利用下一代電流傳感器應(yīng)對(duì)PCB設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)系列文章之一 —— 應(yīng)對(duì)PCB設(shè)計(jì)中的尺寸挑戰(zhàn)

磁電流傳感器為傳統(tǒng)電流測(cè)量技術(shù)提供了一種緊湊而高效的替代方案，可顯著減小 PCB 上元件的尺寸，這對(duì)于空間受限的電子設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

隨著對(duì)小型電子設(shè)備的需求不斷增長(zhǎng)，工程師面臨的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，就是如何在有限的 PCB 面積內(nèi)集成所有必要組件。電子設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵方面是電流測(cè)量，這對(duì)于監(jiān)控和控制能源使用、確保安全和提高電子系統(tǒng)的整體性能至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)的電流檢測(cè)方法，尤其是涉及分流電阻的方法，其中存在諸多困難。這些方法通常需要額外的放大器和濾波器，這不僅占用寶貴的 PCB 空間，而且還增加了生產(chǎn)成本。磁電流傳感器的出現(xiàn)，已發(fā)展為可行的替代方案；它將多個(gè)分立元件集成到單個(gè)集成電路中，從而顯著減少 PCB 元件封裝面積。

在我們的下一代電流測(cè)量系列中，之前已經(jīng)探討過(guò)傳統(tǒng)電流感應(yīng)方法存在的諸多困難。本文特別關(guān)注解決 PCB 設(shè)計(jì)中尺寸限制的挑戰(zhàn)，并介紹磁電流傳感器在現(xiàn)代電子領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。

電流感應(yīng)和空間限制

在傳統(tǒng)的 PCB 設(shè)計(jì)中，電流感應(yīng)的管理通常需要使用分流電阻以及輔助組件，例如運(yùn)算放大器、濾波組件和增益設(shè)置電阻。這些元件占用大量 PCB 面積并增加了布局的復(fù)雜性，使得實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備所需的緊湊性面臨挑戰(zhàn)。

使用多個(gè)組件需要額外的設(shè)計(jì)考慮，如熱管理和精確布線，以實(shí)現(xiàn)有效的電氣隔離和準(zhǔn)確的信號(hào)測(cè)量，例如確保與分流電阻進(jìn)行開(kāi)爾文連接。這種復(fù)雜性會(huì)增加整體 PCB 尺寸，進(jìn)而增加材料成本并需要更大的外殼，導(dǎo)致制造費(fèi)用增加。

圖1：傳統(tǒng)分流電阻的電流測(cè)量系統(tǒng)功能圖。

磁電流傳感器通過(guò)以下方式為該問(wèn)題提供了簡(jiǎn)化的解決方案： 將所有必要的功能整合進(jìn)單個(gè)小型封裝。

圖2：緊湊型封裝中的磁電流傳感器功能圖，省去多個(gè)分流電阻式電流傳感器所需的外部元件。

這些集成磁電流傳感器無(wú)需其他外部元件，而此類(lèi)外部元件面積通常大于磁傳感器的整體封裝，因此，它簡(jiǎn)化了 PCB 布局并顯著減少電流感應(yīng)元件封裝所占空間。這種集成使得在設(shè)計(jì)先進(jìn)的電子系統(tǒng)時(shí)更有效地利用空間和資源。

利用磁電流感應(yīng)大大減少PCB 元件封裝

磁電流傳感器將分流電阻、分流放大器和附加濾波元件的功能集成到單個(gè)緊湊集成電路 (IC) 中，這代表電流傳感技術(shù)的突破。這種集成簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程并大大減少 PCB 元件封裝。

對(duì)比傳統(tǒng)分流電阻

2512 封裝（6.3 x 3.2 毫米）中，典型的 1 毫歐分流電阻需占用大量 PCB 面積。相比之下，Allegro 的 ACS71240 采用 3 x 3 毫米 QFN（方形扁平無(wú)引腳封裝）封裝，電阻為 0.6毫歐，體積縮小 56%，僅占用 9 mm2。

具有類(lèi)似功能的完整的分流電阻電流測(cè)量電路（電阻為 0.5 毫歐）占用 120 mm2，幾乎是 ACS71240 方案的 13.3 倍。

圖3：Allegro ACS71240 (左) 采用 3 x 3 = 9 mm2 封裝 (0.6 毫歐)，而基于分流器的方案 (右) 連同輔助元件總共占用 15 x 8 = 120 mm2 (0.5 毫歐)。圖片來(lái)源：Allegro MicroSystems

對(duì)于大電流應(yīng)用，100 微歐分流電阻可能需要更大的元件封裝（約 10 x 5.2 毫米），而采用 4x4 毫米 QFN 封裝的 Allegro ACS37220 通過(guò)在電路板上集成多達(dá) 9 個(gè)不同的元件，將尺寸縮小 69%，從而節(jié)省大量空間。

圖4：分流電阻中電阻元件的物理尺寸通常比整個(gè)磁電流傳感方案的尺寸還要大。

這些示例顯著表明磁電流傳感器如何大幅減少電流感應(yīng)所需的 PCB 面積。

磁電流傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)

磁電流傳感器 PCB 集成設(shè)計(jì)具有多項(xiàng)顯著優(yōu)勢(shì)，特別有利于應(yīng)對(duì)尺寸限制，而這是之前討論中凸顯的關(guān)鍵問(wèn)題。與基于分流器的傳統(tǒng)方法相比，在空間受限的情況下，這些優(yōu)勢(shì)提供了令人信服的解決方案。

減少 PCB 面積

集成效率：通過(guò)將電流感應(yīng)、放大、濾波等功能整合到單一組件中，磁電流傳感器可顯著減少 PCB 元件封裝。這對(duì)于空間稀缺的應(yīng)用（例如汽車(chē)系統(tǒng)）非常有用。

簡(jiǎn)化布局：元件數(shù)量縮減簡(jiǎn)化了 PCB 布局，極大限度地減少額外接線和布線的需要，從而降低組裝過(guò)程的復(fù)雜度并減少出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)。

成本效益

降低材料成本： PCB 占板縮小意味著所需材料也較少，這直接降低采用本品的終端產(chǎn)品成本。此外，更小的電路板可裝入更小的外殼中，往往可以降低成本，并可降低產(chǎn)品的整體材料支出。

降低裝配成本：由于需要安裝和焊接的元件更少，因此組裝時(shí)間和成本得以減少。裝配過(guò)程簡(jiǎn)化還可以降低制造缺陷概率，從而進(jìn)一步降低與質(zhì)量控制和返工相關(guān)的成本。

設(shè)計(jì)靈活性

創(chuàng)新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)： 磁電流傳感器節(jié)省的空間使設(shè)計(jì)人員可以減小現(xiàn)有產(chǎn)品的尺寸，或者充分利用空余面積實(shí)現(xiàn)附加功能，從而使其產(chǎn)品在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中有機(jī)會(huì)脫穎而出。

增強(qiáng)的性能和可靠性： 由于所用組件較少，潛在故障點(diǎn)也較少，因此 PCB 的整體可靠性得以提高。此外，集成設(shè)計(jì)的磁傳感器通常性能更加強(qiáng)勁，例如增強(qiáng)的抗噪性和更好的熱管理。

這些優(yōu)勢(shì)使磁電流傳感器在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域中成為理想選擇，特別是創(chuàng)新和成本效益至關(guān)重要的應(yīng)用領(lǐng)域。

案例分析：現(xiàn)實(shí)應(yīng)用和優(yōu)勢(shì)

磁電流傳感器所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)一家全球工業(yè)機(jī)器人制造商的經(jīng)驗(yàn)獲得令人信服的實(shí)例驗(yàn)證。由于傳統(tǒng)分流電阻尺寸較大且集成要求復(fù)雜，該公司在其設(shè)計(jì)中集成分流電阻時(shí)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)尺寸規(guī)格較小，使得傳統(tǒng)的電流傳感方法變得不切實(shí)際。

面臨的挑戰(zhàn)

該制造商需要一種電流傳感解決方案，能夠適應(yīng)其機(jī)器人系統(tǒng)的嚴(yán)格尺寸限制，且不影響性能。傳統(tǒng)的分流電阻器及其輔助組件體積過(guò)于龐大，需要在設(shè)計(jì)上做出妥協(xié)，導(dǎo)致機(jī)器人的整體功能受到影響。

提供的解決方案

該公司選擇將 Allegro ACS71240 磁電流傳感器集成到其設(shè)計(jì)中。與之前考慮的分流電阻相比，該型傳感器元件封裝顯著縮小。ACS71240 傳感器采用緊湊型 3x3 毫米 QFN 封裝，在提供所需電流感應(yīng)功能的同時(shí)，還滿(mǎn)足緊湊型機(jī)器人設(shè)計(jì)的尺寸要求。

取得的成果

采用磁電流傳感器使制造商實(shí)現(xiàn)了幾項(xiàng)關(guān)鍵的改進(jìn)：

空間效率：更小的傳感器使得整體設(shè)計(jì)更加緊湊，這對(duì)于機(jī)器人復(fù)雜的內(nèi)部布局至關(guān)重要。

提升性能：通過(guò)集成信號(hào)調(diào)節(jié)和比傳統(tǒng)方法更高的精度，傳感器提供更可靠、更精確的電流測(cè)量。

降低成本：通過(guò)減小 PCB 尺寸并簡(jiǎn)化組裝過(guò)程，制造商降低了機(jī)器人系統(tǒng)的生產(chǎn)成本并縮短上市時(shí)間。

本案例研究已證明磁電流傳感器對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的重大影響。

應(yīng)對(duì)PCB 設(shè)計(jì)中的尺寸挑戰(zhàn)

電流傳感技術(shù)的創(chuàng)新對(duì)于提高有限空間內(nèi) PCB 設(shè)計(jì)的效率和功能至關(guān)重要。Allegro MicroSystems 提供一系列集成解決方案，滿(mǎn)足從高電流應(yīng)用到緊湊型高壓環(huán)境的不同需求。

AllegroACS37041： 該傳感器采用緊湊型 SOT23-W 封裝，支持高達(dá) 30 安的雙向電流測(cè)量，工作電壓高達(dá) 100 伏（均方根）。其導(dǎo)通電阻為 1.6 毫歐，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的誤差低于 ±5%，這使其成為電路板空間有限但嚴(yán)重依賴(lài)精確電流測(cè)量的各種應(yīng)用的理想選擇。

圖5：Allegro ACS37041及其架構(gòu)框圖。

Allegro ACS37220： 該傳感器專(zhuān)為大電流應(yīng)用而設(shè)計(jì)，采用 4 x 4 毫米 QFN 封裝，可處理高達(dá) ±200 A 的電流，并在 100 伏（均方根）下運(yùn)行。產(chǎn)品具有超低 100 毫歐的電阻導(dǎo)體，并通過(guò)了 AEC-Q100 認(rèn)證，適合在嚴(yán)苛條件下要求高可靠性和高性能的汽車(chē)和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用。

圖6：Allegro ACS37220及其架構(gòu)框圖。

Allegro ACS71240: 該傳感器采用 3mm x 3mm QFN 和 SOIC8 封裝，可測(cè)量高達(dá) 60 安（QFN）和 55 安（SOIC8）的電流，并可承受高達(dá) 420 伏（峰值）和 297 伏（均方根）的電壓。主要特性包括：抗雜散磁場(chǎng)、快速過(guò)流故障輸出和 AEC-Q100 認(rèn)證，這使其成為在高壓環(huán)境下運(yùn)行而需要緊湊設(shè)計(jì)的應(yīng)用的理想選擇。

圖7：Allegro ACS71240及其架構(gòu)框圖。

總之，這些傳感器體現(xiàn)了 Allegro 的承諾：為空間受限但要求高性能的 PCB 設(shè)計(jì)提供可擴(kuò)展解決方案。每型傳感器都根據(jù)特定的應(yīng)用需求進(jìn)行定制，確保設(shè)計(jì)工程師擁有合適的工具來(lái)有效地應(yīng)對(duì)現(xiàn)代電子領(lǐng)域挑戰(zhàn)。

結(jié)論

隨著電子設(shè)備不斷縮小，對(duì)緊湊、高效的設(shè)計(jì)方案的需求變得越來(lái)越急切。磁電流傳感器通過(guò)將多種功能集成到單個(gè)小組件中來(lái)解決這一挑戰(zhàn)，該組件顯著減少 PCB 元件封裝并提高設(shè)計(jì)靈活性。這些傳感器極大限度地降低了材料和生產(chǎn)成本并簡(jiǎn)化了裝配過(guò)程，從而生產(chǎn)出更可靠、更高效的產(chǎn)品。

正如工業(yè)機(jī)器人制造商的案例研究所證明，磁電流傳感器的采用凸顯了它們能夠在提高性能的同時(shí)滿(mǎn)足嚴(yán)格設(shè)計(jì)要求。隨著小型化趨勢(shì)的持續(xù)，磁電流傳感器將成為先進(jìn)電子設(shè)計(jì)的關(guān)鍵元素，并為工程師提供在緊湊電子系統(tǒng)中進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化的重要工具。