下一代电流测量：利用磁电流传感器解决 PCB 设计难题
下一代电流测量系列简介：先进的磁电流传感器可精确检测电流产生的磁场，提供精确的电流水平测量。
导言
精密电流测量对于优化各种系统的性能和保护系统组件至关重要。传统方法是使用分流电阻和运算放大器将电流转换为可测量的电压信号。然而，此类方法存在明显弊端，例如发热、PCB 元件封装尺寸大、设计复杂。
本文阐述高效电流检测的必要性，并将传统分流电阻电路与先进的磁传感器进行比较。本文介绍了 Allegro 的主要电流测量产品，着重强调其在尺寸、热管理、设计简便性等方面的优势，有助于工程师了解产品应用场景，以及产品对现代电气系统影响。
本文是《下一代电流传感》系列文章的一部分，该系列文章深入探讨电流测量技术的创新发展。
电流感测对空间和功率效率的需求
由于几个原因，准确和有效的电流感测对于现代电气系统至关重要。它对于监测、控制和保护电气元件和系统必不可少。
以下场景展示了电流感测如何在各种应用中发挥关键作用：
电机驱动： 在各种工业和商业应用中，电流传感器对于调节和控制电动机性能非常重要。这些传感器通过提供消耗电流的实时反馈，实现对电机速度和扭矩的精确控制。这种能力非常重要，它能够优化电机效率、确保节约能耗、保护电机免因过流而导致潜在损坏。通过保持精确的电流水平，此类传感器还有助于延长电机系统的寿命和可靠性，使其成为现代自动化设备和机械中不可或缺的部件。
精确检测电机驱动器电流可确保最佳性能和效率，从而保护设备并实现平稳运行。
电池管理系统（BMS）：在电池管理系统中，电流传感器持续监测流入和流出电池的电流，发挥中枢作用。该数据对于计算电池的荷电状态（SoC）和健康状况（SoH）非常重要，两者是优化电池性能和寿命的关键。精确的电流测量可确保电池在安全工作区域内工作，防止过度充电或深度放电等情况，避免对电池健康和安全产生严重影响。
功率变流器：电流传感器是功率变流器的重要组件，该变流器可将电能从一种形式有效地转换为另一种形式（例如，交流变直流、直流变交流，或改变电压电平）。电流传感器能够精确控制功率转变过程，通过最佳开关时间最大限度地减少能量损失，并提高输出功率质量。
这些电力电子解决方案中的电流测量不仅提高系统的整体效率，还能增强依赖这些转换器的设备的可靠性和安全性，例如可再生能源系统、消费电子和工业机械。对于某些行业来说，电流测量极其重要，例如：
清洁能源：在太阳能电池板和风力涡轮机等系统中，精确的电流传感器有助于管理瞬时功率输出，这对于使生产与需求相匹配和保持电网稳定至关重要。
电动汽车（EV）：在电动汽车中，电流传感器在多个系统中发挥着非常重要的作用。此类传感器用于电池管理，精确监控荷电状态并调整充电周期，从而延长电池健康时间并提高安全性。电流传感器在车辆行驶时辅助调节电机驱动，它还控制电子动力转向系统中的电机，确保精确操纵。此外，此类传感器还监控信息娱乐和电源插座等系统，确保这些功能在安全的电气参数范围内运行，免受电气过载的影响。
此类传感器的应用不仅限于车辆本身，电动汽车充电器中的电流传感器对于监测充电电流以确保高效和安全的充电操作至关重要。
数据中心：电流传感器还用于数据中心服务器供电和备份系统，在维持稳定高效运行方面发挥着关键作用。它们有助于监控和管理电力负载，确保关键组件的最佳性能和可靠性。
工业应用： 为了提高性能和安全性，电流传感器在一系列工业应用中不可或缺。在电动自行车上，电流传感器监控电池负载，以优化电源管理并延长电池寿命。在物流和制造业中使用的自动导引车（AGV）中，电流传感器对于调节功耗、确保高效安全运行非常重要。此外，电流传感器有助于管理电动工具的能源使用，以防止过热，延长工具的使用寿命，并保护设备和用户。
消费类电子产品： 电流传感器对于检测和防止消费电子产品中的异常电流消耗至关重要。例如监控智能手机充电过程以防止过流，管理笔记本电脑的配电，调节电视的电源以防止尖峰可能损坏敏感电路。
电流测量基础
由于捕获和解释电子流存在固有困难，因此直接测量电气系统中的电流难以实现。相反，使用电流传感器将电流转换为可测量的电压信号，是在各种应用中有效利用电流数据的关键过程。此转换涉及两个主要步骤：
电流-电压转换： 测量电流的第一步需要将电流转换为相应的电压信号，通常借助分流电阻或磁电流传感器来实现。然后，所得电压信号可用于进一步处理。
信号调节： 转换成电压信号后，电流通常需要放大和调节才能被系统使用。这一步骤包括滤除噪声，将信号放大到可检测的水平，并使其稳定，确保在不同操作条件下的准确性。信号调理对于确保当前测量数据的精确性和可靠性非常关键。
分流电阻：传统方法
分流电阻，也称为电流分流器或电流检测电阻，多年来一直是电流检测的基础。分流电阻工作原理基于“欧姆定律 (V∝I)”，即电阻器两端的电压降与流过它的电流成正比。我们进一步了解其工作原理及其中存在的问题。
分流电阻工作原理
当电流流过分流电阻时，电阻器上会产生小幅电压降。该电压降与电流成正比，因此可以通过测量该电压来测量电流。然而，分流电阻产生的电压通常非常小，需要放大才能测量。这就需要用到电流检测放大器或分流放大器。这些放大器将增益（Av）应用于输入信号，并产生系统可以检测并执行的输出电压（VOUT = AvV）。
使用分流电阻进行电流测量。
分流电阻的值必须保持尽可能低，以最大限度地减少功耗和发热。然而，电压又必须足够高，以产生可以精确测量的可检测电压降。这种微妙的平衡确保电阻器不会在电路中引入显著的电阻，同时为精确的电流测量提供足够的信号。选择适当的分流电阻值以保持系统性能和精度，这点非常重要。
分流电阻的缺点
尽管分流电阻被广泛使用，但它也有明显的缺点：
元件封装大： 分流电阻及其相关元件（如放大器和滤波器）占用大量 PCB 空间。对于紧凑型设计来说，这可能构成限制因素，因为空间十分宝贵。
发热： 分流电阻的功耗是一个重要问题。以热量形式耗散的功率（P = I²R）会影响系统的性能，并且可能需要额外的冷却方案，因而进一步增加了设计的复杂性和成本。
设计复杂度： 使用分流电阻设计有效的电流检测系统时，需要滤波器设计方面的专业知识，并需仔细考虑无源元件随温度和时间的变化因素。这增加设计的复杂性，并且可能是一个耗时的过程。
准确度限制： 分流电阻的精度会受到温度变化和电阻精度的影响。确保高精度通常需要高质量的精密电阻，其成本往往较为昂贵。
鉴于上述局限因素，这显然需要电流感测替代解决方案，改进性能、效率，降低复杂度。
磁电流传感器
磁电流传感器的运行原理基于检测流过导体电流产生的磁场。以下是此类传感器如何工作的详细说明：
磁电流传感器的工作原理
当电流流过导体时，导体周围将产生磁场。这种现象符合“安培定律”，即导体周围的磁场（B）的强度与流过它的电流（I）成正比，与导体的距离（D）成反比：
公式中，𝜇0 表示自由空间的磁导率。
该基本原理构成霍尔效应传感器等磁电流传感器工作原理的基础。此类传感器运行的关键步骤包括：
磁场产生：当初级电流（IIN）通过导体时，在导体周围产生圆形磁场。该磁场的强度（BIN）随电流大小和距导体的距离（D）而变化。
霍尔元件放置： 霍尔元件是一种小型、扁平的半导体器件，它被有意地放置在与磁场方向垂直的位置。
使用集成磁电流传感器进行电流测量。
电压感应（霍尔效应）： 当磁场穿透霍尔元件时，由于初级电流，磁场对在霍尔传感器内移动的电荷载流子（电子）施加作用力。此力将电子移向霍尔元件的一侧，以在元件两端产生电压，称为霍尔电压。该电压垂直于电流方向和磁场。
电压输出： 霍尔电压与磁场强度成比例，因此与初级电流成比例。传感器电路通常将该电压放大到可用电平，从而产生输出电压（VOUT），通过测量该输出电压，即可得出流过初级导体的电流。
电流检测： 霍尔传感器的输出电压（VOUT）可直接与初级导体中的电流强度相关，这使得传感器能实时测量电流，而无需与初级导体进行物理接触。
Allegro 等品牌的磁电流传感器在其电流检测集成电路（IC）中集成了先进的信号调理功能，包括：
- 放大：将小电压信号提升到系统方便检测的水平。
- 过滤：消除噪声和多余信号，确保输出纯净。
- 补偿：调整信号以考虑温度变化，确保在各种操作条件下保持一致的精度。
磁电流传感器的优点
通过解决分流电阻的局限性，磁电流传感器为电流测量提供更高效、更紧凑和更可靠的解决方案。磁电流传感器的优势：
- 隔离式非侵入测量：磁电流传感器提供一种非接触式的电流测量方法，避免与载流导体的直接相互作用。此功能隔离不仅降低开关操作期间分流电阻常见的电压尖峰损坏系统组件的风险，而且还确保宽范围的过压和欠压容差。分流解决方案可能需要调整系统参数（如上升/下降时间）来管理电压尖峰，而磁传感器则不同，无需额外的保护组件或调整，就能保持测量精度和系统完整性。《下一代电流测量系列》中即将发表的一篇文章将进一步研究这一点。
- 降低发热量： 磁电流传感器的固有电阻比分流电阻低，因此散热量显著减少。这减少了对附加冷却机构的需要。更多有关此主题的见解，《下一代电流测量系列》之后的文章予以介绍。
- 简化设计：通过集成信号调理和工厂校准，磁电流传感器无需外部滤波器和大量的设计调整。这简化了设计过程，从而减少开发时间和成本。磁电流传感器将多种功能集成到单个 IC 中，通常占用较少的 PCB 空间。这种紧凑的设计能更有效地利用电路板空间，实现更精简的系统设计。本系列将在下一篇文章中进一步探讨这一点。
- 高精度和可靠性： 磁电流传感器在广泛的工作条件下提供精确的测量。工厂校准确保一致性和可靠性，使其适用于高精度应用。
- 在线电流检测： 低端开关方法需要微控制器（MCU）与脉宽调变（PWM）同步，并且在开关关闭时无法测量，ACS 系列等磁电流传感器通过提供直接读数来简化在线电流测量，从而避免其中的复杂性。与受高频瞬态和接地反弹困扰的分流方法不同，ACS 传感器直接与负载串联测量，不受导体阻抗变化的影响。这种配置消除对额外组件的需求，使 ACS 传感器成为技术应用中精确高效的在线电流检测的理想选择。
Allegro 的 ACS 系列磁电流传感器通过提供直接读数简化在线电流测量，避免需要微控制器同步的低端开关方法带来的复杂性。
- 更好的瞬态共模噪音抑制（CMTI）： Allegro 的 ACS 系列等磁电流传感器，通过最大限度地减少瞬态共模干扰，在电机控制应用中具有卓越的性能优势。此类传感器减少消隐时间，从而使工作周期最大化。与运算放大器不同，由于共模抑制比和分流电感（V = di/dt x L）较低，运算放大器可能会出现振铃，ACS 传感器专门为此设计，减少快速电压变化（dV/dt）引起的振铃，并且不受与电感相关的电压尖峰的影响。因而它能提供更精确的反馈和对电机操作的更精细控制，改进电流阶跃响应。
Allegro 的 ACS 系列磁电流传感器通过最大限度地减少瞬态共模干扰来增强电机控制。
- 高带宽： 碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）元件容易发生快速热失控，需要快速过流保护，而 Allegro 的磁性传感器能够在100 毫微秒内做出响应。在高频时，传统分流解决方案会因阻抗引起的灵敏度波动而失效，与此不同，ACS 磁电流传感器可在高达 5 MHz 的频率下保持稳定的响应，无需额外调谐，这使其成为高性能应用的理想选择。
Allegro 磁电流传感器
Allegro MicroSystems 是传感器集成电路（IC）和电源 IC 领域的头部品牌，公司享有盛誉，致力于为汽车、工业、消费、能源和其他应用量身定制高性能的解决方案。公司专注于创新，确保其产品为各个行业提供卓越的安全性、效率和性能。
Allegro ACS 系列提供基于霍尔效应的高性能电流传感器 IC，专为各种应用提供精确可靠的电流测量。资料来源：Allegro MicroSystems
就电流检测方案而言，Allegro ACS 系列独树一帜，该产品基于霍尔效应，提供多种电流传感器 IC，专为测量直、交电流而设计。该系列传感器能满足现代工业、商业和通信系统的需求。
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产品特性 |
ACS 37041 |
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封装类型 |
4x 4 毫米 QFN（方形扁平无引脚封装） |
SOT23-W |
3 mm x 3 mm QFN 12 和 SOIC 8 |
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电流检测能力 |
高达± 200 A |
高达± 30 A |
高达 60 A（QFIN 12）和 55 A（SOIC 8） |
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隔离 |
低于100 V（RMS） |
低于100 V（RMS） |
420 V（峰值）297 V（RMS） |
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比率测量 |
否 |
否 |
否 |
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过流故障检测 |
是 |
否 |
是 |
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其他特性 |
超低电阻（100 μΩ），AEC-Q100 认证 |
低电阻（1 mΩ），温度范围内误差<±5% |
抗杂散磁场，快速过流故障输出，符合 AEC-Q100 标准 |
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应用 |
针对汽车、工业电机驱动和数据中心应用进行了优化 |
更小的封装，适用于尺寸受限的应用 |
高度通用的电流测量解决方案，适用于太阳能逆变器、消费电子产品、白色家电和其他需要电源监控的应用。 |
结论
发热、大 PCB 元件封装尺寸和设计复杂性是传统电流测量方法面临的重大挑战。改用 Allegro 的磁电流传感器可带来诸多好处，包括电流测量精确可靠、电气隔离增强安全性，以及在交流和直流应用中的卓越性能。与传统方法相比，此类传感器精确度高、温度稳定，能够减少功率损耗，它是提高电机控制、电源管理和各种其他应用效率的理想选择。
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<本系列其他文章的链接将在文章发布后在此更新>
参考资料
[1]What is AEC-Q100 Qualification?, Everything RF, [Online], 获取链接：https://www.everythingrf.com/community/what-is-aec-q100-qualification
