在使用 ACS71x 电流传感器 IC 时控制外部磁场干扰
作者 Richard Dickinson 与 William Bentley
摘要
无通量集中器的高度紧凑的霍尔效应电流传感器 IC 目前已进入市场，它能通过简单的布线步骤，并屏蔽沿主感应轴产生的外部磁通量对传感器的影响，以有效提高小电流分化的性能。
简介
当通过相邻的霍尔元件时，ACS71x 系列霍尔效应电流传感器 IC 可感应其产生的磁场，并以此测量电流（参阅图 1）。它们能直接测量该磁场，而无需使用在其他磁体装置（例如，在用于 ACS75x 系列电流传感器 IC 的 Allegro® MicroSystems CA 与 CB 封装内使用）中常用的磁通量集中器。
图 1.ACS71x 电流传感器内的电流通路。电流通过 U 形回路并围绕霍尔元件 (X) 沿任意方向流动。U 形回路安装在 SOIC8 封装内的芯片底部。
弃用通量集中器的好处是，几乎能彻底消除 IC 内的磁滞（误差来源）。但这也会减弱 ACS71x 传感器对抗外部磁场干扰的能力，而磁场干扰会影响电流测量的精度。在可能存在强磁场的应用中，必须注意与这些磁场相关的霍尔元件的校准和间距。在某些情况下，还需要对传感器进行屏蔽保护。
校准
通量线在导体四周形成一个环形区域，导体所在的平面与电流通过导体的方向垂直。霍尔元件只会响应与其表面垂直的通量分量，而且只会对该方向的磁场敏感。如图 2 所示，虽然原电流的通路 (IP) 与霍尔元件在同一平面内，通过 U 形回路的电流产生的磁通矢量仍会与霍尔元件的平面垂直。与霍尔元件相交的部分会产生一个横向电压，然后它会被放大并用于产生输出电压。
图 2.U 形回路与霍尔元件通过 U 形回路的电流在与电流通路垂直的平面内产生通量线。与霍尔元件的平面垂直的通量可产生霍尔电压。
可能的话，应使传感器附近的强电流导体垂直于安装传感器封装的印刷电路板上的平面。图 3 显示了这种影响。经过校准后，磁通量会在霍尔元件的平面内循环，而不是通过平面，而且只会对霍尔效应 IC 的输出产生很小的影响。
图 3.与霍尔元件的平面垂直的相邻导体与电流方向垂直的通量线平行于霍尔元件的平面，并且不会产生霍尔电压。
间距与布线准则
在要安装 ACS71x 传感器的地方为 PCB 布线时，最好在传感器和承载强电流的引线之间留出尽可能多的间距。图 4 显示了测得的相邻电流引线对 PCB 和传感器相同的一侧产生的影响。虽然这是优化设计的一个考虑因素，但相邻电流引线的影响很小，远不如在传感器内测量的电流产生的信号的影响。
图 4.承载 50 A 电流的相邻传导引线对 ACS71x 传感器的影响。随着距离 D 的增加，相邻导电引线产生的最小磁效应影响会迅速减小。
屏蔽保护
图 4 显示了当电流通路与霍尔元件在同一平面内，并且其磁通量线与霍尔元件的平面垂直时，相邻载流引线产生的磁通量对霍尔元件的影响。
如果需要加强对外部磁场干扰的防护，建议使用表面贴装的磁合金屏蔽层覆盖传感器的封装。如图 5 所示的屏蔽层能使外部磁通量从 SOIC8 封装转向，而且不会对封装内部产生的环绕主电流通路的磁场产生显著影响。图 6显示了典型的磁场效果。
图 5.简单的屏蔽层该设计可防止垂直的磁通量线从采用 SOIC8 封装的 Allegro 电流传感器 IC 的上方侵入。必要时，还可在 PCB 的另一侧放置第二个屏蔽层。
图 6.屏蔽层的磁场图简单的铁合金屏蔽层能使所有垂直的通量线转向，所以能有效保护霍尔元件。
可使用环氧树脂将屏蔽层固定在 PCB 上，但并不一定要为其设置接地的导电通路。因为霍尔元件对与其所在平面平行的通量线不敏感，所以不必封闭屏蔽层的侧面。实际上，考虑到蠕变和间隙等因素的影响，最好使 IC 引线附近的屏蔽层保持开启。
如果需要高级屏蔽功能，可在 PCB 的底部贴装第二个同类型的屏蔽层，以防止从底部通过 PCB 的垂直通量线影响霍尔元件。
实验结果
进行实验时，使用一个空心场源，对采用 8 引脚传感器封装的霍尔元件施加一个垂直的 ±240 G 磁场。记录由各种铁合金制成的屏蔽层达到的衰减水平和材料厚度。实验结果如下。采用两种铁合金，硅钢 (SiFe) 和镍铁 (HyMu) 合金，它们是具有高导磁率 ( µ) 的通用合金。需要注意的是，在大部分应用中，霍尔元件不得暴露在强度高达 60 G 的磁场中。例如，只有当 ACS71x 位于相邻汇流排 (承载 500 A 电流) 6 mm 范围内时，才允许最大 60 G 的磁场穿过霍尔传感器。
总结
本文介绍的校准、间距和屏蔽技术的应用将逐步普及，以有效减少在使用 ACS71x 电流传感器 IC 时，外部磁场产生的影响。
如果您在应对外部磁场的影响时，需要更多帮助，请联系您 当地的 Allegro 销售办事处，我们的应用工程师将为您服务。