为10m/Vpp，与大约1.4%的输出标称电流相对应。由于500kHz的高噪音频率，该噪音并不会对通常的应用产生影响。对于具有高带宽的超快电流调节电路来说，应将该参数考虑进去。

    在温度漂移（对于电流传感器来说是一个最基本的参数）方面，可以通过与传统解决方案相比较来实现最大程度的改善。与传统传感器相比，偏差漂移和增益漂移已经通过一个超过2的因数进行了改善。当温度升高50℃时，偏差漂移达到最大值，为1.6%最大标称值。增益漂移定义为测量值的百分比值，在最差的情况下可达到2%。这些值对开环霍尔效应电流传感器来说是极好的值。

    安装在印刷电路板上的传感器应尽可能与解耦电容紧密地连接在一起。这些电容对EMC特性的改善作用显著。图4给出了布线图，该布线具有在测量过程中实际发现的值。但是，这种布线会根据不同的应用场合而略有不同。

    该基准电压应该具有与供电电压相同的值。

 
图4 布线图

[page]    4 各种适用设计方案

    凭借该项ASIC技术，已经开发了四个新型号范围的开环霍尔效应电流传感器，这些传感器适用于各种不同场合。在传感器的开发过程中，特别注意了所涵盖应用场合的要求，对于力学方面以及对于电力部件与电子元件分离绝缘方面的要求。比如安装在电池驱动的车辆内，还首次开发了适合低电压高达100V应用场合的特殊传感器。

    ⑴HXS

    用于测量从50A标称值到150A测量范围电流的最小设计型号。该型号的传感器具有4排主要总线条，这些总线条可以通过并联或串联连接，并且能够使该元件涵盖3个测量范围。

    该型号范围包含用于各种应用场合的6种不同传感器，这些传感器区别在于电流范围、各种温度范围以及核心材料。其中特别开发了一种用于长屏蔽导线和与这些导线有关的电容性电流的传感器。因此，消除了由于高频率损失而产生的磁芯发热。该传感器特别适合于变频器、电源和小型UPS装置。

    ⑵HAIS

    该型号涵盖50A-400A（600A）的电流范围。符合在高达600V标称电压值时进行安全操作的要求（超电压类别III、污染度2）。主要开孔可以容纳横截面高达15mm×8mm的总线条。对于固定到印刷电路板上则提供两个另外的焊针，在接地时也可以用于改善EMC特性。

    ⑶HTFS

    由于具有22mm的开孔，该传感器可适用于电缆和总线条。也可能提供高达1200A的测量范围。传感器具有极其稳固的机械特性，可以用焊针或者螺钉固定到印刷电路板上。该传感器特别适合于电池驱动的车辆，比如叉车或混合挖掘机。首次使通过该小型设计记录超过1000A的电流成为可能。

    ⑷HFIS

    从目前电流传感器用于各种场合的汽车领域研发开始，这些传感器就被进一步用于工业领域。为了实现紧凑设计，将主要开孔设置得非常小。因此该类型传感器主要适用于具有低恒流和高测量范围的各种应用场合。而且，该类型传感器符合仅高达100V的安全隔离要求。应用范围包括具有低峰值电流的切换网络和电池驱动车辆部件，比如轮椅和高尔夫球棒车。

    5 结论

    根据应用场合的要求，我们为客户提供几种设计型号。由于只使用一个单独的元件，因此这些设计型号有一个共同点，那就是具有很好的平均故障间隔时间（MTBF）的高工作利用率。为了在生产中消除最终可能已经存在的误差源，在开发过程中使用了6西格玛工具。

    根据欧洲EMC标准规定，所有的元部件都具有EC标识并进行了安全隔离。所有类型的传感器都将进行UL认证。所有传感器都符合于2006年7月1日生效的欧洲RoHS指令。