传感器/ASIC集成缩小电流变送器体积

作者：Stephane Rollier时间：2008-06-04来源：瑞士莱姆子公司收藏

　　电力电子的发展趋势与其他电子领域的发展趋势没有什么不同——更大规模集成加降低元件数量。但是，由于电力电子系统中存在散热器、磁性元件与线圈等元件，使高水平集成更加困难。微机电系统（MEMS）已在检测系统得到应用，并可能应用于系统的其他部分。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/83627.htm

　　传统的电流变送器不适合于家电产品和空调系统市场，因为它们体积太大、价格高昂。而一种成本较低、体积较小的变送器则使得测量这些系统的电流成为可能，唯一受到的限制是漏电、间隙和绝缘等级等外界因素。

　　用于LEM自己的LTS电流变送器的应用定制集成电路（ASIC）采用一个尺寸仅有22.2mm(长)×10mm(宽)×24mm(高)的 PCB安装封装，实现了这种霍尔效应闭环变送器。然后，LEM又开发了使用霍尔效应开环技术的ASIC，诞生了一系列范围广泛的变送器产品，最小型号的尺寸只有18.7mm(长)× 16.7mm(宽)×10.7mm(高)。

　　这些ASIC集成了电流变送器所需要的电路（场检测元件，全部有源电子元件，如放大器、晶体管、二极管、齐纳管、电压基准等）。某些部分采用了专门的硅技术以改进性能，如偏置漂移和增益漂移。磁性电路元件与外壳仍与ASIC分开。

　　微型化接下来的步骤是将这些余下的磁芯元件集成到ASIC封装中。

　　Minisens/FHS可将一个待测电流的磁场转换为一个电压输出。这个“初级”电流流经一根电缆或PCB走线（此电缆或PCB走线位于IC旁但与IC电气隔离）。IC中的霍尔效应器件测量磁场，这个磁场通过一个放置在IC顶部的磁通会聚器，聚焦在霍尔元件部位。

　　会聚器的形状对某些方面作了优化，包括测量普通PCB电流水平时会遇到的磁场灵敏度（增益）以及线性度。

　　会聚器提供系数约为8的无噪声增益。霍尔元件的输出通过自旋技术作上变频，这样既可以探测到小磁场，又不会有偏移或1/f噪声问题。IC对初级电流磁场的灵敏度最高为600mV/mT。

　　这就是霍尔效应开环技术的基本工作原理，而所有这些均集成在一只小型IC封装中。

　　探测的电流可以为正，也可以为负。通过检测磁场的极性，产生一个正电压输出或负电压输出，该输出相当于由无磁场时初始偏移所确定的基准电压。标准的初始偏移为2.5V（内部基准）。用户可以指定一个2～2.8V之间的外部基准。

　　Minisens最普通的用法是将其放在一个PCB走线上方，该走线承载着需要测量的电流。为优化变送器的功能，需要在走线的尺寸上应用一些简单的规则。通过改变PCB和走线结构，可以测量2～100A之间的电流。一种可行的方法是将IC直接放在某根PCB走线上。我们将这种方式叫“设计 1”见图1。

图1 一种可行的PCB设计：走线位于Minisens的正下方

　　在这种方式中，PCB板用于隔离，可测量的电流大小为2～20A。

　　将变送器放在电路板的另一面，但仍然直接跨在走线上，这样可以改善绝缘性能。电路板的厚度及走线本身都会影响灵敏度，因为它们都直接影响着检测元件（位于IC内部）与初级导体之间的距离。值得注意的是，较窄走线的灵敏度更高。不过，走线越窄，温度升得也越快。

　　走线的温升决定了可以连续施加的最大安全电流值。采用变宽度走线可以获得灵敏度与走线温升的最佳组合。铜的温度受限于PCB材料的玻璃转变温度（135℃），而Minisens的最大工作温度为125℃。出于安全边际考虑，最好让走线工作在低于115℃的温度下（UL建议不超过100℃）。为维持这些温度水平，走线的宽度、厚度和形状都非常重要。

　　对于小电流（低于10A），建议用初级走线做几个圈，以增加初级电流产生的磁场。对单根走线，Minisens周围走线的宽度最好大于其下方的走线宽度（以降低温升）。我们将这种设计叫做“多圈”。

　　举例来说，可以采用四圈设计如图2所示，Minisens位于PCB的反面，这是一种高绝缘度的结构。另一种增加灵敏度的方法是使用较窄的走线。