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作者： Allegro MicroSystems, LLC
Georges El Bacha、Shaun Milano 和 Jeff Viola
簡(jiǎn)介
Allegro ACS758CB 和 ACS770CB 系列等傳統(tǒng)開(kāi)環(huán)電流傳感器 IC，都采用鐵磁芯作為磁力集中器。磁芯可以集中通過(guò)導(dǎo)體流入霍爾效應(yīng)傳感器 IC 的電流產(chǎn)生的磁通密度（B 場(chǎng)），如圖1 所示。
圖 1：使用霍爾傳感器 IC 和磁芯感測(cè)電流
霍爾效應(yīng)傳感器 IC 采用霍爾元件，即可以將垂直于霍爾元件的 B 場(chǎng)轉(zhuǎn)換為電壓的傳感器?；魻杺鞲衅鞯碾妷号c B 場(chǎng)成正比。B 場(chǎng)也與導(dǎo)線中的電流大小成比例，因此霍爾傳感器輸出電壓與流經(jīng)導(dǎo)線的電流大小成正比。這樣就可以利用霍爾效應(yīng)傳感器和集中磁芯制造出很精確的電流傳感器。
如果沒(méi)有磁芯，導(dǎo)體周圍的 B 場(chǎng)會(huì)很小，而且很難準(zhǔn)確測(cè)量。磁芯可以將磁場(chǎng)放大至少 20 倍，因此在提高傳感器精度和分辨率方面很有價(jià)值。以這種方式測(cè)量電流還有其他優(yōu)勢(shì)，例如可以隔離電流、功率損失低且發(fā)熱量低。使用鐵磁材料的唯一缺點(diǎn)就是磁芯會(huì)產(chǎn)生磁滯。
什么是磁滯？
我們可以通過(guò)取一片磁芯材料并生成 B-H 曲線來(lái)測(cè)量磁滯。首先將外部磁場(chǎng) (H) 施加到材料上，接著測(cè)量材料內(nèi)的磁通量密度 (B)。一系列永磁體或硬磁化材料的曲線如下圖 2 所示。永磁體不用做磁芯，但是可以幫助說(shuō)明磁滯的工作情況。施加大磁場(chǎng)時(shí)，磁性材料會(huì)被磁化；當(dāng)磁場(chǎng) (H) 消除時(shí)，材料周圍含有磁通量密度 (B) 的永磁場(chǎng)（如圖 2 所示）。
永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)不僅僅取決于材料，同時(shí)還取決于磁化的強(qiáng)度。換言之，該磁場(chǎng)取決于在磁化過(guò)程中施加了多少 H 場(chǎng)。通過(guò)施加不同的磁化場(chǎng) (H)，可以按照?qǐng)D 2 所示生成一系列曲線。
圖 2：B 與 H 系列曲線
鐵磁材料是可以磁化或吸引永磁體的材料，它們具有很高的導(dǎo)磁率，且所有鐵磁材料都有和磁場(chǎng)同時(shí)存在的磁疇（請(qǐng)參閱圖 3）。松散分布的磁疇在施加的磁場(chǎng)消除后恢復(fù)到隨機(jī)分布的方向。這些材料稱為軟磁化材料，是用做磁芯的理想材料。并非所有磁疇都會(huì)恢復(fù)到隨機(jī)方向，這也是材料成為輕微磁化材料的方法。這就是所謂的“剩磁”和材料的磁滯。永磁磁疇仍然鎖定在與磁化場(chǎng)相同的方向，因此是“硬磁化”材料。
在為電流感測(cè)應(yīng)用選擇磁芯材料時(shí)，建議選擇軟磁化鐵磁材料，如圖 3 和 4 所示。
圖 3：磁疇
圖4：軟磁化和硬磁化 B 與 H 環(huán)
當(dāng)霍爾電流傳感器 IC 置于磁芯間隙中且沒(méi)有電流通過(guò)時(shí)，器件輸出電壓讀數(shù)應(yīng)為零安培。磁芯中的磁滯會(huì)在電流通過(guò)導(dǎo)線后仍然保持磁場(chǎng)，因?yàn)殡娏鲿?huì)產(chǎn)生施加場(chǎng)，并將磁芯材料磁化。電流不再流動(dòng)時(shí)，根據(jù)磁芯材料的磁化水平，霍爾傳感器將測(cè)量非零電流。這樣會(huì)導(dǎo)致零安培讀數(shù)產(chǎn)生一些誤差，因此不可取。
軟磁化和硬磁化材料
Allegro CA/CB 封裝電流傳感器 IC 采用軟磁化鐵磁芯材料。這些軟磁化材料的剩磁或磁滯要少很多。為了以示例的方式解釋，我們使用最常見(jiàn)的通用碳素鋼 1020 鋼。在熱軋狀態(tài)下，1020 鋼可以輕松保持 30 高斯 (G) 的磁通量，在冷軋狀態(tài)下的數(shù)值會(huì)更高。Allegro CB 封裝中使用的 SiFe 材料大約可以保持 2 G。因此這種材料是電流感測(cè)磁芯的理想材料，可以盡量降低霍爾傳感器的零電流輸出誤差。
ACS758CB 電流傳感器的磁滯效應(yīng)
ACS758CB 靜態(tài)輸出電壓 (VOUTQ ) 是指一次電流為零時(shí)電流傳感器 IC 的輸出。雙向器件名義上可以保持在 VCC ? 2。VCC = 5 V 轉(zhuǎn)換為理想 VOUTQ = 2.5 V。
如前所述，電流傳感器 IC 內(nèi)的磁芯的剩磁會(huì)影響電流施加到傳感器后的 VOUTQ 水平。下述慣例將用于其余的內(nèi)容。
靜態(tài)輸出正電壓 (VOUTQP)：”最大正“施加電流流入電流傳感器 IC 并減少至 0 A 后測(cè)量得出的輸出電壓
靜態(tài)輸出負(fù)電壓 (VOUTQN)：”最大負(fù)“施加電流流入電流傳感器 IC 并減少至 0 A 后測(cè)量得出的輸出電壓
理想的靜態(tài)輸出電壓 (VOUTQI)：VOUTQP 和 VOUTQN 的平均值，其中最高正電流和最高負(fù)電流大小相等。
圖 5：Allegro CA/CB 封裝電流傳感器 IC
圖 6 顯示了不同電流脈沖施加到 ACS758LKCB-150B (150 A 雙向型傳感器) 后的靜態(tài)輸出電壓。每次電流降低到 0 A 后，將記錄電流傳感器 IC 輸出。測(cè)量過(guò)程中施加的最大電流將設(shè)置為 ±130 A。要生成這些圖，要向傳感器 [1] 施加 130 A 脈沖，接著施加范圍在 -3 A [2] 到 -130 A [3] 的負(fù)電流脈沖。接著施加一系列范圍在 3 A [4] 到 130 A [5] 的正電流脈沖。以 90 A [6] 和 50 A [7] 的最大電流振幅重復(fù)進(jìn)行類似的測(cè)量。
ACS758 磁芯的剩磁使 VOUTQ 發(fā)生變化，取決于注入電流的大小和極性。130 A 磁滯環(huán)（最外部的綠色曲線）的最大 VOUTQP 為 2.5032 V (130 A 脈沖后) 且最小 VOUTQN 為 2.4932 V (-130 A 脈沖后)，其中間點(diǎn) VOUTQI 為 2.4982 V。VOUTQI 的差值為 10 mV 或 ±5 mV。
150 A 雙向傳感器的靈敏度為 13.3 mV/A，由此得出的磁偏移量或磁滯為 5 mV/13.3 mV/A = ±375.9 mA，它僅為測(cè)量過(guò)程中施加 130 A 最高電流的 0.289%。通常 ACS758CB 的磁偏移量為 ±250 mA。在本示例中也使用了磁偏移量更大的器件來(lái)說(shuō)明接近最壞的境況。
ACS758 150 A 雙向磁滯環(huán)
圖 6:ACS758 系列磁滯圖
如何減少磁滯？
方法 1
最簡(jiǎn)單的方式是將磁滯的峰峰值減少一半。這可以通過(guò)施加最高正和負(fù)施加電流，記錄 VOUTQP 和 VOUTQN 并計(jì)算 VOUTQI 來(lái)完成。VOUTQI 應(yīng)儲(chǔ)存在系統(tǒng)內(nèi)存中，并作為預(yù)計(jì)的零電流輸出電壓（請(qǐng)參閱圖 7）。
圖 7：如何測(cè)量 VOUTQP、VOUTQN 和 VOUTQI
要使用圖 6 中測(cè)得的數(shù)據(jù)作為我們的示例，對(duì)于 ±130 A 最高應(yīng)用電流，VOUTQP = 2.5032 V、VOUTQN = 2.4932 V、VOUTQI = (2.5032+2.4932)/2 = 2.4982 V。通過(guò)簡(jiǎn)單使用此 VOUTQI 作為預(yù)計(jì)的零電流輸出電壓，所得的偏差不得超過(guò) ±5 mV 或 ±375.9 mA。
在介紹下一種補(bǔ)償方法前，需要定義抗磁電流。抗磁電流是指在傳感器暴露在最高應(yīng)用電流后，將材料的磁化強(qiáng)度降低到幾乎為零所需的電流水平。例如在圖 8 中，在應(yīng)用 130 A 脈沖后，VOUTQP = 2.5032 V。將 ACS758 的磁化水平降低到幾乎為零所需的電流脈沖為 A -25 A。這樣得到的 VOUTQ 接近 VOUTQI = 2.4982 V，是理想的 VOUTQ 值。在最高施加電流為 ±130 A 的系統(tǒng)中，抗磁電流為 ±25 A。
ACS758 150 A 雙向磁滯環(huán)
圖 8:±130 A 最高施加電流系統(tǒng)的抗磁電流值
方法 2
就像方法 1 一樣，我們施加正負(fù)最高電流并記錄 VOUTQP 和 VOUTQN，接著計(jì)算系統(tǒng)校準(zhǔn)過(guò)程中的 VOUTQI。在操作過(guò)程中，應(yīng)記錄電流極性和大小。
如果電流極性不變，且電流值小于等于上次測(cè)量的最大電流，則不需要更新 VOUTQ。
如果電流極性發(fā)生變化，且電流值接近抗磁值，則應(yīng)使用 VOUTQI。
如果電流極性發(fā)生變化，且電流值明顯大于抗磁值，則使用 VOUTQP (針對(duì)正電流) 或 VOUTQN (針對(duì)負(fù)電流)。
如果電流極性發(fā)生變化，且電流值低于抗磁值，則 VOUTQ 應(yīng)保持當(dāng)前值。
根據(jù)具體的施加情況，用戶可以選擇明顯大于和小于抗磁值的限值。這些限值構(gòu)成抗磁窗口，如圖 9 所示。
方法 2 算法的詳細(xì)框圖如圖 10 所示。
在最高施加電流為 ±130 A 的示例中，方法 1 產(chǎn)生的最高偏差為 ±5 mV，而方法 2 產(chǎn)生的最高偏差為 ±2.5 mV。
ACS758 150 A 雙向磁滯環(huán)
圖 9:選擇的構(gòu)成抗磁窗口的電流值示例
圖 10：方法 2 算法
總結(jié)
使用鐵磁集中器的電流傳感器 IC 會(huì)產(chǎn)生磁滯。在使用 ACS758CB 和 ACS770CB 時(shí)，磁滯通常較小，通過(guò)采用適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)和軟件，可以大大降低磁滯。
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