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PCB中高电流感测的再思考

2022-03-23 11:06:02 Allegro MicroSystems传感器市场经理Motaz Khader 阅读:
随着电子系统的不断发展,考虑到电流测量在其中发挥的关键作用,对高效、高电流能力、高效PCB电流传感器的需求变得比以往任何时候都更加迫切。 

简介

电子系统一直面临朝着体积更小、效率更高和价格更便宜等方向发展的挑战,这增大了印刷电路板 (PCB) 设计的复杂性,并促使工程师寻找创新的解决方案。但所有这些解决方案都需要电源,因此必须感测电流 (I) 和电压 (V),并且在这些应用中感测此类参数是关键任务。拥有准确的电流感测可以在系统的各个层面进行控制、保护和监控。2KKednc

在为 PCB 设计选择合适的电流传感器时,电流处理能力变得越来越重要。由于PCB内的散热限制,PCB中的电流测量值通常最大约为100 A。高于100A的电流通常需要较为复杂的解决方案,导致更大的PCB尺寸和更高的相关成本。然而,如果能够可靠地测量超过 100 A 的 PCB 电流,也可以提供很大的优势,例如能够提高效率和降低整体系统级成本。2KKednc

当今使用的两种常见电流感测方法是分流电阻器和磁传感器。两种解决方案都使用通过低值电阻器(分流器)或带有集成导体的磁感应元件(例如霍尔效应)产生的电压来得到电流值。虽然分流方法通常能够提供非常好的分辨率和准确度,但由于其电阻上的的功率损耗,致使其效率低下。另外,由于在整个生命周期内需要使用不断变化的焊接电阻,与分流电阻器连接相关的布局复杂性增加。目前较新的磁性传感器技术克服了这些局限,通过提供独立的集成解决方案,由于其非常小的电阻损耗和紧凑的尺寸,可以进行高达600A 的PCB电流测量。2KKednc

本文将讨论两种用于测量 PCB 中高达600A电流的创新方法:一种是采用具有集成导体、近乎无损耗的霍尔电流传感器,另一种则是采用非侵入式独立无芯无屏蔽差分霍尔电流传感器。2KKednc

采用集成导体的近乎无损霍尔电流传感器2KKednc

各种市场中的电子设备都普遍需要越来越多的更高电流密度解决方案,目的是提高其整体效率并降低其成本。例如,由于碳化硅(SiC )器件能够实现电路小型化,并可提高系统的整体效率。理想情况下,这些应用中的电流传感器也需要紧凑、高效、准确,并具有高带宽以捕获这些高开关频率晶体管产生的非常快电流信号。2KKednc

当今有两种流行的解决方案来应对这一挑战:基于分流电阻器的解决方案和磁传感器。对于磁性传感器而言,Allegro MicroSystems 能够提供范围广泛的具有极低电阻、高集成度电流传感器封装,且具备广泛的电流和电压处理能力。现有的分流解决方案需要复杂的布局和电路来实现高电流和电压,并且通常具有更高的电阻。相比之下,Allegro 的电流传感器因其紧凑的尺寸和易用性而与众不同,如图 1 所示。2KKednc

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图 1:Allegro 的集成导体封装解决方案。2KKednc

最近,Allegro 推出了两种新的表面贴装封装选项,可以测量高达 500 A 的电流。第一种是类似模块式的定制封装,能够以非常小的电阻 (100μΩ) 检测高达 500A 的电流,同时提供出色的工作隔离电压额定值(1350V基本工作电压)。这种被称为“CB”封装,具有集成的内部铁磁集中器,可将载流迹线的磁场引导到霍尔元件的敏感平面。图 2 显示了组成 CB 封装的不同组件。流经引线框的电流会产生一个磁场,之后由集中器引导到IC。整体成型封装外部的引脚连接到外部电路。由于载流引线框不需要电气连接到 IC,因而基于霍尔效应的电流传感器本身具有自身固有隔离。 CB封装内的模塑材料还使 IC 和信号引脚与引线框绝缘。CB 封装已通过 UL 规范 60950 认证。2KKednc

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图 2:CB 封装内部结构。2KKednc

该封装是用于高密度PCB设计的独特解决方案,与其他昂贵、笨重和更复杂的解决方案(如分流器或更大的模块)相比,该解决方案允许客户通过简单、易于使用的电流传感器缩小整体尺寸。有关热性能的更多详细信息,请参阅此应用指南。其他可选的高电流密度封装包括 Allegro 的微型 (6.4 × 6.4 mm2) 定制 LR 封装,它能够处理高达500 VDC 的工作电压和 超过100 A的电流。第三个产品是新型定制 SOIC16W (MC) 封装,该封装具有厚引线框,允许该封装通过高出80 A的电流,同时可提供出色的 1600 V 基本隔离电压。图 3 突出显示了在不同连续电流水平下的各种封装温升。2KKednc

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图 3:集成导体封装的温升与施加直流电流的关系。2KKednc

独立、非侵入式、无芯无屏蔽电流传感器2KKednc

对于需要非侵入式、高电流密度解决方案的应用,Allegro 最近推出了全新无芯电流传感器系列,包括新的 ACS37610/12。该产品系列为电流测量提供了真正的独立解决方案,这些解决方案使设计人员能够从他们的设计中去除磁芯和屏蔽。这些传感器能够以1%的典型精度测量流经 PCB高达600A的电流。用于测量磁场的差分霍尔元件对杂散磁场具有很强的抗干扰能力,无需竞争解决方案所需的多层屏蔽,从而减小了设计尺寸和材料清单 (BOM)。有关操作和实施原理的简要介绍,请参见图 4。2KKednc

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图4A:基本工作原理。2KKednc

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图4B:PCB中的实现方法。2KKednc

这种解决方案的典型应用是电动汽车中的牵引逆变器。在加速过程中,数百安培电流流过牵引电机逆变器,精确测量如此高的电流对于安全操作至关重要,传统上工程师依赖低磁滞叠片铁芯进行此类测量,需要使用三到六个铁芯,具体取决于电机的相数。2KKednc

决定电流动态范围的系统耦合因子取决于ACS37610/12 的灵敏度水平和PCB金属布线。对载流迹线进行必要的修改可能只会增加非常小的电阻,约为50μΩ,这为设计人员提供了很大的制造灵活性以及在任何设计阶段轻松增大电流感测范围的能力。2KKednc

使用 ACS37610/12 不再需要磁芯,这样可允许制造商减少逆变器的空间和重量,从而提高电动汽车的效率。这种非侵入式、非接触式电流传感器能够提高相对于分流解决方案的热效率,因此非常适合欲降低48V电机平台和高压逆变器的系统能耗。2KKednc

结论2KKednc

随着电子系统的不断发展,考虑到电流测量在其中发挥的关键作用,对高效、高电流能力、高效PCB电流传感器的需求变得比以往任何时候都更加迫切。 Allegro 的集成导体解决方案系列采用简单易用的表面贴装电流传感器,可满足电流和电压隔离能力方面的市场需求。这些解决方案可适用于广泛的市场应用,其中主要包括:太阳能逆变器、车载充电器 (OBC)、xEV 充电桩,以及 PDU 和 UPS 等能源存储和分配系统等。为了在高压逆变器和工厂自动化等应用中获得更高灵活性和更高功率密度,设计人员可能会更倾向于使用Allegro的新型无磁芯电流传感器,以实现真正的独立、无损、非侵入式电流测量。这两种解决方案都为PCB电流检测的可能性设定了新标准,使系统设计人员能够实现更高水平的效率和功率密度。2KKednc

责编:Echo
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