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作者：By Shaun Milano，
Allegro MicroSystems, LLC

摘要

已研發出來的新型霍爾效應線性電流傳感器 IC 能有效滿足混合動力汽車 (HEV) 逆變器電流傳感應用的精度與帶寬要求。該器件不僅采用了專有 SIP 封裝，它還采用了下一代斬波穩定信號調節與濾波電路，它們能共同提供帶寬最大 120 kHz 的低噪聲模擬輸出信號。通過采用專有、分段的線性溫度補償功能，以穩定整個操作溫度范圍內的零場偏移和輸出靈敏度，同時不影響高帶寬信號路徑，能達到行業領先的精度水平。該器件適用于所有采用鐵芯外形（要求高頻運行）的電流傳感應用。本文以混合動力汽車的逆變器應用為例。

簡介

典型 HEV 逆變器中的全橋式驅動器能將直流電池電壓轉換為 3-相交流電壓，以驅動與傳動系連接的交流電機（參閱圖 1）。

圖 1：典型逆變電路應用

測量逆變器的相電流后，可使用測量結果控制脈寬調制 (PWM) 逆變器開關（通常為 IGBT）。逆變器控制回路需要具有高精度的高帶寬電流傳感器 IC，以最大限度提高電機扭矩和電機的總效率。響應時間快的高側電流傳感器 IC 還能啟用使電流保護功能。Allegro? A1366 霍爾效應線性傳感器 IC 能滿足 HEV 逆變器應用的高帶寬和高精度要求。在此類應用中，通常會將霍爾效應線性傳感器 IC 放在“C”型鐵磁芯的間隙，鐵磁芯會圍繞電機內的每個逆變器相導體（參閱圖 2）。當電流通過相導體時，鐵磁芯會通過單列直插式封裝 (SIP) 集中產生的磁場。

圖 2：A1366 電流傳感配置

Allegro 的專有設計特征使 A1366 成為能在混合動力汽車逆變器、大電流電機控制或其他高頻大電流應用中使用的理想傳感器 IC。這些特征包括特殊封裝、高級斬波和濾波技術，以及數字溫度補償算法。這些創新技術能使行業領先、精度高、帶寬可達 120 kHz 的霍爾效應線性傳感器 IC 在混合動力汽車的電流傳感器應用中發揮出色的性能。

本文件將重點介紹下一代封裝，IC 設計創新，以及它們對傳感器 IC 性能的應用。它還包括有關鐵芯設計的簡要應用說明。

功能說明

模擬信號路徑與帶寬

圖 3 顯示了 A1366 霍爾效應線性傳感器 IC 的簡化方框圖。從中能清楚看到傳感器的模擬信號路徑。模擬輸出信號與電源電壓成正比，當施加磁場為零時，它通常為 VCC/2 。輸出會以正向或負向偏離 VCC/2，具體取決于施加磁場的極性，或圖 2 中的鐵芯外形中的電流方向。

圖 3：A1366 方框圖

霍爾元件傳感器產生必須以高增益放大的小信號。由于環境溫度不斷變化，所以高增益放大很難產生穩定的輸出信號。A1366 的放大器設計采用了 BiCMOS 工藝，它將精確的放大器設計與數字電路融為一體。增加的數字電路用于在 Allegro 進行出廠編程。在操作溫度范圍內能調節增益與偏移。此外，霍爾元件與放大級均為穩定斬波型，以最大限度減少溫度的失調漂移。Allegro 還研發出專有的斬波穩定與陷波濾波技術，盡管霍爾效應線性傳感器 IC 需要大信號增益，但它仍能產生低噪聲輸出。實際上，降噪技術的劃時代進步已遠遠超過一個數量級。A1366 是 Allegro 制造的帶寬最高、模擬輸出分辨率最高的傳感器。在 120 kHz 的全帶寬條件下的六標準差峰-峰噪聲約為 6 mV。

A1366 的模擬輸出響應時間少于 4 μs，這快到足以防止 IGBT 器件出現過電流或短路故障。在低頻應用中，可對輸出進行過濾，以降低輸出噪聲，并提高分辨率。高帶寬不僅能通過模擬信號路徑設計實現，還能利用單列直插式封裝 (SIP)，即 KT 封裝的形式實現。

封裝

由于霍爾傳感器后面有大量的銅引腳框，所以一般的 SIP 封裝會限制帶寬。這塊金屬墊允許在快速 d?/dt 事件中形成渦電流。渦電流能在引腳框上產生反向磁場。這些磁場能減慢系統的響應速度，并能在霍爾效應線性傳感器 IC 的輸出中體現。Allegro KT 封裝直接取消了霍爾元件后面的引腳框材料，從而消除了霍爾元件區域的渦電流。不更改 KT 封裝，就無法實現高帶寬運行。Allegro 專有封裝非常有效，與在標準封裝內使用的相同 IC 相比，它能使 KT 封裝內的 A1366 的運行帶寬提高 3 - 4X。

在 8 引腳 TSSOP 封裝內也能實現相同的封裝技術改進，它主要用于客戶采用機械設計（要求表面貼裝焊接）的應用。

數字溫度補償

為提高在電流傳感器中使用的霍爾效應線性傳感器 IC 的總精度，許多供應商已采用完整的數字信號路徑。數字濾波和信號調節的缺點是信號帶寬的損失，因為數字信號處理和信號調節會使傳感器帶寬降低 1 - 3 kHz 范圍，這會嚴重減慢它們的響應速度，所以無法在 HEV 逆變器中使用。Allegro 采用最新的數字補償方案解決了這一問題。

通過增加包括 EEPROM 技術在內的專有數字溫度補償算法，A1366 的精度得以顯著提高。它在 5 個邊界之間采用了分段線性溫度補償，從而能在不犧牲信號帶寬的條件下，大幅減少模擬信號路徑的本地漂移。圖 4 顯示了該技術。利用該算法能同時調節靜態電壓輸出 (QVO) 和靈敏度。虛線顯示了 QVO 或靈敏度的本地漂移。虛線顯示了在邊界之間增加的線性補償，實線顯示了由此產生的傳感器輸出行為。

圖 4：溫度補償算法的結果

A1366 具有一個能確定相鄰邊界的板載溫度傳感器。數字控制引擎采用了適當的補償。

與測量的電流相比，溫度變化非常緩慢，因此補償方案能在背景中運行，并能在必要時連續調節 QVO 和靈敏度。這樣就能保持 120 kHz 的傳感器模擬信號路徑，并優化器件的精度。

Allegro 制造集團通過溫度范圍測試器件，并將 QVO 和靈敏度的溫度補償系數編入 EEPROM，這樣客戶就不必對成品傳感器組件進行溫度測試了。

在 Allegro 工廠還對 A1366 QVO 和靈敏度的絕對值進行編程。靈敏度的標準值包括 1、2.5、5 和 10 mV/G。器件的零場輸出電壓 QVO 已編程為 2.500 V。Allegro 還提供了客戶可編程的器件，即 A1363，它適用于需要在最終應用中為器件編程的客戶。A1363 允許對靈敏度和 QVO 的絕對值進行編程控制，當線路測試結束時，客戶可在 25oC 條件下，將它們編入 EEPROM。

磁芯設計

如上所述，A1366 霍爾效應線性傳感器 IC 適合在混合動力汽車應用中，與采用通孔外形（如圖 2 所示）的鐵磁芯一起使用。磁芯材料的選擇取決于下列各項之間的權衡：

• 信號偏移后的殘留磁性；

• 頻率響應；

• 施加磁場與施加電流的線性對比。

最常用的選項是疊片鋼芯。它不僅極具成本效益，而且能最大限度減少渦電流，因而能提供出色的頻率響應。疊片鐵芯的磁滯在大部分應用中通常可接受。

鐵磁芯的橫截面積取決于在一次導體中感應的最大電流量。它還在很大程度上取決于材料的選擇。必須小心確保材料不會在高溫下飽和，并產生非線性響應。Allegro 可為需要設計鐵芯和選擇材料的客戶提供應用支持。

A1366 的精度

與現有的霍爾效應線性傳感器 IC 相比，A1366 的 QVO 和靈敏度的高度可編程性，以及分段線性溫度補償改進，可使其性能提升 3X - 4X。

靈敏度與 QVO

A1366 融合了本文描述的技術結果，因而能產生一種高帶寬的霍爾效應線性傳感器 IC，它在開環傳感器中提供了近似閉環的精確性能。請參閱圖 5 和圖 6 中顯示 QVO 和靈敏度與溫度對比的曲線圖。曲線圖顯示了在小于 ±1% 的溫度范圍內典型的 ±3 標準差的靈敏度漂移，以及在 –40oC - 150oC 的操作溫度范圍內，±3 標準差的 QVO 分布（±6 mV）。

圖 5：QVO 與溫度的對比

圖 6：靈敏度與溫度的對比

總結

Allegro A1366 霍爾效應線性傳感器 IC 特別適合在高精度和高帶寬應用環境下使用，例如在 HEV 逆變器中使用。封裝改進、斬波穩定放大器、先進的濾波技術和創新的數字溫度補償電路在開環電流傳感器系統中，共同為傳感器 IC 提供了近似閉環的精確性能。曾經在低帶寬霍爾效應線性傳感器 IC 中無法實現的低誤差水平，如今已能在廣泛的操作溫度范圍內（汽車業），以最高 120 kHz 的帶寬實現。

文章于 2015 年 2 月在《Hanser Automotive》發表轉載需經許可。