《下一代電流傳感系列文章》第 3 篇：磁電流傳感器通過磁場精確測量電流，從而簡化 PCB 設計，降低現(xiàn)代電子產(chǎn)品的復雜性。

導言

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

本文將深入探討磁電流傳感器如何解決 PCB 設計中的復雜性問題，重點介紹磁性電流傳感器相對于傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢，并通過詳細的案例研究重點介紹磁電流傳感器在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中的優(yōu)勢。

傳統(tǒng)電流檢測方法面臨的復雜性挑戰(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 設計和功能的復雜度。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計的復雜度。此類設備本身具有電感，當電流發(fā)生快速變化時會產(chǎn)生電壓尖峰。這種情況會干擾其他敏感元件，并使測量精度發(fā)生偏差，這對保持系統(tǒng)的完整性和可靠性構成了巨大挑戰(zhàn)。此外，由于電感的存在，分流電阻的阻抗會隨著頻率的增加而增大，從而導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 時性能會退化。電感會影響分流器在高頻下的性能，從而影響其運行，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，傳統(tǒng)系統(tǒng)通常需要外部元件來過濾分路電壓。此過程增加設計的復雜性，因為需要根據(jù)系統(tǒng)的具體要求微調濾波器元件，以確保放大器的輸入級在高瞬態(tài)開關事件期間免受飽和影響。

在設計此類濾波器時，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 設計更加復雜，增加了系統(tǒng)的總體成本。要在各種頻率上實現(xiàn)小于 1% 的精度，通常需要專門的調整，包括反復試驗，既費時又費錢。

復雜性對解決方案成本的影響

當前傳統(tǒng)傳感方法的復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措施，以及設計過程需要大量人力，這不僅增加了直接材料和制造成本，還延長了開發(fā)周期。支出的增加會影響產(chǎn)品的盈利能力和市場競爭力，對快速創(chuàng)新和成本效益要求極高的行業(yè)尤其如此。

利用磁性電流感應技術很大程度地降低 PCB 設計復雜性

磁電流傳感器是電流傳感領域的一大進步，它提供一種將多種功能集成到單個元件中的創(chuàng)新解決方案。這種集成簡化了設計流程，很大限度地減少空間需求。

簡化設計流程

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

圖2：傳統(tǒng)的電流感應方法通常需要 5-9 個元件的復雜組合，包括電阻器、電容器和運算放大器，而磁電流傳感器則將所有必要的功能整合到一個單元中，從而簡化了設計。

提高測量精度

傳統(tǒng)的分流系統(tǒng)在進行低電阻測量時需要進行高水平的放大，這通常會帶來噪聲和潛在誤差，而磁電流傳感器則不同，無需進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，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

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，簡化裝配。元件數(shù)量縮減可減少制造錯誤和返工，從而最終降低總體生產(chǎn)成本。此外，由于對專用組件和大量實驗室測試的需求減少，可進一步降低開發(fā)成本，使從設計到生產(chǎn)的過程更具經(jīng)濟效益。

簡化設計流程

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

這種集成簡化了設計和制造流程，為 PCB 設計創(chuàng)新開辟了新的途徑，進而使工程師能夠更加專注于增強功能，而不是克服技術障礙。

加速開發(fā)和部署

磁電流傳感器可簡化設計，大大加快產(chǎn)品開發(fā)進程。由于需要集成和測試的組件較少，因此可以縮短從概念設計到產(chǎn)品上市的時間。對應快速發(fā)展的行業(yè)，縮短上市時間彌足珍貴，通過更快地響應市場需求和技術進步，帶來巨大的競爭優(yōu)勢。

案例研究：清潔太陽能和儲能系統(tǒng)制造商

美國一家清潔太陽能和儲能系統(tǒng)制造商對磁電流傳感器的應用，驗證了此設備的顯著優(yōu)勢。該公司曾面臨著相當大的挑戰(zhàn)，因為使用傳統(tǒng)分流電阻對系統(tǒng)中多點進行電流感應非常復雜。由于需要對無源元件進行精確的濾波器設計，并在溫度和壽命周期上進行變量管理，每個額外的傳感點都會進一步增加復雜度。

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，方案能高效地運行。事實證明，傳統(tǒng)方法過于繁瑣、耗時且容易出錯，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 ACS711磁電流傳感器。該傳感器集成了信號調節(jié)和出廠校準功能，無需額外的濾波和現(xiàn)場校準，簡化了安裝過程。

取得的成果

采用 ACS711 后，制造商大大簡化了設計。設計簡化降低了整體設計時間和制造成本，促進從原型到生產(chǎn)的快速過渡，并最終加快了產(chǎn)品的上市時間。由于 ACS711 適用于各種應用的靈活性，這還使得該公司能夠在系統(tǒng)的不同部分實現(xiàn)傳感標準化，從而簡化了庫存和維護工作。

利用 Allegro的磁電流傳感器克服 PCB 設計的復雜性挑戰(zhàn)

Allegro ACS37041 和 ACS37220 充分體現(xiàn)了磁性電流傳感技術的進步，在提高現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能的同時顯著降低設計復雜性。

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用。產(chǎn)品支持高達 30 安的電流測量，工作電壓高達 100 伏（有效值或均方根），因此可廣泛應用于電力、制造、汽車和其他領域。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量，無需外部校準，從而簡化了設計過程。

圖3：采用 5 引腳 SOT23-W 封裝的 Allegro ACS37041 以及典型應用電路

Allegro ACS37220: ACS37220 專為大電流應用而設計，可應對高達 200A 的電流，同時在低于 100 伏（有效值）電壓下運行。產(chǎn)品具有 100 微歐的超低電阻，已通過 AEC-Q100 認證，這對汽車環(huán)境中的可靠性至關重要。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現(xiàn)高性能的應用。

圖4：采用 7 引腳 QFN 封裝的 Allegro ACS37220 以及典型應用電路

這兩種傳感器都集成了先進的信號調節(jié)功能，無需額外的濾波和輔助元件。此集成節(jié)省 PCB 空間，降低設計階段出錯的可能性，從而簡化開發(fā)流程，加快新產(chǎn)品的上市時間。

結論

事實證明，磁電流傳感器克服了傳統(tǒng) PCB 電流檢測設計的許多復雜性。通過降低設計復雜性、提高可靠性和削減成本，該型傳感器為更具創(chuàng)新性的電子設計方法提供支持。

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)熱和復雜性等難題，從而徹底改變 PCB 設計。Allegro MicroSystems 憑借其在電流測量領域表現(xiàn)出色的優(yōu)選解決方案，成為了行業(yè)中的一個重要參考標準。