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如何利用CMR机制优化电路板设计及布局

导读: Allegro MicroSystems电流传感器IC可以分为三大类:需要外部磁芯的传感器、具有封装内置磁芯的传感器,以及具有集成载流环的传感器。最后一类就是具有共模场抑制(CMR)功能的传感器。

Allegro MicroSystems电流传感器IC可以分为三大类:需要外部磁芯的传感器、具有封装内置磁芯的传感器,以及具有集成载流环(但无磁芯)的传感器。最后一类就是具有共模场抑制(CMR)功能的传感器。本文将探讨CMR的机制,并重点介绍如何充分利用此机制来优化电路板设计和布局。

背景

在使用集成载流环的IC中,载流环可以产生IC能测量的磁场。该磁场通过霍尔效应转换成电压。此霍尔电压正比于电流大小和方向。图1是特定电流传感器IC引线框产生磁场的示例。在该图中,箭头指示通过引线框的电流,彩色图表示100A直流电通过传感器时产生的磁场。为了表达清晰,图中移除了电流源。

如何利用CMR机制优化电路板设计及布局

图1:ACS780电流传感器引线框磁场。

使用配备集成载流环的IC具有很多优势:无需磁芯、基本没有磁滞、功率低、并且具有较高的温度精确度。但是,由于不存在磁芯,传感器容易受到磁体或传感器IC周围导线电流产生的杂散磁场的影响。为了抑制杂散磁场的出现,Allegro的很多电流传感器都具有双霍尔共模抑制方案。霍尔板的布置方式要确保当电流通过IC集成导体或载流环时,每个霍尔板感应的场极性相反。在图1中,两个霍尔板的位置用H1和H2表示。可以从图中看出,这两个区域具有方向相反的磁场。

采用CMR技术的基本原理是:如果两个霍尔板的信号相减,然后可以将集成环引发的信号求和,这样就可以抑制来自进入IC的任何杂散磁场共模(单极)信号。简单举例,假定每个霍尔板的磁场±B大小相等,方向相反,则:

H1 – H2 ∝ B1 – B2

B – B2 = B – (–B)

B – (–B) = 2 × B

因此,H1 – H2 ∝ 2 × B

假定两个霍尔板上具有相等的杂散磁场Bext,则:

H1 – H2 ∝ B1 – B2

B1 – B2 = (B + Bext ) – (–B + Bext)

(B + Bext ) – (–B + Bext ) = 2 × B + Bext – Bext

2 × B + Bext – Bext = 2 × B

因此,H1 – H2 ∝ 2 × B

Allego的其它技术资料《无磁芯霍尔效应电流传感器IC采用的共模场抑制技术》更详细地介绍了CMR技术的理论和指导方程。本文介绍的主要技术是如何设计和布置这些电流传感器IC的载流线路。此外,本文也提供了最小化其他杂散来源的指南。

临近电流产生的磁场

为了充分利用这些器件的CMR功能,包含IC的电路板应设计为两个霍尔板的外部磁场相同。这有助于最大限度减少载流PCB自身产生的外部磁场导致的错误。每个载流轨迹的三个主要参数据决定了导致IC错误:与IC的距离、载流体的宽度以及它和IC之间的角度。图2是IC附近载流体布线的示例。器件和导体之间的距离d是器件中心与导体中心的距离,电流路径宽度为w,器件和电流路径之间的角度θ是指连接两个霍尔板的直线与电流路径垂直线的夹角。

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图2:具有临近电流路径的ACS780(从传感器底部观察)。

两个霍尔板的位置和方向随IC的不同而有所变化。例如,如图3所示,ACS724的霍尔板相比ACS780霍尔板旋转了90°。如果在任何具有CMR功能的Allegro、电流传感器IC附近进行电流路径布线,最好保持θ尽可能接近90°。

如何利用CMR机制优化电路板设计及布局

图3:霍尔板对齐的ACS724电流传感器IC。

如果无法保持θ接近90°,下一个最好的选择是保持电流路径与电流传感器IC之间距离d尽可能大。假定电流路径与IC的夹角最差,即θ=0°或180°,见下列等式:

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此处,H距离是两个霍尔板之间的距离,Cf是IC耦合因数。此耦合因数随IC不同而变化。ACS780的耦合因数是5至5.5G/A,而其他Allegro IC的耦合因数范围是10至15G/A。

误差估计

等式1假定是无限长、无限细的导线。它没有考虑载流导体的宽度和厚度。图4是在最差条件方向(θ = 0° 或180°)计算得出的通过ACS780的载流体误差。该误差是采用理想等式以及考虑导体宽度和厚度的计算密集方程组计算得出。该图显示,计算误差高于使用理想方程的结果。因此,方程1可用于快速、保守估计误差。

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图4:ACS780使用理想方程1与使用轨迹尺寸计算误差。

使用更精确的计算方法可以为不同宽度的电流路径以及器件和电流路径之间不同的角度计算误差。对于所有角度和宽度,都假定使用4盎司规格铜导体设定电流轨迹厚度。该图表明,载流体宽度对误差有影响,但最大的影响因素是与器件的角度θ以及与器件的距离d。

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图5:ACS780计算4盎司规格铜导体轨迹导致的误差;多轨迹宽度θ=0°和60°

其他需要考虑的布局原则

如果布置包含具有CMR的Allegro电流传感器IC的电路板,所有载流路径的方向和接近性是重要因素,但优化IC性能还要考虑其他因素。可能影响系统误差的其他杂散场来源包括与IC集成载流体相连的轨迹以及临近永久磁体的位置。

必须小心规划电路板与电流传感器IC的连接方式。可能影响性能的常见错误是:

·电流路径到IP管脚的接近角度

·电流轨迹在IC下面扩展得过远

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