电流感测在集成电流传感器的四个原因

电流感测在各种电子设备中至关重要，包括电源、电池管理系统、电机驱动器和可再生能源网络。准确可靠的电流感测对于这些设备的保护和高效运行至关重要。

然而，随着设备功率密度的增加，电流测量面临着挑战，目标始终是用更少的资源做更多的事情，包括化电路板占地面积。在这种空间有限和高功率密度的环境中，集成电流传感器(ICS) 发挥着至关重要的作用。

ICS 是基于霍尔效应的电流传感器，非常适合各种汽车、工业或住宅应用，它将电流导体、传感元件、信号处理芯片以及一些专用功能（例如故障检测和隔离）集成在单个封装中。

霍尔效应传感是实现电流感应磁场非接触式测量的一种方法。霍尔元件是将磁场变化转换为其电阻变化的传感元件。当恒定电流通过霍尔单元时，电压输出与磁场成比例变化。

四个主要优点说明了为什么集成电流传感器可能是一项合理的投资。

无芯设计

传统的霍尔效应电流传感器在电流导体和传感元件周围使用铁氧体磁芯来集中磁场。该磁芯还可以保护不需要的外部磁场和噪声。差分测量使得可以使用两个传感元件（霍尔单元）去除铁氧体磁芯，这两个传感元件都接收待测量的磁场——一个具有正因子，另一个具有负因子。两个磁场之间的差异可以消除任何额外的不需要的磁场。

集成电流传感器使用差分测量来避免使用铁氧体磁芯。去除内核可为嵌入式应用带来多种优势。例如，器件成本降低，传感侧功率密度机械增加（LEM ICS产品在800V应用中高达75A），测量不受磁滞影响（当施加外部磁场时）到铁磁体并且原子偶极子与其对齐）。，频率和带宽不受磁芯磁性元件固有饱和度的限制。

嵌入式隔离

一些系统需要特定的隔离来保护终用户，这意味着用户界面必须与高压 (HV) 网络物理隔离，并且不能共享相同的电压参考电平。ICS 集成了设备内部（电流隔离）和外部（爬电距离和间隙距离）的隔离功能，这意味着高压电流流动的初级导体与具有专用集成电路的次级电路之间没有物理连接（ ASIC）芯片和辅助引脚。这两侧仅通过流动电流产生的磁场进行通信。

ICS 中的 ASIC 采用 CMOS 半导体制造工艺生产，无需添加硬件即可将特定功能集成到组件中。例如，感测、放大和处理比例电压信号所需的所有模拟和数字元件均采用半导体材料制造在单个芯片上，这也确保了低功耗和功耗。

过流检测（OCD）也是一个重要因素。通过内部 OCD，当电流超过阈值时，它会在内部触发发送到专用故障引脚的信号输出。这使得应用程序的微控制器能够以的延迟接收警报信息。否则，必须根据传感器发送的当前电平在内部完成该操作，这将花费更长的时间。

图 1.  OCD 使微控制器能够以的延迟对过流做出反应。图片由博多电力系统提供

补偿和附加集成功能

至于应力和温度补偿，如果 ASIC 芯片受到封装的机械应力，则可能会产生灵敏度漂移（-40°C 至 +125°C 的温度变化也会发生同样的情况）。ASIC 芯片中的内部传感器可补偿这种漂移，以保证在大范围条件下的线性且准确的灵敏度。在基于分立的设计中，分流器的温度随电阻损耗变化很大，需要在微控制器中执行额外的设计步骤来准确补偿这一点。相比之下，ICS 解决方案是即插即用的。

图 2.  ICS 在芯片上嵌入初级导体、两个传感元件等。所用图片由 Bodo’s Power Systems提供 

传统上，电压输出始终与测量的电流成正比，但有两种可能的参考电压。在比率模式下，Vout 以电源电压 Vcc 的百分比表示，需要稳定的电源电压。在固定（非比例）模式下，Vout 与外部参考电压 Vref 进行比较。比例信号就是Vout减去Vref，但当待测电流为0A时，Vout = Vref——换句话说，参考电压设置静态输出电压（零电流模式）。

LEM 开发了两个 ICS 系列：HMSR 系列和 GO 系列。LEM HMSR 和 GO-SMS ICS 具有内部和外部 OCD，可实现的系统保护。根据系统特性，它们还可以根据需要提供比例和固定电压输出。虽然 LEM HMSR 系列通过其集成内核提供额外的抗扰性，但 LEM GO 系列充分利用差分测量，在紧凑的表面贴装小外形集成电路 (SOIC)–SOIC8 或 SOIC8 中提供霍尔电流传感器的所有性能。 16. 例如，根据 IEC 62368-1，LEM GO-SMS 可保证高达 2088V 的基本隔离和 1041V（直流或峰值工作电压）的增强隔离。

即插即用设计

总之，集成电流传感器使设计人员能够通过即插即用方法实现电流传感功能，并使用单个组件解决几乎所有挑战。完整的机械集成和极低的功率损耗使 ICS 的占地面积尽可能小，且热挑战为零。

通过设计，具有电流隔离和标准爬电距离和间隙距离的非接触式测量使 ICS 适合高压应用，并且可以支持增强隔离设计策略。具有较少隔离和未填充功能的较小封装可以降低成本，在不需要隔离（< 60Vdc）的情况下具有成本竞争力。产品定义的这种灵活性使 LEM ICS 能够适用于各种产品，无论是成本优化的应用还是高端隔离设计。

ICS 的性能不会受到影响，因为所有信号处理都是在带有半导体元件的封装中完成的。这使得能够集成临时的、特定的系统保护机制，例如快速过流检测。根据系统架构和设计选择，与电流成比例的电压输出可以参考电源电压 Vcc 或外部 Vref。

集成电流传感器非常适合需要控制、效率和保护的许多应用。LEM 的 ICS 适用于空间有限且需要高功率密度的应用。

LEM 制定了雄心勃勃的路线图，旨在开发更多满足特定客户需求的 ICS 产品。该路线图的下一阶段将推出 HMSR DA，这是首款具有 sigma-delta 比特流数字输出的 ICS。