傳感器/ASIC集成縮小電流變送器體積

　　電力電子的發(fā)展趨勢與其他電子領(lǐng)域的發(fā)展趨勢沒有什么不同——更大規(guī)模集成加降低元件數(shù)量。但是，由于電力電子系統(tǒng)中存在散熱器、磁性元件與線圈等元件，使高水平集成更加困難。微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）已在檢測系統(tǒng)得到應(yīng)用，并可能應(yīng)用于系統(tǒng)的其他部分。

　　傳統(tǒng)的電流變送器不適合于家電產(chǎn)品和空調(diào)系統(tǒng)市場，因?yàn)樗鼈凅w積太大、價(jià)格高昂。而一種成本較低、體積較小的變送器則使得測量這些系統(tǒng)的電流成為可能，唯一受到的限制是漏電、間隙和絕緣等級等外界因素。

　　用于LEM自己的LTS電流變送器的應(yīng)用定制集成電路（ASIC）采用一個(gè)尺寸僅有22.2mm(長)×10mm(寬)×24mm(高)的 PCB安裝封裝，實(shí)現(xiàn)了這種霍爾效應(yīng)閉環(huán)變送器。然后，LEM又開發(fā)了使用霍爾效應(yīng)開環(huán)技術(shù)的ASIC，誕生了一系列范圍廣泛的變送器產(chǎn)品，最小型號的尺寸只有18.7mm(長)× 16.7mm(寬)×10.7mm(高)。

　　這些ASIC集成了電流變送器所需要的電路（場檢測元件，全部有源電子元件，如放大器、晶體管、二極管、齊納管、電壓基準(zhǔn)等）。某些部分采用了專門的硅技術(shù)以改進(jìn)性能，如偏置漂移和增益漂移。磁性電路元件與外殼仍與ASIC分開。

　　微型化接下來的步驟是將這些余下的磁芯元件集成到ASIC封裝中。

　　Minisens/FHS可將一個(gè)待測電流的磁場轉(zhuǎn)換為一個(gè)電壓輸出。這個(gè)“初級”電流流經(jīng)一根電纜或PCB走線（此電纜或PCB走線位于IC旁但與IC電氣隔離）。IC中的霍爾效應(yīng)器件測量磁場，這個(gè)磁場通過一個(gè)放置在IC頂部的磁通會聚器，聚焦在霍爾元件部位。

　　會聚器的形狀對某些方面作了優(yōu)化，包括測量普通PCB電流水平時(shí)會遇到的磁場靈敏度（增益）以及線性度。

　　會聚器提供系數(shù)約為8的無噪聲增益。霍爾元件的輸出通過自旋技術(shù)作上變頻，這樣既可以探測到小磁場，又不會有偏移或1/f噪聲問題。IC對初級電流磁場的靈敏度最高為600mV/mT。

　　這就是霍爾效應(yīng)開環(huán)技術(shù)的基本工作原理，而所有這些均集成在一只小型IC封裝中。

　　探測的電流可以為正，也可以為負(fù)。通過檢測磁場的極性，產(chǎn)生一個(gè)正電壓輸出或負(fù)電壓輸出，該輸出相當(dāng)于由無磁場時(shí)初始偏移所確定的基準(zhǔn)電壓。標(biāo)準(zhǔn)的初始偏移為2.5V（內(nèi)部基準(zhǔn)）。用戶可以指定一個(gè)2～2.8V之間的外部基準(zhǔn)。

　　Minisens最普通的用法是將其放在一個(gè)PCB走線上方，該走線承載著需要測量的電流。為優(yōu)化變送器的功能，需要在走線的尺寸上應(yīng)用一些簡單的規(guī)則。通過改變PCB和走線結(jié)構(gòu)，可以測量2～100A之間的電流。一種可行的方法是將IC直接放在某根PCB走線上。我們將這種方式叫“設(shè)計(jì) 1”見圖1。

圖1 一種可行的PCB設(shè)計(jì)：走線位于Minisens的正下方

　　在這種方式中，PCB板用于隔離，可測量的電流大小為2～20A。

　　將變送器放在電路板的另一面，但仍然直接跨在走線上，這樣可以改善絕緣性能。電路板的厚度及走線本身都會影響靈敏度，因?yàn)樗鼈兌贾苯佑绊懼鴻z測元件（位于IC內(nèi)部）與初級導(dǎo)體之間的距離。值得注意的是，較窄走線的靈敏度更高。不過，走線越窄，溫度升得也越快。

　　走線的溫升決定了可以連續(xù)施加的最大安全電流值。采用變寬度走線可以獲得靈敏度與走線溫升的最佳組合。銅的溫度受限于PCB材料的玻璃轉(zhuǎn)變溫度（135℃），而Minisens的最大工作溫度為125℃。出于安全邊際考慮，最好讓走線工作在低于115℃的溫度下（UL建議不超過100℃）。為維持這些溫度水平，走線的寬度、厚度和形狀都非常重要。

　　對于小電流（低于10A），建議用初級走線做幾個(gè)圈，以增加初級電流產(chǎn)生的磁場。對單根走線，Minisens周圍走線的寬度最好大于其下方的走線寬度（以降低溫升）。我們將這種設(shè)計(jì)叫做“多圈”。

　　舉例來說，可以采用四圈設(shè)計(jì)如圖2所示，Minisens位于PCB的反面，這是一種高絕緣度的結(jié)構(gòu)。另一種增加靈敏度的方法是使用較窄的走線。

圖2 四圈走線設(shè)計(jì)/高絕緣度結(jié)構(gòu)

　　高絕緣性來自于經(jīng)改善的爬電間距與隔離間距，因?yàn)槌跫墝?dǎo)體（四圈走線）位于低壓電子元件所在PCB板的反面。這種情況下，確保兩種距離都為8mm（PCB的特性：1.6mm/70μm Cu）（走線寬度：Minisens下為0.78mm，其他地方為3mm）。

　　采用這種設(shè)計(jì)，在85℃環(huán)境溫度下，可以測量5A的額定初級電流（條件：自然通風(fēng)，30℃走線溫升）。測量范圍為±15A，靈敏度為130mV/A，對15A電流輸出產(chǎn)生2V電壓。

　　用其他技術(shù)可以進(jìn)一步增加靈敏度，如在Minisens上方用一個(gè)“跳線”與PCB走線構(gòu)成一個(gè)回路，或在不同PCB層之間實(shí)現(xiàn)多個(gè)圈。測量較大電流時(shí)，可以將變送器定位于距初級導(dǎo)體較遠(yuǎn)的地方。