作者：Maxwell McNally, Allegro MicroSystems, LLC
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摘要
本應(yīng)用注釋介紹了 Allegro MicroSystems 新型高隔離、高帶寬 ACS733 霍爾效應(yīng)電流傳感器集成電路 (IC) 的應(yīng)用情況，并概述了其在高速電流互感器 (CT) 電流檢測(cè)解決方案中的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。
介紹
ACS733 是第一款 1MHz 帶寬霍爾效應(yīng)電流傳感器 IC，并采用 Allegro 的 3600 V RMS 隔離技術(shù)。該傳感器為用戶(hù)提供了精確、低成本的解決方案，該器件尺寸小，以高帶寬實(shí)現(xiàn)隔離電流感測(cè)。該器件的高帶寬由高速模擬信號(hào)路徑實(shí)現(xiàn)，該路徑采用差分傳感來(lái)隔離對(duì)共模磁場(chǎng)的干擾。圖 1 顯示該器件的引腳排列。該 IC 采用寬體 SOIC 16 引腳 LA 封裝。引腳 1 至 8 為電流輸入保留，4 個(gè)引腳為正極和負(fù)極端子。這些引腳都采用低電阻引線(xiàn)框銅進(jìn)行內(nèi)部連接，以獲得更好的散熱性能。
ACS733 引腳 9 至 16 輸出信號(hào)引腳。VCC 和 GND 用于為器件供電，VIOUT 是代表 IP 總線(xiàn)檢測(cè)電流電平的模擬輸出。檢測(cè)到低電流時(shí)，FAULT引腳為高電平，但是如果檢測(cè)到高于某個(gè)閾值的電流，則會(huì)被拉低。該電平在 VOC 引腳上設(shè)置，電壓分壓等級(jí)為 VCC 的百分比，相當(dāng)于器件最大額定電流的百分比。PROGRAM 引腳用于工廠(chǎng)校準(zhǔn)，應(yīng)該接地以獲得最佳的 ESD 性能。
圖 2 的方框示意圖顯示器件的內(nèi)部方框圖。溫度傳感器使 Allegro 可以在整個(gè)溫度范圍內(nèi)微調(diào)零安培輸出電壓和靈敏度（信號(hào)路徑增益）。IC 將溫度補(bǔ)償值存儲(chǔ)在 EEPROM 中，在器件的整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)提供穩(wěn)定或高精度的輸出信號(hào)。
差分感應(yīng)
依靠磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量的電流傳感技術(shù)會(huì)受到外部磁場(chǎng)的影響。通過(guò)使用兩個(gè)霍爾效應(yīng)極板來(lái)測(cè)量輸入電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的相反極性，ACS733 能夠抑制共模場(chǎng)。這樣可以在其他電流軌跡旁邊使用部件。ACS733 具有大約 -40 dB 的共模場(chǎng)抑制，可用于均勻恒定的場(chǎng)。有關(guān)差分檢測(cè)的更多信息，請(qǐng)參見(jiàn)應(yīng)用注釋“無(wú)芯霍爾效應(yīng)電流傳感器 IC 中的共模場(chǎng)抑制”。
ACS733 的共模場(chǎng)效應(yīng)抑制比 CT 更具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵谕獠看艌?chǎng)存在的情況下，CT 內(nèi)核可能飽并并改變器件的工作特性。
噪聲和靈敏度
ACS733 的典型噪聲密度為 80μA/√Hz。在 1MHz 的整個(gè)帶寬內(nèi)，就成為 100MARMS 的輸入?yún)⒖伎傇肼?。在不同的靈敏度下，該安培誤差將在輸出端顯示為不同的 mV 誤差水平，但是這表明該部件具有有效的 100mA 分辨率。下面的表 1 比較了 ACS733 當(dāng)前提供靈敏度所見(jiàn)的 mV 輸出誤差。但是，通過(guò)減少器件的有效帶寬、或是超量采樣和取平均值，或者用 RC 濾波器對(duì)輸出進(jìn)行濾波，可以降低噪聲。
表 1：靈敏度和結(jié)果 mV 噪聲
| 部件 | 傳感器
(mV/A) | 噪聲密度
(μA/√Hz) | 分辨率
(mA) | 誤差
(mV) |
| 733-20AB | 66 | 80 | 100 | 6.6 |
| 733-40AU | 4.4 |
| 733-40AB | 33 | 3.3 |
| 733-65AB | 20 | 2.0 |
高帶寬操作和快速響應(yīng)時(shí)間
ACS733 具有 1 MHz 的高工作帶寬。該器件的高速模擬信號(hào)路徑提供了任何 Allegro 全集成電流傳感器 IC 的最快響應(yīng)時(shí)間。典型的輸入階躍響應(yīng)時(shí)間<800 ns，典型的故障輸出響應(yīng)時(shí)間 <600 ns。圖 3 顯示了與典型電流互感器（CT）的響應(yīng)相比，ACS733 對(duì)電流階躍的響應(yīng)。兩者都能非?？焖俚仨憫?yīng) 1μs 輸入階躍。
用戶(hù)可設(shè)置的過(guò)流故障檢測(cè)
ACS733 的附加功能是用戶(hù)可設(shè)置的過(guò)流漏極開(kāi)路 NMOS 故障輸出。這可以更快地報(bào)告過(guò)電流或短路事件。該引腳的過(guò)流事件偵測(cè)速度比模擬輸出信號(hào) ADC 轉(zhuǎn)換更快。ACS733 的故障電平可以設(shè)置為從最大初級(jí)感應(yīng)電流 (IPR(MAX))的 50％ 到 IPR(MAX)的 200％ 的任何電平，只需使用 VOC 引腳上的電阻分壓器。這為客戶(hù)提供了一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)為其特定應(yīng)用設(shè)置過(guò)流電平。
VOC 引腳上的電阻分壓器的電平設(shè)置為 VCC 的 10％，以將故障電平設(shè)置為 IPR(MAX) 的 50％，設(shè)置為 VCC 的 40％，以將故障電平設(shè)置為 IPR(MAX)的 200%。下面的表 2 顯示了 ACS733 在四種不同故障電平下的計(jì)算結(jié)果。公式 1 顯示了針對(duì)任何所需故障電平的 VCC 百分比的計(jì)算。
VOC百分比= 故障百分比 × 0.2 (1)
表 2：故障電平和電壓分壓器示例
電壓
電壓 (V) | VOC
(%VCC) | VOC
(V) | 故障電平
(%IPR(MAX)) | 電阻器
(kΩ) |
3.3
| 10 | 0.33 | 50 | 9 / 1 |
| 20 | 0.66 | 100 | 8 / 2 |
| 30 | 0.99 | 150 | 7 / 3 |
| 40 | 1.32 | 200 | 6 / 4 |
未檢測(cè)到故障時(shí)，故障信號(hào)為高電平。發(fā)生過(guò)流事件時(shí)，開(kāi)漏 NMOS 輸出將拉低FAULT 引腳的輸出。下面的圖 4 顯示了對(duì)應(yīng)當(dāng)前階躍輸入的故障輸出函數(shù)。由于器件具有漏極開(kāi)路 NMOS 輸出，因此能針對(duì)多相系統(tǒng)，將其邏輯“或”地連接控制器的單個(gè)故障中斷數(shù)字I / O 引腳。
外形緊湊
電流互感器體積龐大，需要帶繞組的偏置鐵芯和電阻負(fù)載來(lái)檢測(cè)電流。ACS733 是采用標(biāo)準(zhǔn) SOIC16W 表面貼裝封裝的全集成傳感解決方案，印刷電路板 (PCB) 面積占用最小。下圖 5 是與兩個(gè) CT 相比的 ACS733 的尺寸。在嘗試最小化系統(tǒng)尺寸時(shí)，可以將板卡電流軌跡延伸到安裝到 PCB 上的部件，這就提供了顯著的空間節(jié)省優(yōu)勢(shì)。
高壓隔離
盡管尺寸較小，但獲得專(zhuān)利的封裝技術(shù)可提供高電壓隔離。高電流引腳與低電壓信號(hào)引腳隔離，因?yàn)橹恍枰袦y(cè)磁場(chǎng)。符合 UL 60950-1（第二版）的 SOIC16W（LA 封裝）的 ACS733 已通過(guò)3600 VRMS 認(rèn)證。
結(jié)論
ACS733 具有一系列特性，在需要高速和高電壓隔離電流檢測(cè)時(shí)，具有顯著的優(yōu)勢(shì)。LA SOICW 封裝是一種表面貼裝解決方案，易于集成，并可減小笨重的電流互感器解決方案的 PCB 面積。ACS733的SOIC16寬體封裝從載流跡線(xiàn)到信號(hào)引腳提供 3600VRMS 隔離。傳感器 IC 在 Allegro 工廠(chǎng)進(jìn)行了工作溫度范圍優(yōu)化，并在發(fā)生過(guò)流和短路事件時(shí)提供漏極開(kāi)路 NMOS FAULT 輸出，以實(shí)現(xiàn)快速數(shù)字輸出。這種完全集成的傳感技術(shù)是一種與汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用兼容的片上系統(tǒng)解決方案，使工程師可以輕松地將其設(shè)計(jì)到應(yīng)用方案中。
