3mm x 3mm線性電流傳感器IC的的感應(yīng)電阻運(yùn)算放大器解決方案

本文檔是ACS711（3mm x 3mm微型封裝線性電流傳感器IC）的產(chǎn)品信息。這種完全集成的器件的初級(jí)導(dǎo)體電阻僅為0.6mΩ，有效地降低了功耗。該器件適用于連續(xù)電流超過30 A的應(yīng)用。該文檔描述了包裝，焊接和熱特性，設(shè)備功能，故障輸出以及設(shè)備的準(zhǔn)確性。

介紹

傳統(tǒng)上，電流檢測(cè)是通過可占用較大PCB面積的檢測(cè)電阻器或電流互感器完成的。從10到50mΩ的檢測(cè)電阻器值會(huì)在較高電流下消耗大量功率，這會(huì)降低整體系統(tǒng)效率，而電流互感器會(huì)消耗大量PCB面積。霍爾效應(yīng)傳感器IC已用于提供測(cè)量導(dǎo)體中電流的非接觸式方法，并提供與導(dǎo)體中流動(dòng)的電流成比例的電壓信號(hào)。

來自Allegro?MicroSystems，LLC的電流傳感器IC ACS711（圖1和圖2）解決了尺寸問題，真正的3mm x 3mm占位面積只有0.6mΩ的導(dǎo)體電阻，從而將功耗降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)在典型的感應(yīng)電阻運(yùn)算放大器解決方案上。電流傳感器IC的完全集成允許在Allegro進(jìn)行工廠編程，從而提供更精確的解決方案，同時(shí)通過減少載流導(dǎo)體的功率損耗，提供小尺寸和高效率的額外好處。

ACS711 QFN封裝尺寸，與美國的10美分硬幣相比

具有QFN構(gòu)造的ACS711設(shè)備

包裝

一匝無磁芯的霍爾電流傳感器IC不會(huì)產(chǎn)生大磁場(chǎng)，因此將霍爾傳感元件放置在緊靠傳感電流的位置是一種有吸引力的方法。圍繞導(dǎo)體的通量可能僅為100高斯（10 mT）或更小，并且隨著霍爾元件與導(dǎo)體之間的距離而迅速減小。

為了優(yōu)化性能，ACS711器件采用了Allegro專利的倒裝芯片磁場(chǎng)感應(yīng)技術(shù)，如圖2所示。倒裝芯片的使用允許IC霍爾傳感器部分的有效區(qū)域（在圖2中顯示為紅色方塊）。 ）放置在最靠近初級(jí)導(dǎo)體的硅表面上。這樣可以實(shí)現(xiàn)出色的信號(hào)耦合。

采用了經(jīng)典的倒裝芯片技術(shù)，該技術(shù)可與信號(hào)電路建立必要的連接，并將芯片支撐在引線框架上的電流導(dǎo)體上方。初級(jí)電流路徑通過獲得專利的裸露電流環(huán)路設(shè)計(jì)有效地引導(dǎo)至霍爾元件，其端子直接焊接至PCB走線。如此緊密地耦合到導(dǎo)體，信號(hào)靈敏度將最大化，并且該器件可以產(chǎn)生90 mV / A和45 mV / A的電流來檢測(cè)15 A和31 A的滿量程電流，并且傳感器IC僅需要3.3 V的電源。

倒裝芯片技術(shù)還允許外殼成型塑料填充主載流導(dǎo)體與管芯表面和器件信號(hào)線之間的微小空間，從而提供電流（電壓）隔離。由于該器件具有吸引人的小尺寸，因此該封裝僅在電源電壓低于干線電壓時(shí)才提供隔離。ACS711已針對(duì)<100 V的低壓電路進(jìn)行了優(yōu)化，例如：48 V太陽能電路，通信以及消費(fèi)類電子產(chǎn)品和音頻應(yīng)用。該設(shè)備組裝成成品也很經(jīng)濟(jì)，非常適合住宅和商用白色家電中的低側(cè)感測(cè)應(yīng)用以及通用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

盡管ACS711的尺寸很小，但它可以感應(yīng)QFN封裝中相對(duì)較大的電流，最高可達(dá)±31A。在更高的電流范圍內(nèi)，感應(yīng)電阻器的功耗非常重要，并且在IC封裝中進(jìn)行這種電流輸入和輸出一直是傳統(tǒng)的限制。QFN封裝通過在安裝表面上安裝兩個(gè)大焊盤來解決此問題，并仔細(xì)設(shè)計(jì)了主感應(yīng)電流傳導(dǎo)環(huán)路的形狀。該設(shè)計(jì)在封裝內(nèi)使用大量的銅導(dǎo)體來形成感應(yīng)的電流環(huán)路，而無需鍵合線。QFN中的初級(jí)導(dǎo)體電阻僅為0.6mΩ，比低端檢測(cè)配置中使用的大多數(shù)檢測(cè)電阻小一個(gè)數(shù)量級(jí)。這樣可以降低功耗，并且在30 A時(shí)的典型功耗僅為0.54 W，而在15 A時(shí)的典型功耗僅為0.135W。這不僅有助于提高系統(tǒng)效率，還可以使設(shè)備即使在電流升高的情況下也能保持涼爽。如果客戶在某些應(yīng)用中希望使用含鉛封裝，則ACS711產(chǎn)品也可以使用配套封裝SOIC-8。

焊接和熱特性

盡管功耗低，但仍需要比3mm2相對(duì)較小的QFN封裝固有的更低的對(duì)環(huán)境的熱阻。如果設(shè)計(jì)正確，則印刷電路板（PCB）上的寬大電流銅跡線足以幫助冷卻設(shè)備。圖3中顯示了一個(gè)示例，Allegro可提供ACS711原型板上的布局。請(qǐng)注意，兩個(gè)大的焊盤面積為4.5 mm，僅比非常小的QFN封裝輪廓稍大。在此板上，兩層4盎司。使用銅，通過熱通孔連接（如果需要，可以填充或消除QFN下的銅）以提高熱性能。由于某些客戶發(fā)現(xiàn)在生產(chǎn)環(huán)境中很難做到這一點(diǎn)，因此可以根據(jù)需要填充或消除QFN下的通孔。

QFN電流傳感器IC的PCB布局

安裝在PCB上的QFN的熱性能

使用圖3的Allegro PCB，在一系列感測(cè)到的電流水平上進(jìn)行了溫度測(cè)量。圖4顯示了結(jié)果。該圖顯示，在85°C的環(huán)境溫度下，傳感器IC封裝在達(dá)到建議的最高結(jié)點(diǎn)（芯片）溫度165°C之前可以承受45 A的連續(xù)電流。通過適當(dāng)?shù)?a target="_blank">PCB設(shè)計(jì)，該器件可以安全地用于環(huán)境溫度為85°C的30 A連續(xù)電流應(yīng)用中，在達(dá)到165°C的管芯溫度之前，具有約50°C的安全裕度。

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