萊姆采用ASIC技術的新一代電流傳感器

電力電子行業的市場發展趨勢對應用特殊元部件提出了要求。對于電流測量也是如此。從基本上來說，若要獲得一定的測量精度，就要求元部件具有相對應的尺寸以及投入相應的成本。本文介紹了一款新一代電流傳感器，該傳感器主要通過一種特別開發的ASIC技術來實現基于開環霍爾效應的電流傳感器性能改善。

通道-ASIC
目前在市場上我們可以采購到很多霍爾-ASIC傳感器，我們可以用這些傳感器來測量位置、磁場以及電流。所有這些ASIC傳感器大多用于進行精確快速的電流測量，比如電力電子行業，對于電磁干擾具有高抗干擾性的優點。 這一基礎已經使得新集成元件得到了開發，這些元件特別適合這些需求（圖1）。該新型集成元部件基于CMOS技術，將開環霍爾效應電流傳感器結構的所有元件綜合在了一個單片上。霍爾陣列作為測量元件，后面跟著放大級以及擴展編程單元和一個穩定的帶隙基準電壓。該元部件具有以下特點：-
-5V 電源
-從0.5到4毫伏/高斯的大測量范圍
-可以對偏差和增益進行編程（比例或固定）
-基準輸入/輸出
-可編程溫度補償
-接線管腳具有短路和靜電放電（ESD）保護
-溫度范圍從 -40°C到+ 125°C。

基準電壓作為測量的零點可以在生產過程中進行編程。可以提供一半的供電電壓或固定的2.5V電壓。外部管腳上也可以提供基準電壓。例如，該基準電壓隨時都可以通過一個來自A/D轉換器的當前外部基準電壓經一個200Ω的內部載荷阻抗進行作用。

參數
與傳統霍爾元件相比，瞬態電流的速度幾乎沒有變化。具有100A/＊s電流變化率（di/dt）的瞬態電流后的延遲時間大約為4µs，如圖2所示。對于電流電路短路切斷和調節來說，這個延遲時間該足夠。有點長些的延遲時間可以通過霍爾芯片的斬波技術來進行說明，該技術用于改善漂移參數。

對于在高EMC環境所使用的傳感器來說，其中一個關鍵參數是在電壓跳變（共模）之后的性能。圖3記錄了6 KV/＊s電流變化率（dV/dt）的情況，同時給出了當輸出為大約20mV時跳過一個偏差之后的狀態，這一結果與3%標稱值的漂移相一致。性能是平衡的，因此在不產生偏差的情況下可以對其進行外部或內部過濾。

由于斬波的穩定性，與傳統霍爾元件相比，感應器輸出處的噪音增加了三倍。一般情況下，該噪音大約為10m/Vpp，與大約1.4%的輸出標稱電流相對應。由于500KHz的高噪音頻率，該噪音并不會對通常的應用產生影響。對于具有高帶寬的超快電流調節電路來說，應將該參數考慮進去。
在溫度漂移（對于電流傳感器來說是一個最基本的參數）方面，可以通過與傳統解決方案相比較來實現最大程度的改善。與傳統傳感器相比，偏差漂移和增益漂移已經通過一個超過2的因數進行了改善。當溫度升高50°C時，偏差漂移達到最大值，為1.6%最大標稱值。增益漂移，定義為測量值的百分比值，在最差的情況下可達到2%。這些值對開環霍爾效應電流傳感器來說是極好的值。
安裝在印刷電路板上的傳感器應盡可能與解耦電容緊密地連接在一起。這些電容對EMC特性的改善作用顯著。圖4給出了布線圖，該布線具有在測量過程中實際發現的值。但是，這種布線會根據不同的應用場合而略有不同。
該基準電壓應該具有與供電電壓相同的值。

各種適用設計方案
憑借該項ASIC技術，我們已經開發了四個新型號范圍的開環霍爾效應電流傳感器，這些傳感器適用于各種不同場合。在傳感器的開發過程中，我們特別注意了所涵蓋應用場合的要求、對于力學方面以及對于電力部件與電子元件分離絕緣方面的要求。比如安裝在電池驅動的車輛內，我們還首次開發了適合低電壓高達100V應用場合的特殊傳感器。

HXS
用于測量從50A標稱值到150A測量范圍電流的最小設計型號。該型號的傳感器具有4排主要總線條，這些總線條可以通過并聯或串聯連接，并且能夠使該元件能夠涵蓋3個測量范圍。
該型號范圍包含用于各種應用場合的6種不同傳感器，這些傳感器區別在于電流范圍、各種溫度范圍以及核心材料。其中特別開發了一種用于長屏蔽導線和與這些導線有關的電容性電流的傳感器。因此消除了由于高頻率損失而產生的磁芯發熱。該傳感器特別適合于變頻器、電源和小型UPS裝置。

HAIS
該型號涵蓋50-400A（600A）的電流范圍。符合在高達600V標稱電壓值時進行安全操作的要求（超電壓類別III、污染度2）。主要開孔可以容納橫截面高達15 x 8 mm的總線條。對于固定到印刷電路板上，則提供兩個另外的焊針，在接地時也可以用于改善EMC特性。

HTFS
由于具有22mm的開孔，該傳感器可適用于電纜和總線條。也可能提供高達1200A的測量范圍。傳感器具有極其穩固的機械特性，可以用焊針或者螺釘固定到印刷電路板上。該傳感器特別適合于電池驅動的車輛，比如叉車或混合挖掘機。其首次使通過該小型設計記錄超過1000A的電流成為可能。

HFIS
從目前電流傳感器用于各種場合的汽車領域研發開始，這些傳感器就被進一步用于工業領域。為了實現緊湊設計，將主要開孔設置得非常小。因此該類型傳感器主要適用于具有低恒流和高測量范圍的各種應用場合。而且，該類型傳感器符合僅高達100V的安全隔離要求。應用范圍包括具有低峰值電流的切換網絡和電池驅動車輛部件，比如輪椅和高爾夫球棒車。

結論
根據應用場合的要求，我們為客戶提供幾種設計型號。由于只使用一個單獨的元件，因此這些設計型號有一個共同點，那就是具有很好平均故障間隔時間（MTBF）的高工作利用率。為了在生產中消除最終可能已經存在的誤差源，在開發過程中使用了6西格瑪工具。
根據歐洲EMC標準規定，所有的元部件都具有EC標識并進行了安全隔離。所有類型的傳感器都將進行UL認證。所有傳感器都符合于2006年7月1日生效的歐洲RoHS指令。