无芯霍尔效应电流传感器 IC 采用的共模场抑制技术
作者：Alexander Latham，
Allegro MicroSystems, LLC
背景
Allegro 电流传感器 IC 利用霍尔效应测量集成载流回路产生的磁场，并能将磁场转换成与电流成正比的电压。这种技术有许多优势，包括电流隔离、低功率损耗和超温高精度。该技术的磁滞几乎为零，因为它未使用磁芯来集中磁场。但不使用磁芯也有缺点，那就是传感器 IC 容易受到杂散磁场的影响。使用磁芯时，可使杂散磁场在传感器 IC 周围分流，因为磁芯在传感器 IC 周围提供了一个低磁阻通路。不使用滤芯时，霍尔板会发现到载流轨迹或螺线管产生的杂散场，进而可能在测量电流时产生误差。正确的电路板和系统设计能在电流测量时消除这些误差来源；但经优化的轨迹布局可能限制 PCB 和系统的设计。针对该问题的解决方案是集成差分电流传感技术。
图 2：采用差分霍尔板配置的集成电流传感器 IC 引脚框
差分电流传感的原理
差分电流传感的基本原理是载流导体的两侧产生的磁场具有相反的极性。这就是说，当使用图 2 所示的载流引脚框时，霍尔板 1 (H1) 会出现所示电流产生的范围外磁场，霍尔板 2 (H2) 会出现所示电流产生的范围内磁场。当电流传感器 IC 上存在共模场时，两个霍尔板会发现相同的磁场。通过减去两个霍尔板的输出，我们能抑制这些在外部产生的磁场。差分电流传感器 IC 的输出如下所示：
其中，B1 表示 H1 发现的磁场，B2 表示 H2 发现的磁场，G 表示传感器 IC 的增益（单位：mV/G）。如果有电流通过引脚框 (I)，并且传感器 IC (BC) 上存在共模场，则差分传感器 IC 的输出为：
其中，C1 表示 H1 的耦合因数（单位：G/A）， C2 表示 H2 的耦合因数（单位：G/A）。简化该等式后可得出：
共模场 (BC) 抵消，输出信号只与通过传感器 IC 的电流成正比。同样，由于霍尔板只能测量一种尺寸的磁场，所以传感器 IC 会忽略其他平面内的外部磁场。
差分电流传感的限制因素
差分电流传感的抑制能力有两种主要限制：
- 霍尔板匹配：在共模场的作用下，两个霍尔板的不匹配会使差分传感器 IC 的输出产生一些变化。Allegro 电流传感器 IC 是单片器件，所以两个霍尔板都在相同的芯片上，从而能产生名义上和超温状态下的高度匹配。单晶片上的霍尔板匹配通常高于 1%。
- 场梯度：如果通过两个霍尔板的外部干扰磁场不均匀，干扰磁场的差别就会传播到传感器 IC 的输出。要应对这种限制，可将两个霍尔板尽可能靠近放置，同时使其位于导体的另一侧。
均匀外部磁场的共模抑制
霍尔板在晶片上的匹配通常约为 1%，这会将共模场的抑制限定在 40 dB 左右。在此均匀外部磁场 (BC) 的作用下，传感器 IC 的输出误差（单位：A）为：
图 3：两个霍尔板 1% 不匹配时的误差（单位：A）与共模场的对比Cf = 10 G/A
其中CF 表示通过传感器 IC 流向霍尔板的电流的耦合因数（单位： G/A），它等于以上 C1 + C2 之和。大多数 Allegro 集成电流传感器 IC 的耦合因数约为 10 - 15 G/A，这会产生图 3 所示的输出误差（单位：A）与外部磁场的对比。为便于理解怎样产生这类磁场，我们在距离传感器 IC 仅 10 mm 的导线内接通 50 A 电流，即可在传感器 IC 上产生 10 G 的磁场。霍尔板的匹配为 1% 时，由于该磁场的存在，传感器 IC 的输出只会产生约 10 mA 的误差，相比之下，未采用共模场抑制时，会产生 1 A 的误差。
对邻近载流导体产生的磁场进行共模抑制
在电流传感器 IC 应用中，最常见的一种干扰磁场是邻近载流导体。这些可能是其他相位或接地回路。载流导体产生的磁场可能在两个霍尔板上产生不均匀场，具体取决于电流的方向。最坏的情况是电流方向与两个霍尔板垂直，如图 4 所示。
图 4：与两个霍尔板垂直的外部电流
在此情况下，H1 和 H2 发现的磁场为：
其中，I 以 A 表示，D 以 mm 表示，d 以 mm 表示，B1 和 B2 以 G 表示。当只使用一个霍尔板时，B1 是会被发现的磁场。当使用差分配置时，可减去两个霍尔板（B1 和 B2）的磁场，从而可得出：
用这些磁场除以耦合因数 CF (~10 to 15 G/A)，可将这些干扰磁场转换为误差（单位：A）。图 5 显示了只使用一个霍尔板时的误差与距离的对比。
图 5：单独霍尔传感的载流导线的误差 (A) 与距离的对比（d 是 0.8 mm）
图 6：当电流方向与霍尔板垂直时（d 是 0.8 mm），用于差分传感的载流导线的误差 (A) 与距离的对比
图 6 显示了使用差分配置时的误差。图 7 显示了单独霍尔配置与差分霍尔配置之间的抑制比（单位：dB）。显著点是 -20 dB，其中抑制比是 10X，在 -30 dB 时的抑制比是 30X。这些点取决于 D 和 d 的比率，如图 8 所示。图 8 中的所有 D 和 d 值保持不变，也就是说，减少霍尔板之间的距离，并增加霍尔板到外部载流导线的距离，会减少测量值的误差量。大多数 Allegro 集成电流传感器 IC 的霍尔间距 (d) 约为 0.6 - 1 mm。
图 7：在外部导线与传感器 IC 的距离内，单独霍尔配置与差分霍尔配置的抑制比。外部导线的电流方向与两个霍尔板垂直。d 是 0.8 mm。
图 8：在外部导线与磁传感器 IC 的相对距离内，单独霍尔配置与差分霍尔配置的抑制比 (D/d) 。外部导线的电流方向与两个霍尔板垂直。
当邻近载流导体的电流方向与两个霍尔板平行时，会在两个霍尔板上产生相同的磁场。这是理论抑制无限的理想情况。其中，抑制的限制因素是霍尔板的匹配，如上所述。当然，介于最坏情况（垂直配置）和理想情况（平行配置）之间的所有情况都可能出现。如图 9 所示，干扰磁场的计算方法如下：
图 9：邻近电流产生的离角磁场
试验数据
利用差分电流传感的 ACS724 电流传感器 IC 可用于验证本文阐述的分析。进行试验时，可将载流导线放在传感器 IC 附近，并使其与霍尔板垂直，然后以不同的距离和电流强度测量传感器 IC 输出的变化。为估算误差，ACS724 采用的关键参数包括：
- 霍尔板之间的距离 (d) 是 0.7 mm。
- 与一个霍尔板的耦合是 11 G/A，与另一个霍尔板的耦合是 2.8 G/A，所以总耦合因数 (CF) 是 13.8 G/A。
所以估计误差 (A) 是：
图 10 中的虚线表示使用此公式计算的估计误差，图中的点表示测量值。总之，试验数据与计算误差还是比较匹配的。测量误差可能略小于计算误差，因为邻近导线未与霍尔板在同一平面，从而使传感器 IC 上的磁场减弱。
图 10：差分霍尔传感的载流导线的估计误差 (A) 与距离的对比
总结
最终，集成差分电流传感使杂散磁场产生的误差减少了一到两个数量级。这样，此类传感器 IC 的用户就不必再担心杂散场干扰电流的测量，而且能简化 PCB 布局，并使用外形更精巧的系统。对于具有载流轨迹或磁场发生装置（如螺线管）的高度压缩的系统，可采用本应用说明阐述的分析，以快速估算这些杂散场产生的误差量。这样设计人员就能预见和改正可能在系统内引入过多误差的系统配置或 PCB 布局，从而显著减少设计迭代的次数。