利用下一代電流傳感器應(yīng)對(duì)PCB設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)系列文章之三——應(yīng)對(duì) PCB 設(shè)計(jì)中的復(fù)雜性挑戰(zhàn)

磁電流傳感器通過磁場(chǎng)精確測(cè)量電流，從而簡(jiǎn)化 PCB 設(shè)計(jì)，降低現(xiàn)代電子產(chǎn)品的復(fù)雜性。

導(dǎo)言

磁電流傳感器為傳統(tǒng)的電流測(cè)量方法提供了更簡(jiǎn)單的解決方案，從而徹底改變了 PCB 的設(shè)計(jì)。這些傳感器將多個(gè)元件整合到單個(gè)集成電路中，降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性并提高系統(tǒng)整體性能。

本文將深入探討磁電流傳感器如何解決 PCB 設(shè)計(jì)中的復(fù)雜性問題，重點(diǎn)介紹磁性電流傳感器相對(duì)于傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢(shì)，并通過詳細(xì)的案例研究重點(diǎn)介紹磁電流傳感器在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中的優(yōu)勢(shì)。

傳統(tǒng)電流檢測(cè)方法面臨的復(fù)雜性挑戰(zhàn)

正如本系列文章之前所提到，傳統(tǒng)的電流傳感方法存在一系列挑戰(zhàn)，顯著增加了 PCB 設(shè)計(jì)和功能的復(fù)雜度。傳統(tǒng)方法通常依賴分流電阻（以及其他元件），而分流電阻器容易產(chǎn)生大量熱量，所需熱管理系統(tǒng)也比非分流解決方案更為復(fù)雜。 因此，傳統(tǒng)方法需要添加散熱片等附加組件，占用寶貴的 PCB 空間。

除了空間和熱量問題，分流電阻還增加了電氣和設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。此類設(shè)備本身具有電感，當(dāng)電流發(fā)生快速變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓尖峰。這種情況會(huì)干擾其他敏感元件，并使測(cè)量精度發(fā)生偏差，這對(duì)保持系統(tǒng)的完整性和可靠性構(gòu)成了巨大挑戰(zhàn)。此外，由于電感的存在，分流電阻的阻抗會(huì)隨著頻率的增加而增大，從而導(dǎo)致在較高頻率下靈敏度發(fā)生顯著變化。

例如，電阻 200 微歐、電感 3 毫微亨的高端分流電阻，其成本可能超過 0.15 美元，在 PCB 上占用的空間超過 50 平方毫米，但在帶寬超過 10 kHz 時(shí)性能會(huì)退化。電感會(huì)影響分流器在高頻下的性能，從而影響其運(yùn)行，因此有必要集成額外的元件來緩解由此產(chǎn)生的問題。

圖1：電阻 200 微歐、電感 3 毫微亨的分流電阻的頻率響應(yīng)顯示了分流阻抗是如何隨著頻率急劇增加。

傳統(tǒng)系統(tǒng)的緩解策略

為了解決電壓尖峰和其他電感效應(yīng)，傳統(tǒng)系統(tǒng)通常需要外部元件來過濾分路電壓。此過程增加設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，因?yàn)樾枰鶕?jù)系統(tǒng)的具體要求微調(diào)濾波器元件，以確保放大器的輸入級(jí)在高瞬態(tài)開關(guān)事件期間免受飽和影響。

在設(shè)計(jì)此類濾波器時(shí)，必須使用精密元件來保持其性能參數(shù)，如高共模抑制比和極點(diǎn)位置，這就需要使用低值電阻器來盡量減少輸入偏置電流以及高精度電容器和電阻器造成的影響。這些元件體積大、成本高，使 PCB 設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，增加了系統(tǒng)的總體成本。要在各種頻率上實(shí)現(xiàn)小于 1% 的精度，通常需要專門的調(diào)整，包括反復(fù)試驗(yàn)，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)錢。

復(fù)雜性對(duì)解決方案成本的影響

當(dāng)前傳統(tǒng)傳感方法的復(fù)雜性增加了整體方案的成本。由于必須使用精密部件、采取大量防止電氣噪音和尖峰脈沖的保護(hù)措施，以及設(shè)計(jì)過程需要大量人力，這不僅增加了直接材料和制造成本，還延長(zhǎng)了開發(fā)周期。支出的增加會(huì)影響產(chǎn)品的盈利能力和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)快速創(chuàng)新和成本效益要求極高的行業(yè)尤其如此。

利用磁性電流感應(yīng)技術(shù)很大程度地降低 PCB 設(shè)計(jì)復(fù)雜性

磁電流傳感器是電流傳感領(lǐng)域的一大進(jìn)步，它提供一種將多種功能集成到單個(gè)元件中的創(chuàng)新解決方案。這種集成簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)流程，很大限度地減少空間需求。

簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程

磁電流傳感器集成了信號(hào)調(diào)節(jié)功能，無需額外的濾波和復(fù)雜元件。這樣可以通過減少元件數(shù)量來簡(jiǎn)化 PCB 布局，并很大限度地減少潛在故障點(diǎn)，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。這些傳感器的出廠校準(zhǔn)能確保在不同溫度和操作條件下的性能保持不變，減少最終用戶進(jìn)行大量校準(zhǔn)的需要。

圖2：傳統(tǒng)的電流感應(yīng)方法通常需要 5-9 個(gè)元件的復(fù)雜組合，包括電阻器、電容器和運(yùn)算放大器，而磁電流傳感器則將所有必要的功能整合到一個(gè)單元中，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。

提高測(cè)量精度

傳統(tǒng)的分流系統(tǒng)在進(jìn)行低電阻測(cè)量時(shí)需要進(jìn)行高水平的放大，這通常會(huì)帶來噪聲和潛在誤差，而磁電流傳感器則不同，無需進(jìn)行此類放大即可保持精度和可靠性。傳感器在出廠前均經(jīng)過校準(zhǔn)，確保在大區(qū)間的溫度范圍內(nèi)性能一致，提高其可靠性。這種固有的可靠性使其能夠在干擾或噪音可能影響系統(tǒng)功能的環(huán)境中發(fā)揮有效作用，即使在多變的工作條件下也能提供可靠的解決方案。

成本優(yōu)勢(shì)

磁電流傳感器減少 PCB 上所需元件的數(shù)量，從而降低材料成本，簡(jiǎn)化裝配。元件數(shù)量縮減可減少制造錯(cuò)誤和返工，從而最終降低總體生產(chǎn)成本。此外，由于對(duì)專用組件和大量實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的需求減少，可進(jìn)一步降低開發(fā)成本，使從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的過程更具經(jīng)濟(jì)效益。

應(yīng)用靈活

磁電流傳感器用途廣泛，可用于各種配置，如低壓側(cè)、高壓側(cè)和相電流檢測(cè)。此外，這些傳感器還能適應(yīng)寬電壓范圍，這使其適用于廣泛的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景。

這種集成簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和制造流程，為 PCB 設(shè)計(jì)創(chuàng)新開辟了新的途徑，進(jìn)而使工程師能夠更加專注于增強(qiáng)功能，而不是克服技術(shù)障礙。

加速開發(fā)和部署

磁電流傳感器可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，大大加快產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)程。由于需要集成和測(cè)試的組件較少，因此可以縮短從概念設(shè)計(jì)到產(chǎn)品上市的時(shí)間。對(duì)應(yīng)快速發(fā)展的行業(yè)，縮短上市時(shí)間彌足珍貴，通過更快地響應(yīng)市場(chǎng)需求和技術(shù)進(jìn)步，帶來巨大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

案例研究：清潔太陽能和儲(chǔ)能系統(tǒng)制造商

美國(guó)一家清潔太陽能和儲(chǔ)能系統(tǒng)制造商對(duì)磁電流傳感器的應(yīng)用，驗(yàn)證了此設(shè)備的顯著優(yōu)勢(shì)。該公司曾面臨著相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，因?yàn)槭褂脗鹘y(tǒng)分流電阻對(duì)系統(tǒng)中多點(diǎn)進(jìn)行電流感應(yīng)非常復(fù)雜。由于需要對(duì)無源元件進(jìn)行精確的濾波器設(shè)計(jì)，并在溫度和壽命周期上進(jìn)行變量管理，每個(gè)額外的傳感點(diǎn)都會(huì)進(jìn)一步增加復(fù)雜度。

面臨的挑戰(zhàn)

這家制造商需要一種電流傳感解決方案，即：創(chuàng)新型太陽能和儲(chǔ)能系統(tǒng)在尺寸和性能方面被限制的條件下，方案能高效地運(yùn)行。事實(shí)證明，傳統(tǒng)方法過于繁瑣、耗時(shí)且容易出錯(cuò)，阻礙快速開發(fā)和推廣。

Allegro提供的解決方案

在研究了各種方案后，該品牌決定改用Allegro 的 ACS711磁電流傳感器。該傳感器集成了信號(hào)調(diào)節(jié)和出廠校準(zhǔn)功能，無需額外的濾波和現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，簡(jiǎn)化了安裝過程。

取得的成果

采用 ACS711 后，制造商大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化降低了整體設(shè)計(jì)時(shí)間和制造成本，促進(jìn)從原型到生產(chǎn)的快速過渡，并最終加快了產(chǎn)品的上市時(shí)間。由于 ACS711 適用于各種應(yīng)用的靈活性，這還使得該公司能夠在系統(tǒng)的不同部分實(shí)現(xiàn)傳感標(biāo)準(zhǔn)化，從而簡(jiǎn)化了庫存和維護(hù)工作。

利用 Allegro的磁電流傳感器克服 PCB 設(shè)計(jì)的復(fù)雜性挑戰(zhàn)

Allegro MicroSystems 的 ACS37041 和 ACS37220 充分體現(xiàn)了磁性電流傳感技術(shù)的進(jìn)步，在提高現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能的同時(shí)顯著降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

Allegro ACS37041: 該傳感器采用緊湊型 SOT23-W 封裝，非常適合空間有限的應(yīng)用。產(chǎn)品支持高達(dá) 30 安的電流測(cè)量，工作電壓高達(dá) 100 伏（有效值或均方根），因此可廣泛應(yīng)用于電力、制造、汽車和其他領(lǐng)域。1 毫歐的低電阻和低于 ±5% 的溫度變化誤差確保精確的電流測(cè)量，無需外部校準(zhǔn)，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過程。

圖3：采用 5 引腳 SOT23-W 封裝的 Allegro ACS37041 以及典型應(yīng)用電路。

Allegro ACS37220: ACS37220 專為大電流應(yīng)用而設(shè)計(jì)，可應(yīng)對(duì)高達(dá) 200A 的電流，同時(shí)在低于 100 伏（有效值）電壓下運(yùn)行。產(chǎn)品具有 100 微歐的超低電阻，已通過 AEC-Q100 認(rèn)證，這對(duì)汽車環(huán)境中的可靠性至關(guān)重要。該傳感器采用 4 x 4 毫米 QFN 封裝，適合于要求以極小元件封裝實(shí)現(xiàn)高性能的應(yīng)用。

圖4：采用 7 引腳 QFN 封裝的 Allegro ACS37220 以及典型應(yīng)用電路。

這兩種傳感器都集成了先進(jìn)的信號(hào)調(diào)節(jié)功能，無需額外的濾波和輔助元件。此集成節(jié)省 PCB 空間，降低設(shè)計(jì)階段出錯(cuò)的可能性，從而簡(jiǎn)化開發(fā)流程，加快新產(chǎn)品的上市時(shí)間。

結(jié)論

事實(shí)證明，磁電流傳感器克服了傳統(tǒng) PCB 電流檢測(cè)設(shè)計(jì)的許多復(fù)雜性。通過降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性、提高可靠性和削減成本，該型傳感器為更具創(chuàng)新性的電子設(shè)計(jì)方法提供支持。

本文為《下一代電流傳感系列文章》的最后一篇。在整個(gè)系列中，我們探討了磁電流傳感器（尤其是 Allegro開發(fā)的磁電流傳感器）如何解決尺寸、發(fā)熱和復(fù)雜性等難題，從而徹底改變 PCB 設(shè)計(jì)。Allegro MicroSystems 憑借其在電流測(cè)量領(lǐng)域表現(xiàn)出色的優(yōu)選解決方案，成為了行業(yè)中的一個(gè)重要參考標(biāo)準(zhǔn)。