在电流分配器配置中使用 Allegro 电流传感器 IC 以扩大测量范围
作者：Richard Dickinson 和 Andreas Friedrich，Allegro MicroSystems, LLC
摘要
Allegro™ 电流传感器 IC 的特点是采用创新的封装技术，将低电阻铜制主电流通路整合到封装中。尽管这可以提高应用在许多方面的性能，但是封装问题局限了电流水平的范围。
此应用注释描述了数种提高可测量电流范围的简单方法。这些方法涉及分割被感应电流的路径。描述设备和电路的各种选项。
介绍
在所有 Allegro 电流传感器 IC 中，其核心元件是精确线性霍尔效应—磁场感应电路。标准型号采用双向电路（如图 1 所示），允许电流双向流动。
(A) 较高电流应用
(B) 较低电流应用
图 1. 电流分配器配置。Allegro 封装主要导线端子可以直接连接到汇流条，适用于较高电流应用。面板 A 显示此配置，已使用 ACS75x-PSS 封装选项。对于较低电流应用，封装可以连接到打印电路板导线。面板 B 显示此配置，正在使用 ACS75x-PSS 封装选项。在标准型号中，电流可以双向流动。
电流形成的磁场能够被集成霍尔 IC 感应并转化为成比例电压。
通过将电流路径靠近霍尔传感器，实现器件精度优化。将主要电流导线整合到封装，良好地控制霍尔芯片相对于电流路径的位置。但是，能够通过封装的电流量，IPrimary，最终受限于物理和热条件。
为测量电流强度，大于最大 IPrimary 的 ITot，克服这些限制的简单方法是物理分割电流路径，只测量总电流中受良好控制的部分。如图 1 所示，通过在汇流条上刻凹痕，此概念可以应用于较高电流应用，以及通过使用 PCB（印刷电路板）导线或层的独立分支，应用于较低电流应用。
此方法存在缺点。它会降低系统的电流分辨率，降低幅度等于分流比例。根据独立电流子路径的比例可以确定最优的补偿方案。请注意，校准应在器件已组装到 PCB 的情况下在原位完成，以考虑焊点本身的任何额外电阻。
使用 ACS712 电流传感器 IC 感应部分电流
Allegro 设计的参考 PCB 将三分之一的应用电流传输通过 ACS712 器件。如图 2 所示，PCB 传导路径是将电流分割成两个独立子路径的导线：分流子路径（导线宽度 3.0 mm）和传感电流子路径（宽度 5.0 mm）。图 3 显示所得的电流密度的模拟映射。
图 2. ACS712 PCB 导线配置，适用于 1/3 ITot 测量。ACS712 安装到 PCB 导线，与电流感应子路径串连（与通过器件的 IPrimary 一致）。
图 3. 模拟电流密度，适用于 1/3 ITot 测量。使用 4-oz. 铜制导线在 45 A ITot 时采集数据。
当参考 PCB 使用 4-oz. 铜制导线制造时，A 点到 B点之间的电阻小于 1 mΩ，功耗低于 2W。表 1 比较了使用 4-oz. 导线和使用 2-oz. 导线制造的参考 PCB 的计算电阻和功耗。
| 表 1. PCB 导线重量对通过 1/3 电流分配器的功耗的计算所得作用 | ||
|---|---|---|
| 导线重量 | 在 45 A | 整体电阻 |
| 4 | 1.14 | 0.56 |
| 2 | 1.94 | 0.96 |
由于制造和组装误差，各个 PCB 上的感应子路径和分流子路径之间的电流分割会有一些小差异。在应用中如果必需补偿这些差异才能满足准确性时，可以使用客户可编程的 ACS712。这允许在电路板制造和组装完成后校准 IC 的 mV/A 灵敏度。
但是，系统准确性的渐进改善必须能够弥补 IC 中潜在的小比例产量损失，如果某些 IC 在客户场所没有适当编程，就可能会造成这种问题。发货后必须编程意味着我们不能在 Allegro 工厂对所有器件进行最终测试。
用于分隔电流路径以测量总电流中指定部分电流的导线布局尺寸可以使用以下等式计算（参考图 4）。
给出：
- ISens，测量的 ITot 部分 (A)
- LSens1，感应子路径侧 1 的长度 (m)
- LSens2，感应子路径侧 2 的长度 (m)
- LShunt，分流子路径的长度 (m)
- Ρc，铜导线材料的电阻率（典型）(Ω×m)
- RPrimary，器件中主要电流通路的电阻（典型）( Ω )
- T，导线的厚度（典型）(m)
- WSens，感应导线的宽度（两侧）(m)
图 4. 计算导线尺寸时使用的符号
感应电流子路径的电阻率 RSens ( Ω ) 和分流路径的电阻率 RShunt ( Ω )，通过电流分配器电路等式计算：
(1)
其中
(2)
和
(3)
当计算感应路径的电阻时，必须包含 ACS712 中主要电流导线和引脚框的电阻 RPrimary。
使用感应电流 ISens 与总电流 ITot 的给定比率，以及给定的感应路径宽度 WSens，可以计算分流导线路径宽度 WShunt 要求的导线尺寸比率，如下：
(4)
例如，对于参考 PCB：
- ISens= ITot / 3
- LSens1= 8.5 mm
- LSens2= 8.5 mm
- LShunt= 18 mm
- Ρc = 2.5 × 10–5 Ω × mm
- RPrimary= 1.5 m
- T = 0.14 mm; 4-oz. 铜制
- WSens= 5 mm
然后
平均分割电流，分辨率更高
分配器配置的缺点是他们会降低电流感应系统的分辨率。并联使用两个 ACS712 器件，移动电平和增加其输出，减少分辨率损失。图 5 显示了样本配置。
图 5. 双封装解决方案，不降低分辨率。使用两个有源 ACS712 封装划分 ITot。
图 6 的示意图显示，电路压缩各个器件输出的输出范围，然后将他们加在一起。在输出前，各个 ACS712 的信号首先通过减法器子电路处理，增益为 0.5。此子电路可删除来自 ACS712 输出信号的典型的 2.5 V 偏移电压。
图 6. 用于合并输出的建议电路。此电路使用两个 ACS7xx 器件执行对称划分的电流路径，分辨率更高。
当采用如图 5 所示的方位时，器件 A 和器件 B 有相对于电流方向相反的极性。其中一个器件输出必须反向。通过使器件 A 的输出反向，然后为最后的加法阶段使用反向 op-amp，从而使整体输出信号有正确的极性。
通过最后阶段的单位增益，输出信号将 ≈ 50 mV/A 的一部分传输通过并行 IC，获得 0 至 30 A 测量范围。此模拟如图 7 所示，测试导线如图 8 所示。
图 7. 输出的模拟。在用于合并输出的建议电路（图 6）中使用 ACS712 器件的结果。
图 8. 应用 ±30 A 模式到 IPrimary，增量为 6 A。器件 A 是绿色导线，器件 B 是红色导线。最低（蓝色）导线是用于合并两个 ACS712 输出的接口电路的输出。请注意，为清晰观看，信号是在示波器上移动的 DC 偏移。
分辨率将随着两个有源器件的噪音贡献的相互叠加程度而改变。但是，凭经验测量，所得的信噪比大约是使用单个带不间断电流分流路径的 ACS712 时的 1.5 倍。如需更大的输出信号范围，可以改变电阻比例值 R8 / R7 以调整增益。
在分配器中使用 ACS758 测量高于 200 A 的电流
正如 ACS712 一样，ACS758 的测量范围受限于可以通过其集成主电流导线的电流量，该导线的电阻为 100 μΩ。而且，必须考虑其磁通聚集装置的饱和点。
图 9 显示分割电流路径的配置，在分流子路径和包含 ACS758 的感应子路径之间平均划分 300 A。使用 1-mm— 厚铜制汇流条，计算所得的从 A 点到 B 点电流分流器的电阻不足 100 μΩ。
图 9. 较高电流解决方案。在 1-mm 厚铜制汇流条上串连 ACS758 器件以均等划分 ITot。
图 10. 模拟电流密度，适用于 1/2 ITot 测量。使用 4-oz. 铜制导线在 300 A ITot 时采集数据。
使用多层重量级 PCB 导线可额外降低分流路径装置的功率。—PCB 的多层结构允许进一步分割电流。分配到分流子路径的层与感应电流子路径的层之间的比率决定着电流的总分配。此配置如图 11 所示，提供此类 PCB 的平面和横截面视图。
图 11. 多层电路板的俯视图和横截面视图。此方法使用 ACS758 PFF 封装选项，按照层的特性分割电流，将 ITot 中的受控部分传输通过器件 A。
为调整电流分割中的某些差异，可以使用客户可编程的 ACS758。这允许在 PCB 装配完成后，对器件灵敏度进行编程。
使用 ACS758 测量高达 300A 电流，而且分辨率更高。
为提高测量高于 200A 的总电流时的分辨率，可以并联使用两个 ACS758 器件，以准确分割电流。输出需移动电平和加在一起。此配置如图 12 所示。可以考虑用于测量高达 300A ITot。为匹配 300A 的完整范围，Allegro 建议使用 ACS758xCB-150。
各个 ACS758 的输出首先通过减法器子电路处理，增益为 0.5。此子电路可删除来自 ACS758 输出的典型的 2.5V 偏移电压。压缩各个输出信号的输出范围并把他们加起来的电路与图 6 示意图所示的电路相同。
当采用如图 12 所示的方位时，器件 A 和器件 B 有相对于电流方向相反的极性。其中一个器件输出必须反向。通过使器件 A 的输出反向，然后为最后的加法阶段使用反向 op-amp，从而使整体输出信号有正确的极性。
图 12. 较高电流解决方案。串联 ACS758 器件以平均分割 ITot。
图 13. 模拟电流密度，适用于 1/2 ITot 测量。使用 4-oz. 铜制导线在 300 A ITot 时采集数据。
通过最后阶段的单位增益，其结果是输出信号将每安培 ≈ 6.67 mV/A 的一部分传输通过并行器件，获得 0 至 ±300 A 测量范围。此模拟如图 14 所示。
图 14. 输出的模拟。在用于合并输出的建议电路（图 6）中使用 ACS758xCB-150 器件的结果。
所得的信噪比几乎是使用单个带不间断分流路径的 ACS758 时的 1.5 倍。如需更大的输出信号范围，可以改变电阻比例值 R8 / R7 以调整增益。
尽管此案例中使用的是 ACS758xCB-150，但是通过使用两个 ACS758-200 器件，与此相同的配置和接口电路可以测量最高 400A 电流。在所有配置中，必须注意安全匹配汇流条尺寸和散热能力与工作电流电平。
总结
通过仔细设计分割电流路径，和在需要时在装配完成后对器件灵敏度进行编程，Allegro ACS7xx 系列器件可测量更大的电流范围。如需有关分割电流路径设计的更多帮助，请联系您当地的 Allegro 销售办公室和咨询现场应用工程师。
如需有关电流传感器 IC 产品系列的更多信息，请访问 Allegro 网站：