采用1MHz带宽的电流传感器检测差分电流

日期:2018-03-30

作者:Maxwell McNally ,Allegro MicroSystems, LLC
 
摘要
本文介绍了Allegro MicroSystems新型高隔离、高带宽ACS733霍尔效应电流传感器集成电路的应用情况,并概述了其在高速电流互感器(CT)电流检测解决方案中的特点和优势。
电流传感器简介
ACS733是第一款1MHz带宽霍尔效应电流传感器IC,并采用Allegro的3600VRMS隔离技术。该传感器尺寸小,以高带宽实现隔离电流感测,能够为用户提供了精确、低成本的解决方案。该器件的高带宽由高速模拟信号路径实现,此路径采用差分传感来隔离对共模磁场的干扰。
图1的方框示意图显示器件的内部方框图。温度传感器使Allegro可以在整个温度范围内微调零安培输出电压和灵敏度(信号路径增益)。IC将温度补偿值存储在EEPROM中,在器件的整个工作温度范围内提供稳定或高精度的输出信号。



1ACS733功能框图
 
差分测量
依靠磁场进行测量的电流传感技术会受到外部磁场的影响。通过使用两个霍尔效应极板来测量输入电流产生磁场的相反极性,ACS733能够抑制共模场。这样可以在其他电流轨迹旁边使用传感器器件。ACS733具有大约-40dB的共模场抑制,可用于均匀恒定的场。
ACS733的共模场效应抑制比CT更具优势,因为在外部磁场存在的情况下,CT内核可能饱和,并改变了器件的工作特性。
噪声和灵敏度
ACS733的典型噪声密度为80μA/√Hz。在1MHz的整个带宽内,就成为100MARMS的输入参考总噪声。在不同的灵敏度下,该安培误差将在输出端显示为不同的mV误差水平,但是这表明该部件具有有效的100mA分辨率。下面的表1比较了ACS733目前的灵敏度下所见的mV输出误差。但是,通过减少器件的有效带宽、或是超量采样和取平均值,或者用RC滤波器对输出进行滤波,可以降低噪声。
1:灵敏度和结果mV噪声
部件 传感器
(mV/A)
噪声密度
(μA/√Hz)
分辨率
(mA)
误差
(mV)
733-20AB 66 80  100 6.6
733-40AU   4.4 
733-40AB  33   3.3
733-65AB   20   2.0
 
 
高工作带宽和快速响应时间
ACS733具有1MHz的高工作带宽。该器件的高速模拟信号路径在所有Allegro全集成电流传感器IC中具有最快的响应时间。典型的输入阶跃响应时间<800ns,典型的故障输出响应时间<600ns。图2显示了与典型电流互感器(CT)的响应相比,ACS733对电流阶跃的响应。两者都能非常快速地响应1μs输入阶跃。

图 3:CT 和 ACS733 阶跃响应对比

2CTACS733阶跃响应对比
 
用户可设置的过流故障检测
ACS733的其他功能包括用户可设置的过流漏极开路NMOS故障输出。这可以更快地报告过电流或短路事件。该引脚的过流事件侦测速度比模拟输出信号ADC转换更快。ACS733的故障级别可以设置为从最大初级感应电流(IPR(MAX))的50%到IPR(MAX)的200%中的任何级别,只需设置VOC引脚上的电阻分压器。这为客户提供了一种简单的方法来为其特定应用设置过流级别。
VOC引脚上的电阻分压器的级别设置为VCC的10%,以将故障级别设置为IPR(MAX)的50%,设置为VCC的40%,以将故障级别设置为IPR(MAX)的200%。下面的表2显示了ACS733在四种不同故障级别下的计算结果。
2:故障级别和电压分压器示例
电压
电压(V)
VOC
(%VCC)
VOC
(V)
故障级别
(%IPR(MAX))
电阻器
(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
 

未检测到故障时,故障信号为高级别。发生过流事件时,开漏NMOS输出将拉低FAULT引脚的输出。下面的图3显示了对应当前阶跃输入的故障输出函数。由于器件具有漏极开路NMOS输出,因此能针对多相系统,将其逻辑“或”地连接控制器的单个故障中断数字I/O引脚。

图 4:ACS733 骨瘤故障检测

3ACS733过流故障检测
 
紧凑外形
电流互感器体积庞大,需要带绕组的偏置铁芯和电阻负载来检测电流。ACS733是采用标准SOIC16W表面贴装封装的全集成传感解决方案,占用PCB面积最小。在尝试最小化系统尺寸时,可以将板卡电流轨迹延伸到安装到PCB上的部件,这就提供了显著的空间节省优势。
高压隔离
尽管尺寸较小,但获得专利的封装技术可提供高电压隔离。因为只需要感测磁场,高电流引脚与低电压信号引脚之间具有隔离。符合UL 60950-1(第二版)的SOIC16W(LA封装)的ACS733已通过3600VRMS认证。
结论
在需要针对高速和高电压隔离电流检测时,ACS733具有明显的优势。LA SOICW封装是一种表面贴装解决方案,易于集成,与笨重的电流互感器解决方案相比,可减小占用的PCB面积。ACS733的SOIC16宽体封装能够使载流迹线到信号引脚之间具有3600VRMS的隔离。传感器IC在Allegro工厂进行了工作温度范围内的优化,并在发生过流和短路事件时提供漏极开路NMOS FAULT输出,以实现快速数字输出。这种完全集成的传感技术是一种理想应用于汽车和工业领域的片上系统解决方案,使工程师可以轻松地将其集成到应用方案中。
 

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