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電流傳感器集成電路(IC)磁滯減輕技術解析

電子設計 ? 2021-04-28 16:11 ? 次閱讀

本應用筆記重點介紹電流傳感器集成電路(IC)和使用IC上集成的鐵磁芯的磁滯減輕技術。本文檔概述了磁滯現象及其對Allegro電流傳感器(例如ACS758CB和ACS770CB系列)的影響。它還包括減輕磁滯的兩種方法。

介紹

傳統的開環電流傳感器IC,例如Allegro ACS758CB和ACS770CB系列,都具有充當磁集中器的鐵磁芯。它們將由流過導體的電流產生的磁通密度B場集中到霍爾效應傳感器IC上,如圖1所示。

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圖1使用霍爾傳感器IC和磁芯的感應電流

霍爾效應傳感器IC具有一個霍爾元件,即一個傳感器,可將垂直于霍爾元件的B場轉換為電壓。該霍爾傳感器電壓與B場成正比。B場也與導體中電流的大小成正比,因此霍爾傳感器的輸出電壓與導體中流動的電流的大小成正比。這樣,可以用霍爾效應傳感器和集中芯制成非常精確的電流傳感器。

如果沒有芯線,導體周圍的B場將很小,并且難以精確測量。磁芯可以將磁場放大20倍或更多,因此對于提高傳感器的精度和分辨率具有極高的價值。以這種方式測量電流還有其他優勢,例如電流隔離,極低的功率損耗和低的發熱。使用鐵磁材料作為集中芯的一個缺點是磁滯。

什么是磁滯?

磁滯通過測量一塊磁芯材料并生成BH曲線來測量。向材料施加外部磁場(H),然后測量材料“內部”的磁通密度(B)。永磁體或“硬”材料的一系列曲線如下圖2所示。永磁體不用作磁芯,但有助于說明磁滯的工作原理。當施加大磁場時,磁性材料被磁化;當消除磁化場(H)時,在圖2所示的具有磁通密度(B)的材料周圍會存在一個永久磁場。

永磁體產生的磁場不僅取決于材料,還取決于其被磁化的強度。換句話說,這取決于在磁化期間施加了多少H場。通過施加不同的磁化場(H),可以生成一系列曲線,如圖2所示。

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圖2 B與H的曲線族

鐵磁材料是可磁化或被永磁體吸引的材料。它們具有很高的磁導率,并且都具有在存在磁場的情況下排列的磁疇(請參閱圖3)。除去施加的磁場后,松散固定的磁疇會恢復為隨機方向。這些被稱為“軟”材料,并且希望用作芯。并非所有的疇都恢復為隨機取向,這就是材料被磁化的方式。這是“剩磁”,是材料的磁滯。永久磁疇保持鎖定在與磁化場相同的方向上,因此是“硬”材料。

如圖3和圖4所示,在選擇用于電流傳感應用的磁芯材料時,需要一種具有低滯后性的軟鐵磁材料。

圖4軟B和硬B與H循環

當霍爾電流傳感器IC放在鐵芯的間隙中且沒有電流流過時,器件的輸出電壓應指示為零安培。電流在導體中流動后,磁芯中的磁滯會保留磁場,因為電流會產生一個施加的磁場并使磁芯材料磁化。當電流不再流動時,霍爾傳感器將測量非零電流,具體取決于芯材的磁化強度。這會導致零安培讀數出現一些誤差,因此是不希望的。

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