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作者：Alex Latham 與 Scott Milne，
Allegro MicroSystems, LLC

簡(jiǎn)介

Allegro MicroSystems LLC 提供了品類齊全的采用集成導(dǎo)體的電流傳感器 IC 產(chǎn)品系列。這些產(chǎn)品可用于在各種應(yīng)用中測(cè)量電流，這些應(yīng)用包括電機(jī)控制、逆變器、負(fù)載檢測(cè)與管理，以及過(guò)電流故障監(jiān)測(cè)。對(duì)于正常工作電流最大達(dá) 50 A 的應(yīng)用，Allegro 提供了許多采用標(biāo)準(zhǔn)表面貼裝型封裝的電流傳感器 IC，例如 SOIC-8、SOICW-16、QSOP-24 和 QFN¹。由于采用了集成導(dǎo)體，所以這些傳感器 IC 需要與它們測(cè)量的電流串聯(lián)。集成導(dǎo)體的電阻極低（1.2 mΩ 或更小，具體取決于封裝類型），因此它們?cè)谡９ぷ鳒囟认拢粫?huì)產(chǎn)生極少的熱量。但是與電流路徑內(nèi)的所有組件一樣，當(dāng)電流強(qiáng)度超過(guò)額定電流值（由于短路、沖擊電流或其他瞬態(tài)條件造成）時(shí)，理解這些組件的運(yùn)行方式很重要。

圖 1：傳感器 IC 對(duì)比

進(jìn)行的測(cè)試與結(jié)果限制

本次研究的重點(diǎn)是 Allegro 提供的基于 SOIC-8、SOICW-16 和 QFN 封裝的電流傳感器 IC。必須注意的是，這些封裝的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)因產(chǎn)品的不同而各異，即使它們使用的是同類的 SOIC-8 或 SOICW-16 封裝。特別是下表顯示的封裝和相關(guān)的測(cè)試產(chǎn)品。

除非另有說(shuō)明，否則本文提供的所有數(shù)據(jù)都是在室溫條件下的產(chǎn)品上收集的，這些產(chǎn)品都焊接在 Allegro²研發(fā)的產(chǎn)品專用演示板上。散熱特性，特別是中等電流 (<150 A) 下的散熱特性會(huì)因用于電流傳感器 IC 附近的大電流軌跡的 PCB 布局的不同而變化。其他因素，例如 PCBA 是否采用保形涂層封裝（即是否“密封”），以及 放置 PCBA 的外殼都會(huì)影響系統(tǒng)的熱特性。本次研究的目的是對(duì)比以上列出的產(chǎn)品系列的相對(duì)性能，并說(shuō)明每種封裝能經(jīng)受的電流強(qiáng)度和耐受時(shí)間。應(yīng)在要使用這些部件的具體應(yīng)用環(huán)境下，對(duì)它們承載大電流的能力進(jìn)行驗(yàn)證。

測(cè)試結(jié)果

大電流脈沖行為（熔斷特性）

當(dāng) Allegro 的集成導(dǎo)體電流傳感器暴露在大電流中時(shí)，可能出現(xiàn)兩種不同的故障模式。根據(jù)通過(guò)導(dǎo)體的電流的量級(jí)和持續(xù)時(shí)間，可能出現(xiàn)下列一種或兩種故障模式：

1. 熱暴露可能損壞模具，當(dāng)模溫超過(guò) 165°C 時(shí)，可能出現(xiàn)這種情況。

2. 一次導(dǎo)體將作為熔絲裝置。

圖 2 顯示了 LC1 封裝（ACS712/3/4/5 與 ACS724/5 器件）的此類故障模式的時(shí)間與電流的對(duì)比曲線。藍(lán)色曲線代表導(dǎo)體熔斷經(jīng)歷的時(shí)間，黑色曲線代表模具達(dá)到 165°C 時(shí)經(jīng)歷的時(shí)間。在中等電流下 (

圖 2：LC1 (SOIC-8) 封裝類型的熔斷與超溫時(shí)間和電流的對(duì)比

除了故障點(diǎn)以外，當(dāng)傳感器 IC 熔斷時(shí)的故障行為也很重要。通常，當(dāng)集成導(dǎo)體熔斷時(shí)，導(dǎo)體最薄的部分會(huì)解體，封裝可能斷裂。在進(jìn)行的所有試驗(yàn)中，當(dāng)器件在超溫前熔斷時(shí)，故障不會(huì)在器件的一次和二次導(dǎo)體之間造成短路。但如果封裝已損壞，器件的隔離電壓就會(huì)受到影響。

圖 3：安全工作區(qū) - 模溫達(dá)到 165°C 或熔斷（以先出現(xiàn)的為準(zhǔn)）所需的時(shí)間與電流的對(duì)比。

還要注意的是，如果封裝在熔斷前超溫，就更容易出現(xiàn)熔斷故障。這類故障在圖 2 中的淡灰色區(qū)域（超過(guò)安全工作區(qū)）發(fā)生，那里是封裝熔斷前出現(xiàn)超溫的區(qū)域。在此類情況下，由于存在大量的熱量，所以系統(tǒng)會(huì)更積極地響應(yīng)在這些條件下出現(xiàn)的超溫故障。圖 4 顯示了測(cè)試的每種封裝的熔斷時(shí)間。但必須指出的是，只能在圖 2 和圖 3 顯示的安全工作區(qū)內(nèi)操作部件。

圖 4：熔斷時(shí)間 - 一次導(dǎo)體熔斷所需的時(shí)間與電流的對(duì)比。

直流電流能力

與各種量級(jí)和持續(xù)時(shí)間的大電流脈沖的響應(yīng)差異相似， IC 的相同物理特性、PCB 布局和應(yīng)用組件將影響器件經(jīng)受持續(xù)電流和將模溫保持在 165°C 以下的能力。影響部件安全承載持續(xù)大電流能力的另一個(gè)因素是環(huán)境溫度。圖 5 顯示了測(cè)試的每種封裝的模具升溫與直流電流的對(duì)比。這可以增加到環(huán)境溫度中，以確定模具的絕對(duì)溫度，從而可以確定，在規(guī)定的環(huán)境溫度下，模具超過(guò)最高絕對(duì)溫度 165°C 之前的最大容許電流。例如，如果環(huán)境溫度是 45°C，通過(guò) ACS723LLC（LC2 封裝）的連續(xù)電流是 50 A，封裝內(nèi)部的預(yù)計(jì)模溫會(huì)達(dá)到 115°C 的穩(wěn)態(tài)值（45°C 環(huán)境溫度 + 70°C 升溫）。

圖 5：每種封裝類型的模具升溫與電流的對(duì)比

¹對(duì)于電流強(qiáng)度 >50 A 的應(yīng)用，請(qǐng)參閱50 - 200 A 集成導(dǎo)體傳感器 IC 了解更多信息。

²網(wǎng)站中每種傳感器的常見問題部分提供了演示板 Gerber 文件。