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用于隔离电流测量的传感器系列

David Jobling, David Barbagall 2019-04-11

隔离电流传感器的设计一直受成本和尺寸减小的驱动。继续这一趋势,标准小外形集成电路封装中引入了一系列不需要磁路的换能器。精心设计使其精度与传统换能器的精度相似,但隔离电压只有适度降低。添加了一些额外的功能。dSH电子头条

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介绍 dSH电子头条

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需要隔离的电流传感器通常检测测量电流的磁场; 这具有允许测量AC和DC电流的额外优点。近年来LEM开环电流传感器的发展趋势有两个方面:成本和尺寸不断减小,通过使用定制的专有CMOS ASIC作为传感元件,精度和响应时间等性能参数接近于更复杂的闭环传感器(参考文献1)。通常将ASIC放置在小磁路的气隙中,该磁路提供对场的无噪声放大和外部干扰的屏蔽。大多数LEM的传统开环传感器测量的电流范围为A A至100 A,隔离电平高达8 kV,响应时间为2 us。dSH电子头条

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一些应用,特别是电机驱动器,对速度有相同的需求,但对电流范围和隔离水平的要求较低,同时对价格有很大的压力。在诸如白色家电,窗户百叶窗和空调等低成本和小尺寸的应用中尤为重要。对于这些情况,LEM现在推出了另一系列传感器,即“GO”系列,通过消除磁路,其尺寸进一步减小。相反,初级电流直接传递到标准集成电路封装中,其中的磁场由传统换能器中使用的新ASIC测量。图1显示了两个这样的例子。一个是SOIC-8封装,4个次级侧引脚用于电源,输出电压Vout和参考电压VRef。另一种是采用SOIC-16封装,其中有8个辅助引脚可供使用,因此有机会提供两种不同的过流检测(OCD)警告级别; 一个非常快,另一个更慢但更准确。GO传感器的速度和精度与具有磁路的传感器的速度和精度非常相似。当然没有磁路意味着磁偏移为零。dSH电子头条

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图1:采用SOIC-8和SOIC-16封装的GO系列传感器及其引脚连接dSH电子头条

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架构和功能dSH电子头条

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GO传感器ASIC源自具有磁路的LEM开环传感器中使用的传感器。该ASIC具有丰富的生产经验,可以在众所周知的信号路径模块周围引入一些额外的功能。在本节中,描述了GO换能器的设计,并且与磁路换能器进行了一些对比。dSH电子头条

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图2:SOIC-16封装中GO传感器的框图。dSH电子头条

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图2显示了采用16引脚封装的GO传感器的简化框图。植入ASIC中的多个霍尔单元放置在初级电流的两侧以检测其磁场。它们的偏移以及输入放大器的偏移通过斩波技术消除,该技术将霍尔单元输出调制为AC信号。放大后,霍尔信号在输出缓冲和滤波之前被解调回其原始频率。通过使用高斩波频率和内部滤波器来实现快速响应时间,从而降低系统的噪声带宽。dSH电子头条

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在生产过程中,每个传感器都单独校准。测试在3个温度下进行; 测量灵敏度和输出偏移的漂移并将校正存储在ASIC的EEPROM存储器中; 这确保了传感器精度在温度和老化过程中保持不变。 dSH电子头条

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ASIC通过一系列绝缘层与初级导体分离 - 选择了最佳分离,以便在具有较宽分离的最高隔离和具有较低分离的霍尔电池的最高磁场之间实现最佳折衷。初级的相对侧上的霍尔单元对相反方向的场敏感,因此换能器不受来自除测量电流之外的源的均匀磁场的影响。霍尔单元相对于初级的精确横向位置并不重要,因为使用了相对侧上的单元的输出之间的差异。换句话说,霍尔单元被配置为梯度传感器。dSH电子头条

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图3:过流检测(OCD)系统的框图dSH电子头条

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OCD实施的细节如图3所示。目的是给出两个不同级别的警告。第一级用于略高于预期的电流,以警告例如驱动电流超出预期范围。该OCD需要相当准确,不是特别快,并且每个用户可能想要设置不同的级别。宽松的速度要求允许从换能器输出获取该第一OCD的输入,并且该电平由用户选择的外部电阻器设置,因此其名称为OCD_EXT。dSH电子头条

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第二级用于警告由于例如短路而危险地高的电流。响应时间必须非常快,但检测水平的值和准确性并不重要。为了获得快速响应时间并允许OCD电平超出正常线性工作范围,在解调模块之前获取第二OCD的输入。它的电平是通过在EEPROM内部存储参数来内部设置的 - 因此它被称为OCD_INT。电平通常设置为标称初级电流IPN的3倍。dSH电子头条

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图3略微简化:它省略了确保两个OCD都响应正负过电流的细节。 dSH电子头条

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两个OCD都检查过电流状况是否存在至少约1us,以避免误报,并且一旦触发,两个输出都保持10us以确保可以检测到该状况。输出为漏极开路,方便地将多个传感器的OCD连接在一起。OCD_INT触发不到2.1 us; OCD_EXT的典型响应时间是10 us。dSH电子头条

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采用16引脚封装的GO系列传感器的占位面积约为100 mm2,而采用8引脚封装的则为一半。带磁路的最小PCB安装传感器的相应值约为400 mm2。高度分别为2.5毫米和12毫米。然而,对于这两种类型,在较高的电流范围内,必须留出一些余量以消散换能器初级中产生的热量,这在GO系列中更大,因为初级电阻更高。 dSH电子头条

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关键参数和测量的传感器性能dSH电子头条

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在表1中,给出了GO系列换能器的一些关键电气参数。为了比较,还给出了具有磁路的小型开环换能器的相同参数的值 - 选择小型换能器以进行最有意义的比较,较大的换能器将具有不同的参数值。dSH电子头条

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表1:GO系列和基于磁路的传感器的关键参数的比较dSH电子头条

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表1显示,许多关键电气参数与已建立的带磁路的传感器相比没有改变或略有改进,而其他的,如尺寸和绝缘,则不同,允许两个换能器系列解决完全不同的市场。dSH电子头条

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图4:GO传感器的响应时间测量dSH电子头条

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图4显示了0.3 us的初级电流变化后的测量响应时间。紧凑的尺寸和传感器中没有磁性元件可以产生很小的过冲和振铃响应。dSH电子头条

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如果来自两侧的霍尔单元的放大电输出相同,则先前断言GO传感器不受外部磁场干扰的断言将是真实的,因为使用了两个输出之间的差异。为了满足这个条件:dSH电子头条

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(i)霍尔电池两侧(和它们所连接的放大器)的霍尔电池的灵敏度必须相同; 也就是说,它们必须匹配良好; dSH电子头条

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(ii)初级线两侧的磁场必须相同; 它必须是统一的。dSH电子头条

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考虑到第(i)点,因为霍尔单元和放大器是用大型器件制造的,所以它们的匹配非常好。当均匀的外部磁场施加到GO换能器时,几乎完全被拒绝。dSH电子头条

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然而,对于点(ii),靠近换能器放置的导体产生的磁场不均匀,并且不能完全拒绝来自初级侧两侧的输出。已经研究了放置在GO换能器附近的4个不同位置的导体; 见图5.最坏的情况是位置3,其中外部导体与GO初级对准。如果外部导体承载10A并且测量的电流也是10A,则由于外部电流导致的换能器输出误差将仅为测量电流的约1%,即使外部导体与GO之间的距离为零。这项调查表明,在PCB布局设计中尽量小心,外部导体对GO系列传感器的精度影响可以忽略不计。dSH电子头条

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图5:外部导体对GO传感器精度的影响。当GO初级导体和外部导体中的电流相同时,会显示错误dSH电子头条

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微型传感器的另一个重要考虑因素是突然的初级电压变化对传感器输出的影响。这最好在ASIC级别处理。在内部信号电平很小的情况下,它们总是差分的,并且由于外部瞬态而导致的共模电平的变化几乎没有影响。顶部金属层上的小型接地屏幕可以保护敏感节点。筛选仅用于需要的小区域。与大屏幕相比,这有许多优点:顶部金属层仍可用于不需要屏幕的互连; ASIC裸片没有被隐藏,可以分析损坏的部件,并且没有涡流会减慢响应时间。dSH电子头条

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图6显示了5kV / us的dv / dt对25 A GO(GO 25-SMS)输出的影响。输出峰值干扰是IPN的4%,恢复时间约为3.6 us。dSH电子头条

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图6:dv / dt干扰后GO传感器(GO 25-SMS)的响应dSH电子头条

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结论dSH电子头条

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本文介绍了一系列用于隔离测量交流和直流电流的新型微型,快速和精确的传感器。它们的一些电参数类似于具有磁路的换能器的电参数,并且其他参数被改变。不同的传感器适用于不同的应用,并且将该系列添加到LEM目录中将扩展系统设计人员使用最有效的经济高效的隔离电流测量方法优化系统的可能性。dSH电子头条

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[1]David Jobling:具有接近闭环性能的新型开环电流传感器。PCIM会议记录,2014年5月,第222-6页。dSH电子头条