传感器/ASIC集成缩小电流变送器体积

　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。
　　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。

图2 四圈走线设计/高绝缘度结构
　　高绝缘性来自于经改善的爬电间距与隔离间距，因为初级导体（四圈走线）位于低压电子元件所在PCB板的反面。这种情况下，确保两种距离都为8mm（PCB的特性：1.6mm/70μm Cu）（走线宽度：Minisens下为0.78mm，其他地方为3mm）。
　　采用这种设计，在85℃环境温度下，可以测量5A的额定初级电流（条件：自然通风，30℃走线温升）。测量范围为±15A，灵敏度为130mV/A，对15A电流输出产生2V电压。
　　用其他技术可以进一步增加灵敏度，如在Minisens上方用一个“跳线”与PCB走线构成一个回路，或在不同PCB层之间实现多个圈。测量较大电流时，可以将变送器定位于距初级导体较远的地方。
很多Minisens参数可以通过 片上的非易失性存储器作配置。它们可以用于调整变送器的增益、偏移、极性、温漂和增益算法（与VDD成正比或无关）。
　　现有两种输出：一种带过滤，以限制噪声带宽；另一种无过滤，其响应时间小于3μs，用于电流短路或阈值检测。这是一个来自采样保持电路的输出，而各个分立的采样值是未经过滤的。
　　Minisens功耗，它有一个可选的输入，用一个外部信号能使之进入待机模式。它采用标准的CMOS工艺制造，SO8-IC封装。
　　在 25℃时，Minisens本身达到的精度由下列参数决定：
　　灵敏度（V/T）误差（±3%）
　　无磁场时初始偏移的公差（±10mV）
　　　　非线性误差（±1.5%）
不过这并不代表最终应用的精度。
　　总体精度必须是在所有条件下的精度，此时变送器已焊在PCB上。然后还必须考虑那些会影响精度的其他参数，如：
　　初始导体
　　离与形状变化与IC以及IC在PCB上的放置误差（可以把它们叫做机械设计参数）；
　　邻近干扰（杂散）磁场。
　　最终灵敏度（V/A）直接取决于机械设计参数。每个误差或变动都会导致最终灵敏度的变化。
　　工业生产中的变动因素可能改变下列参数：
　　焊点厚度
　　铜线厚度
　　PCB板厚度
　　初级走线宽度
　　IC沿Y轴的定位
　　IC绕X轴和Z轴的旋转
　　在生产工艺中必须严格控制这些参数，也可以用Minisens的在线校准避免大多数误差。如编程控制初始偏移的灵敏度和误差。
　　如果我们关注的是一个确定的温度范围，则必须考虑另外两个参数：±300×10-6/K的灵敏度温漂和±0.15mV/K的偏移漂移。
　　不同Minisens结构与不同PCB设计相结合，从而产生出一种功能齐全且价格低廉的电流变送器。Minisens把隔离电流测量的好处广泛用于以前并不可行的新应用中，如家电中的电机控制或电流过载检测。同时可以用于低价UPS和电池充电器中的电流控制、故障保护或电流检测。这种故障保护功能亦可以用于电动快门、开门器和类似设备中。Minisens通过电流控制来实现节能。由其提供的精确数据将会使电力电子产品更高效地驱动电机，更大地降低功耗。