利用下一代電流傳感器應對PCB設計挑戰(zhàn)系列文章之二——應對 PCB 設計中的熱量挑戰(zhàn)

磁電流傳感器針對傳統(tǒng)的電流測量方法提供一種精簡且熱效率高的解決方案，顯著降低發(fā)熱量并減小 PCB 上的元件尺寸，這對于緊湊型電子設計至關重要。

導言

電子電路世界日新月異，管理印刷電路板（PCB）設計中的熱量已成為一項關鍵挑戰(zhàn)，特別是設備越來越小，性能要求卻不斷提高。傳統(tǒng)的電流檢測方法，特別是用到分流電阻的方法，通常會產(chǎn)生大量熱量，因而損害系統(tǒng)的可靠性和性能。

磁電流傳感器為這些挑戰(zhàn)提供創(chuàng)新性解決方案。此類傳感器以極小發(fā)熱量測量電流，有助于保持電子系統(tǒng)的完整性。本文探討磁電流傳感器如何改變 PCB 設計中的熱管理，推動電子制造業(yè)向前邁進。

在《下一代電流傳感系列文章》中，我們探討與傳統(tǒng)電流傳感方法相關的各種挑戰(zhàn)。本文特別關注 PCB 設計中的熱量挑戰(zhàn)，以突出磁電流傳感器在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中的優(yōu)勢。

傳統(tǒng)電流檢測方法中的熱量挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)的電流測量方法通常依賴于分流電阻，這些元件在工作期間會大量發(fā)熱。這種發(fā)熱主要是由于分流電阻存在固有電阻，其功耗計算如下：

P=I2×R

高電流時，即使是導通電阻分流電阻也會消耗大量功率，進而提高電阻及其周圍 PCB 元件的溫度。

過高的熱量會對電子系統(tǒng)造成多種不利影響，例如：

組件退化： 持續(xù)高溫會加速電子元件的老化過程，進而縮短其使用壽命。

系統(tǒng)可靠性：熱量會導致電子元件故障或以不可預測的方式運行，進而導致系統(tǒng)不穩(wěn)定和潛在的數(shù)據(jù)丟失。

熱失控： 在功率密集型應用中，發(fā)熱可能導致熱失控，使得系統(tǒng)無法調(diào)節(jié)自身溫度，并導致熱量進一步增加和潛在損壞。

這些挑戰(zhàn)需要復雜的散熱策略，通常需要使用額外的組件，如散熱器和散熱墊，或選擇極低值的分流電阻，所有這些都增加了 PCB 設計的總體成本和復雜性。此外，有效散熱所需的物理空間進一步限制電子設備小型化，而這是許多現(xiàn)代應用的關鍵因素。

傳統(tǒng)熱緩解策略的局限性

雖然傳統(tǒng)的熱管理方法可能是有效的，但它們具有明顯的缺點，這會阻礙緊湊型電子設備的設計和功能：

增加系統(tǒng)成本和復雜性：部署散熱器和散熱墊會增加材料成本并使組裝過程變得復雜。這不僅增加總生產(chǎn)成本，而且延長制造和組裝所需的時間。

面板尺寸需求增大：為了容納散熱器并確?？諝饬魍ㄋ杩臻g足夠，PCB 通常需要設計更大的尺寸。這與電子工業(yè)的小型化趨勢背道而馳，而減小設備尺寸往往是主要目標。

美學和實用性的設計限制： 散熱片和 PCB 面積增加會影響電子設備的設計美學和實用性，特別是在外形尺寸非常重要的設備中。

雖然熱控制離不開傳統(tǒng)熱管理方法，但也對新電子產(chǎn)品的設計和創(chuàng)新潛力造成了重大限制。

導通電阻分流電阻的缺陷

為了極大限度地減少發(fā)熱，一些設計選擇極低電阻的分流電阻。然而，該解決方案也存在不足之處，這會對電子系統(tǒng)的整體效率和性能產(chǎn)生不利影響：

高增益放大器： 導通電阻值通常需要使用高增益放大器來產(chǎn)生可測量的輸出信號。此放大會顯著增加測量中的噪聲，進而損害信號的完整性和準確性。高噪聲水平在精密應用中尤其棘手，因為在精密應用中數(shù)據(jù)質(zhì)量非常重要。

組件尺寸及其成本的增加：實現(xiàn)極低電阻通常需要使用更大或更專業(yè)的分流電阻，這會導致成本更昂貴。不僅影響設計的成本效益，而且導致減少 PCB 空間使用的努力化為虛有。

設計的復雜性： 極低電阻值的分流電阻及其要求的高增益放大器需要復雜的設計考慮，包括仔細布線和屏蔽以防止干擾，以及在制造過程中需要額外校準步驟以確保精度。這種復雜性增加開發(fā)時間和成本，進而增加整個項目的時間線和預算。

隨著工程師尋求更精簡和更具成本效益的解決方案，他們的側(cè)重點已經(jīng)轉(zhuǎn)向創(chuàng)新技術，從本質(zhì)上避免這些復雜難題。磁電流傳感器代表這樣的進步，它在熱管理、設計簡單性和成本效益方面有著顯著優(yōu)勢。

利用磁電流檢測極大限度地減少 PCB 發(fā)熱

磁電流傳感器的采用，標志著解決電流感測發(fā)熱問題的一大進步。此類傳感器采用基于霍爾效應的方法，與傳統(tǒng)分流電阻相比，該方法本身電阻低、發(fā)熱量也降低到極低程度。

對比傳統(tǒng)分流電阻

導通電阻： 磁電流傳感器并非基于電阻和“歐姆定律”進行測量。然而，磁電流傳感器載流路徑中有金屬引線框架，與電流測量電路中使用的大多數(shù)分流電阻相比，其電阻值極低。因此，磁電流傳感器能夠顯著降低系統(tǒng)發(fā)熱，這對于設計更小或更高效的電子設備至關重要。

簡化信號處理： 磁電流傳感器的輸出與磁場成正比，不需要導通電阻分流測量所需的高倍放大。這降低了信號處理中的復雜性和潛在的噪聲干擾。

在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，磁電流傳感器因具備上述特性，已成為極具吸引力的選擇，對于追求效率和小型化的應用更是如此。傳統(tǒng)上由多個組件處理的功能，自此集成到單個緊湊的封裝件中，不僅可以減少發(fā)熱量，還可以提高電子系統(tǒng)的整體性能和可靠性，減少潛在的故障點。

圖1：分流電阻功率耗散對比Allegro 的 4x4 mm QFN“EZ”封裝。圖片來源：Allegro MicroSystems

磁電流傳感器的主要優(yōu)點

Allegro MicroSystems 等磁電流傳感器相比于傳統(tǒng)傳感方法具有顯著優(yōu)勢，它能大幅改進 PCB 設計。其優(yōu)勢能恰好滿足先進電子系統(tǒng)不斷變化的需求。

熱量和運行性能改進

極小的熱影響：磁電流傳感器的工作發(fā)熱量顯著降低，因此無需復雜的熱管理系統(tǒng)，從而實現(xiàn)更清潔、更高效的設計。

可靠的精度：此類傳感器測量精度高、穩(wěn)定性強，不會出現(xiàn)熱漂移的復雜情況，不會對高溫下的組件產(chǎn)生負面影響，從而確保在各種應用中可靠運行。

提高效率和簡化設計

集成的功能：此類傳感器將多種傳感功能集中到單個元件中，從而減少對額外組件的需求，簡化整體設計。

簡化制造： 磁傳感器的緊湊性和集成性能夠簡化裝配過程，因而減少制造時間和成本。

成本和空間優(yōu)化

減小 PCB 尺寸：此類傳感器無需高增益放大器和散熱單元等輔助元件，實現(xiàn)更緊湊的 PCB 布局。

材料使用成本效益： 元件數(shù)量的縮減、電路設計的簡化減少了材料使用及其成本，使整個產(chǎn)品更經(jīng)濟。

應用靈活

多功能集成： 磁電流傳感器元件封裝小、性能強勁，有助于將其集成到各種產(chǎn)品中，特別適合中高電流應用，可應用于數(shù)十安培電流的工業(yè)系統(tǒng)乃至更大規(guī)模的場景。

耐用性提升： 此類傳感器部件更少、更加不易熱降解，因此更加耐用，這對應用于惡劣環(huán)境的設備非常關鍵。

案例分享：歐洲電機模塊制造商

一家歐洲領先的電機模塊制造商通過自身經(jīng)驗印證了磁電流傳感器具備的實用優(yōu)勢。在設計緊湊型電機模塊時，該公司需要以極小的功耗來維持較低的系統(tǒng)溫度，因而面臨著重大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)分流電阻功耗高、發(fā)熱量大，進而影響性能和可靠性，不足以勝任所需應用。

面臨的挑戰(zhàn)

制造商需要一種電流傳感解決方案，滿足其緊湊型電機設計所要求的嚴格尺寸和熱限制。傳統(tǒng)分流電阻及其輔助元件體積太大，產(chǎn)生的熱量太多，需要額外的冷卻機制，進而增加成本和復雜性。

實施的方案

該制造商探索過替代技術，最終選擇采用 Allegro 的 ACS37220 磁電流傳感器集成到其設計中。該傳感器因其低功耗和緊湊的尺寸而脫穎而出。

取得的成果

采用 ACS37220 使制造商實現(xiàn)了幾項關鍵的改進：

減少熱量產(chǎn)生： 磁傳感器的電阻較低，從而極大程度地減少發(fā)熱，使電機模塊能夠在安全熱限值內(nèi)運行，而無需附加額外冷卻措施。

緊湊型設計： ACS 37220 尺寸小巧，這使制造商能夠滿足其電機模塊的緊湊設計規(guī)格的要求。

降低成本和復雜性： 由于無需額外熱管理組件，總體成本和設計復雜性顯著降低。

ACS37220 的成功實施滿足了該制造商的特定需求，證明磁電流傳感器能夠克服傳統(tǒng)電流檢測和熱管理存在的局限性，具備變革產(chǎn)品設計的潛力。

Allegro MicroSystems 利用磁電流傳感器克服 PCB 設計中的發(fā)熱難題

Allegro ACS37220 磁電流傳感器具備必要功能，能有效緩解電子系統(tǒng)發(fā)熱問題。傳感器能夠處理高達 200 安的大電流，特別適用于功率密集型應用，且工作時發(fā)熱量顯著降低。

圖2：Allegro MicroSystems 的 ACS37220 磁電流傳感器采用 7 引腳 4 x 4 毫米 QFN 封裝。

其緊湊的 4x4 毫米 QFN 封裝極大限度地提高 PCB 空間使用效率，同時無需散熱器或風扇等額外冷卻組件。這一優(yōu)點簡化了設計并降低總體制造成本。對于現(xiàn)代電子系統(tǒng)而言，保持較低溫度至關重要，而 ACS 37220 的特性熱效率高、可靠性好，這使其成為優(yōu)選的解決方案。

結(jié)論

本文章重點介紹磁電流傳感器在解決 PCB 設計中的發(fā)熱難題方面的重要作用。與傳統(tǒng)分流電阻相比，此類傳感器大幅減少發(fā)熱，提高了系統(tǒng)可靠性和使用壽命。磁電流傳感器的持續(xù)集成在推進電子設備的熱管理中發(fā)揮關鍵作用，確保設備在變得越來越小的同時，仍能保持高效運行。