HLSR系列电流传感器的开发方案

　　到目前为止，集成电流传感器（ICS）的发展是缓慢而渐进的。多年来，目前的测量技术越来越受到发展，专注于高密度组件的小型化，这些组件也可以提供高水平的性能。随着更多精简的竞争对手进入市场，笨重的传感器不可避免地会失去市场份额。

　　一个反复出现的问题是如何领先于市场并确定用户的需求。找出这些信息，然后开发产品以满足这些需求，需要一种自上而下和自下而上的方法，其中预测市场趋势与基于客户的调查并驾齐驱。客户通常知道他们希望从他们的ICS中得到什么，他们的反馈已被证明对于推动这一进化过程至关重要。

　　来自客户的意见有助于确定在电流传感器中寻找的四大关键要素：

　　在整个温度范围内的性能 – 这与漂移和灵敏度偏移有关，是最重要的特征

　　集成解决方案可以处理多少电流。具有集成初级元件的小型电流传感器可限制其可支持的电流量 （ 连续 30 安培或 50 安培 – 通过推动这些极限实现技术突破

　　过流检测 – 持续监控过流的保护阈值

　　绝缘（基本绝缘或基于系统电压的增强绝缘）可能是选择传感器的关键因素

　　图 1.英国皇家建筑师事务所发展议程框图。

　　闭环和开环

　　近年来，用户受益于闭环霍尔效应技术 - LEM设计了一种特殊的闭环专用集成电路（ASIC） - 然后是开环技术，该技术提供了一种成本低得多的解决方案。该技术促成了HLSR系列电流传感器的开发，这是一种紧凑，低成本的PCB安装解决方案，将小型化提升到了新的水平。

　　接下来的进化之路是HMSR，这是一种高绝缘ICS，旨在满足降低成本，提高性能和小型化的持续市场需求。该新系列扩展了微型电流传感器，用于商业和工业市场高要求的开关电源应用中的交流和直流隔离电流测量。HMSR单元基于微芯的开环传感器具有增强的绝缘和过流检测功能，具有低电阻初级导体（以最大限度地减少功率损耗），微型铁氧体和专有ASIC，可实现直流电测量和一致的绝缘性能。所有这些特性使HMSR成为需要高精度和显著抗外部磁场抗扰度的高压应用的理想选择。微磁芯意味着该器件在往往受到高水平干扰的电力电子应用中特别有用。

　　图 2. 传感器外形尺寸减小。

　　图 3.HMSR DA有效分辨率与/断续器。

　　由于这些原因，电力电子工程师多年来一直成功地使用模拟HMSR传感器来测量直流和交流电流。他们特别喜欢紧凑型电流传感器的优势，该传感器具有很强的杂散场抗扰度，增强的隔离和300kHz的带宽。

　　集成电流传感器不断发展的最新解决方案是HMSR DA，这是市场上第一个提供Σ-Δ比特流输出的ICS，同时测量低电流并仍然提供高分辨率。使用数字信号意味着传感器的输出端会引入固定延迟（也称为响应时间），同时来自模数转换器（ADC）的量化噪声显著降低，数字滤波器通过噪声整形确保Sigma Δ调制器（SDM）的分辨率更高。通过将调制器与数字滤波器组合在一起来，创建ADC非常简单。这样做的好处包括减少连接数量，每个用户都能够定义自己的系统性能水平，以及用户制造两个或多个具有不同性能的转换器。这种架构特别适合廉价的CMOS工艺。

　　数字电流传感器的另一个特性是建立时间，也称为响应时间或延迟。当时钟频率为10MHz，过采样比（OSR）为128时，SDM的建立时间约为38.4us。使用Σ-Δ输出比特流的另一个好处是提供的灵活性，这意味着可以根据应用的特定需求在客户侧应用不同的数字低通滤波器。如果需要高分辨率结果，用户可以选择使用高阶较慢滤波器，或者使用小阶较快的信号以获得更快速但分辨率较低的滤波器。

　　图 4. HMSR DA 有效分辨率与 OSR.

　　典型集成电路应用

　　事实证明，市场乐于接受提供数字输出的ICS，因为它提供卓越的信号形状和更低的噪声水平，同时降低成本和更小的机械占地面积。这种ICS的典型应用包括机器人，伺服驱动器，缝纫机，数控机床，焊接设备和自动导引车（AGV）。

　　最近，汽车行业开始对这些传感器表现出兴趣。进入这个市场的研发组织和专家制造商对数字解决方案不受外部噪声（包括电噪声和磁噪声）的影响感到兴奋，这些噪声因在使用模拟信号时造成重大困难而臭名昭着。

　　关于数字 ICS 路线图

　　HMSR DA传感器被视为LEM数字ICS路线图的第一步，是市场上同类产品中的第一个，为用户提供11至13位的分辨率和10MHz的时钟。

　　最终目标是使用集成电流传感器接近传统传感器的当前水平。目前，HMSR DA可以支持125°C和75安培峰值下的30臂连续，但后续产品将寻求支持100安培的连续电流，同时仍然非常紧凑和PCB安装。未来的版本还将旨在消除对磁性微核的需求，这将改善频率响应并消除潜在的磁性干扰。

　　HMSR DA是容易产生噪声、失真和干扰的应用的理想选择，通过使客户能够节省物料清单（BoM），实现了真正的成本节约。它通过在单个单元中替换一个复杂得多且成本更高的替代系统来实现这一点，该系统传统上包括分流电阻器，数字隔离器以及带有二极管和电容器的低/高电源电路。分流器绝不是最佳解决方案，因为在处理高电流时会产生热噪声。另一个问题是容纳这些独立设备所需的空间，而HMSR DA只有一个芯片可以完成这三个元件的相同工作，并直接将输出交付给客户。新传感器还为客户提供了这些独立单元所不具备的功能，例如ASIC和分流器无法提供的过流检测。

　　图 5.西格玛三角形输出使用起来非常灵活。

　　配方系统设计

　　此外，还提供不同的输出模式 - 单比特流和时钟，但也差分，无需购买输出驱动器即可从单模转换为差分。基于RS-422数据和LVDS（低压差分信号）接收器的解决方案将提供输出和反相输出以及时钟和反相时钟，这在处理差分信号时非常重要，因为在低功耗和高速下可以消除所有噪声。使用新的数字传感器，所有这些功能都整合到一个单元中。

　　预计HMSR DA传感器将使工程师能够研究制定系统设计的新方法。客户还可以使用滤波器来调整传感器，以满足其特定要求，在任何需要清洁信号但传统上受到电噪声，振动和磁电子噪声影响的行业中工作时。失真和干扰是这种高要求应用中的重大问题，只有突破数字输出方面的界限，才能真正突破性地开发解决嘈杂系统问题。

　　数字输出仍处于起步阶段，即使在今天，一些客户可能仍然犹豫是否要走这条路。然而，这是一个强大的未来趋势，在未来几年将变得更加普遍。这就是为什么必须掌握这项技术，并鼓励用户就其所在行业应用数字输出解决方案的可行性提供可靠的反馈。