采用1 MHz 带宽的差分电流检测 ACS733
作者：Maxwell McNally, Allegro MicroSystems, LLC
摘要
本应用注释介绍了 Allegro MicroSystems 新型高隔离、高带宽 ACS733 霍尔效应电流传感器集成电路 (IC) 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。
介绍
ACS733 是第一款 1MHz 带宽霍尔效应电流传感器 IC，并采用 Allegro 的 3600 V RMS 隔离技术。该传感器为用户提供了精确、低成本的解决方案，该器件尺寸小，以高带宽实现隔离电流感测。该器件的高带宽由高速模拟信号路径实现，该路径采用差分传感来隔离对共模磁场的干扰。图 1 显示该器件的引脚排列。该 IC 采用宽体 SOIC 16 引脚 LA 封装。引脚 1 至 8 为电流输入保留，4 个引脚为正极和负极端子。这些引脚都采用低电阻引线框铜进行内部连接，以获得更好的散热性能。
ACS733 引脚 9 至 16 输出信号引脚。VCC 和 GND 用于为器件供电，VIOUT 是代表 IP 总线检测电流电平的模拟输出。检测到低电流时，FAULT引脚为高电平，但是如果检测到高于某个阈值的电流，则会被拉低。该电平在 VOC 引脚上设置，电压分压等级为 VCC 的百分比，相当于器件最大额定电流的百分比。PROGRAM 引脚用于工厂校准，应该接地以获得最佳的 ESD 性能。
差分感应
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部件。ACS733 具有大约 -40 dB 的共模场抑制，可用于均匀恒定的场。有关差分检测的更多信息，请参见应用注释“无芯霍尔效应电流传感器 IC 中的共模场抑制”。
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 内核可能饱并并改变器件的工作特性。
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 当前提供灵敏度所见的 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。
表 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 |
高带宽操作和快速响应时间
ACS733 具有 1 MHz 的高工作带宽。该器件的高速模拟信号路径提供了任何 Allegro 全集成电流传感器 IC 的最快响应时间。典型的输入阶跃响应时间 <800 ns，典型的故障输出响应时间 <600 ns。图 3 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。
用户可设置的过流故障检测
ACS733 的附加功能是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 的故障电平可以设置为从最大初级感应电流 (IPR(MAX))的 50％ 到 IPR(MAX)的 200％ 的任何电平，只需使用 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电平。
VOC 引脚上的电阻分压器的电平设置为 VCC 的 10％，以将故障电平设置为 IPR(MAX) 的 50％，设置为 VCC 的 40％，以将故障电平设置为 IPR(MAX)的 200%。下面的表 2 显示了 ACS733 在四种不同故障电平下的计算结果。公式 1 显示了针对任何所需故障电平的 VCC 百分比的计算。
VOC百分比= 故障百分比 × 0.2 (1)
表 2：故障电平和电压分压器示例
| 电压 电压 (V) | VOC (%VCC) | VOC (V) | 故障电平 (%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，故障信号为高电平。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 4 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。
外形紧凑
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，印刷电路板 (PCB) 面积占用最小。下图 5 是与两个 CT 相比的 ACS733 的尺寸。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。高电流引脚与低电压信号引脚隔离，因为只需要感测磁场。符合 UL 60950-1（第二版）的 SOIC16W（LA 封装）的 ACS733 已通过3600 VRMS 认证。
结论
ACS733 具有一系列特性，在需要高速和高电压隔离电流检测时，具有显着的优势。LA SOICW 封装是一种表面贴装解决方案，易于集成，并可减小笨重的电流互感器解决方案的 PCB 面积。ACS733的SOIC16宽体封装从载流迹线到信号引脚提供 3600VRMS 隔离。传感器 IC 在 Allegro 工厂进行了工作温度范围优化，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与汽车和工业应用兼容的片上系统解决方案，使工程师可以轻松地将其设计到应用方案中。