测量超过 50 A 电流的秘密

作者：Georges El Bacha、Evan Shorman 和 Harry Chandra，
Allegro MicroSystems, LLC

简介

测量超过 50 A 的电流困难很大，这是因为这种测量往往涉及热管理，必须在有限 PCB 区域内发生，而且在一些情况下，需要电压隔离装置。用于感测高电流的两种常用方法是感测 - 电阻/运算放大器法和基于霍尔效应的电流感测。我们有必要比较这两种技术。最近开发的 Allegro MicroSystems 集成电流传感器 ACS780LR 和 ACS770CB 将被用作示例。

通常最好测量负载（高侧）的电源电压附近的电流，而不是近地（低端）。在高端测量会对接地反弹产生抗干扰，并可以检测到对地短路。根据供电电压和应用，感应电路连接可能需要基本或加强隔离。如果使用感测 - 电阻/运算放大器在高端测量，则需要具有高共模输入范围的运算放大器，这使设计更加复杂。为了提供隔离，将需要额外的隔离器（如光耦合器）和隔离电源，这增加了复杂性并提高成本。

另一方面，霍尔效应电流传感器 IC（如 Allegro 提供的产品）消除了对检测电阻的需要。电流直接流入集成导体，产生将被测量的磁场。

ACS780LR ¹

ACS780 位于 6.4×6.4 mm 表面贴装 LR 封装中。电流流入集成导体，并产生随后由片上霍尔元件感测的磁场。使用倒装芯片组装技术使霍尔元件靠近磁场处于其最高点的引线框。该封装可以提供优异的信噪比。

该器件使用两个霍尔元件来检测并消除任何外部杂散磁场。集成导体具有较低的 200μΩ 电阻，可以降低功耗，允许以 120 kHz 带宽进行超过 100 A 的连续电流测量。热性能高度依赖于 PCB 设计和布局。

**图 1：采用 CB 封装的 ACS770（左）和采用 LR 封装的 ACS780（右）**

ACS770CB ²

ACS770 采用 14 × 21.9 mm 通孔 CB 封装。随着电流在集成导体中流动，集成的低磁滞磁芯将磁场集中，然后由霍尔元件典进行感测，典型精度为 ±1%，带宽为 120 kHz。磁芯也作为磁屏蔽使用，消除外部杂散场。

集成导体具有 100μΩ 电阻，提供超低功耗。ACS770 可以在 85°C 的环境温度下连续测量 200 A，并可在出厂设置下测量高达 400A 的浪涌电流。

热性能

为了确定应用的适当传感器，必须了解高电平瞬态电流和恒定 DC / RMS 电流下的热性能。对于下面的例子，所有的测量都是在 25°C 的环境温度下进行，并可以在不同的工作温度下对传感器进行降额。

高电流脉冲测试

LR 封装

使用 Allegro ACS780 评估板进行 LR 封装的高电流脉冲测试。该评估板是八层电路板，使用两盎司（70μm）铜和 FR4 基板。将直径为 0.2mm 的三十六个热通孔布置在集成电流导体的每个焊盘旁。

然后封装经历设定峰值的电流脉冲，时间在两个条件下测量：晶片温度超过最高结温 (165°C) 的时间，以及熔断电流导体的时间。

图 5 用绿色显示安全操作区域，即晶片温度保持在 165°C 以下。橙色区域显示超过最高结温，但电流导体没有熔断的条件。

CB 封装

所有 CB 封装的测试都使用 Allegro ACS770 评估板进行。该评估板是两层电路板，使用四盎司（140μm）铜和 FR4 基板。将直径为 0.5mm 的十六个热通孔布置在集成电流导体的每个焊盘旁（图 6）。

进行大电流脉冲测试时，CB 封装没有在 1.2 kA 时熔断 - 执行此测量的实验室设备的最大电流容量。附近的表格显示了最大电流脉冲持续时间和占空比，可用于保持在安全操作区间内，即结温不会超过 165°C。

表 1：CB 封装过温时间与施加的直流电流之间关系

环境温度 (°C)	最大电流 (A)
电流开启 10 秒，关闭 90 秒，施加 100 个脉冲
25	350
85	350
150	260
电流开启 3 秒，关闭 97 秒，施加 100 个脉冲
25	450
85	425
150	375
电流开启 1 秒，关闭 99 秒，施加 100 个脉冲
25	1200
85	900
150	600

直流载流能力

图 7 显示，随着连续直流电流通过传感器注入并且温度达到稳态时，晶片温度升高。正如预期的那样，CB 封装的 100 μΩ 导体电阻比 LR 封装的 200 μΩ 低，所以CB 封装的温度升高较小。

热性能测试布局指南

系统热性能主要取决于 PCB 布局，并可以通过以下几种方式提高：加入多层金属来更好地散发 IC 下的热量；尽可能靠近 IC 安装散热片；或在 Allegro IC 集成导体焊盘周围添加热通孔（连接所有金属层）。

在这三种方法中，添加热通孔对 PCB 面积和成本影响最小，易于实现。为了了解通孔的影响以及使用的次数，在使用了自然对流模型的 ACS780LR 评估板运行仿真。该模型假定外壳尺寸为 300 × 300 × 300 mm，外壳壁温度设为 25°C。注入电流使稳态晶片温度达到 150°C。

将热通孔数量减少 50%（每个焊盘 18 个通孔，而不是 36 个）会使晶片温度提高 5.6°C 至 156°C。清除所有热通孔导致晶片温度升高 33.5°C 至 183.5°C。这些结果突出显示了具有热通孔的显著优势，同时显示出，通孔数量稍微下降（相对于 Allegro 评估板，远低于 50% 减少）应对热性能的影响最小
。

增加 LR 封装电流传感能力

LR 封装 ACS780 尺寸小，易于进行表面贴装装配，为测量超过 100 A 的电流带来众多优势。该方法是通过 PCB 上的痕迹重新调整设定部分要传感电流的路径。因此，要测量测部分电流不会通过 Allegro IC。这种情况下，分流器的电流比至关重要。必须设置此电流比，使最大可能电流流过传感器（同时传感器保持在热安全工作区间），以获得最佳精度（图 9）。

仿真说明了这种方法热容量。
假设使用电流比为 6.7:1 （即通过痕迹的电流：通过传感器的电流）和以下规格的电路板：六个铜层（两盎司（70μm）的顶层和底层厚度、三盎司（105μm）内层））、FR4 基板、每个焊盘周围直径为 0.2 mm 的 36 个热通孔和 5 mm 直径的通孔，用于在电路板上进行电流注入。94×70mm 铝散热器在电路板下面连接。

AN296141 图 10 — **图 10：用于 ACS780LR 封装热模拟的电流分离板**

在 PCB 中注入 250A，仿真假定 300×300×300mm 空气外壳进行自然对流，外壳壁设置为 25°C。在顶部金属测量的最高温度为 74°C（相对于环境温度上升约 50°C），而晶片温度达到 71°C。

隔离

Allegro 电流传感器采用电隔离，提供了一种高效测量方法。ACS780LR 针对电源电压低于 100 V 的应用。其结构提供固有隔离，这是因为晶片上的有源电路没有通过电气方式与电流导体相连。

ACS770 通过 UL 60950-1（第 2 版）认证，可持续 60 秒通过 4.8 kV。其基本隔离工作电压是 990（V_pk 或 DC）或 700 V_rms,，同时其增强隔离工作电压是 636(V_pk 或 DC）或 450 V_rms。

结论

总而言之，封装和电路设计的进步简化了使用霍尔电流传感器 IC 测量 PCB 上超过 50 A 电流的任务。使用小型表面安装 ACS780 或通孔 ACS770 能够以经济的方式进行精确和电气隔离测量，同时功率损耗小。

表 2：测量小于 50 A 电流时，比较感应电阻/运算放大器和
Allegro 电流传感器

项目	感应 - 电阻/运算放大器	Allegro ACS780	Allegro ACS770
BOM	包括感测电阻的增加 BOM 列表	小型表面贴装型封装（150 A 测量范围）	通孔封装（400 A 测量范围）
PCB 面积	较大的 BOM 需要更大 PCB 面积	6.4 mm × 6.4 mm	14 mm × 21.9 mm
功耗	比 ACS780 更高的电阻（2-4倍）在 PCB 上产生更多的热量	集成导体电阻 200 µΩ	集成导体电阻 100 µΩ
杂散磁场	隔离杂散磁场	差分传感技术消除杂散场	集成磁集中器核心消除杂散场
隔离	需要外部隔离器和更昂贵的隔离电源	对于小于 100 V 的应用48 V 系统的理想选择	UL 60950-1（第二版）通过 4.8 kV，提供高达 990 Vpk 的工作电压。线性应用的理想选择
精度和分辨率	精度将取决于随温度变化的电阻。难以用低感测电阻测量小电流。更高的电阻提供了良好的分辨率，但功耗更多	典型精度 ±1％。测量小电流，并能通过适当的滤波，最低解析 60 mA
噪声	高电感切换产生的噪声需要消隐和稳定时间	Allegro IC 滤波和集成屏蔽层将噪声耦合到接地，并实现更干净的输出信号

脚注：

《电力电子手册》发表文章，2017 年 3 月。经许可后方能转载。