双向线性电流传感器ACS706的原理、特点及在工业控制中的应用

作者：马长军，朱宏伟，邹继斌

在工业控制等诸多领域，随着对控制性能要求的提高，伺服电机的使用越来越多，因此配套使用的伺服电机驱动器也随之增长。此类系统通常要进行电流的闭环控制，因此需要使用电流传感器来检测电流。常用的电流传感器有霍尔电流传感器、电阻传感器和光学电流传感器等三种。考虑到传感器的成本、体积和电气隔离性能等因素，霍尔型电流传感器是该场合使用最多的一种。

以典型的三相电动机为例，要进行三相电流闭环控制，在低成本方案中通常使用两个电流传感器检测电流。过去常用的高精度闭环补偿式霍尔电流传感器价格较高，增加了控制器成本，若使用传统的直接测量式霍尔电流传感器，则达不到预期的性能。因此就有学者提出取消电流传感器，然后通过估算电流大小进行电流闭环控制。估算电流的方法自然给控制器的运算单元带来负担，同时该方法对电机参数比较敏感，对于一般设计者很难达到预期的检测精度，也就达不到对电流进行有效控制的目的。

最近，Allegro公司结合其半导体设计加工技术和磁参数霍尔传感技术而开发的ACS706系列电流传感器，与高精度的闭环补偿式霍尔电流传感器相比，既保留了较高的精度，又降低了成本、缩小了体积。在低成本高性能的小功率伺服驱动器中，该系列传感器是一个不错的选择。

ACS706系列电流传感器原理、特点

ACS706系列电流传感器是一种基于霍尔效应的双向线性电流传感器，可测的电流有5A，15A，20A等规格。传导被测电流的导体部分与测量电路之间的交流隔离电压有效值为2500V，直流隔离电压为5000V。该器件采用SOIC8表贴封装，运行温度？40℃～＋85℃。

该传感器管脚功能如图1所示。其1脚和2脚合起来通到3脚和4脚，用来传导待测电流，称为初级铜导体。器件的输出以Vcc/2为中心，随着流过初级铜导体电流的增长而呈正向的线性增长。初级铜导体的典型的内阻为1.5m？，使得其损耗较小。铜导体的厚度允许器件最高可达3倍瞬时过流而不损坏。传导电流的管脚与传感引脚（5至8脚）之间电气隔离，这就使得ACS706系列传感器可以用在需要电气隔离的场合，而不需要使用光隔离或者其他成本较高的隔离技术。

该电流传感器的特点如下：

1）尺寸小， SOIC8封装，节省空间；

2 ）输出电压正比于交直流电流，输出灵敏度133mV/A，动态电流范围大。

3）输出偏移电压稳定，磁滞近乎为零。

ACS706系列电流传感器的原理如图2所示，传感器中加入了电压调整模块和温度补偿模块。

ACS706系列电流传感器为工业、汽车、商业及通讯系统应用提供了一个经济、高精度的解决方案。该器件的封装方便用户使用。典型的应用领域包括电机控制、负载检测与管理、开关电源和过流故障保护等。

针对传感器温度敏感性进行的实验

在使用ACS704系列传感器的时候，发现该传感器的输出电压信号对器件的温度比较敏感。在布置PCB时，若把器件放置在功率器件附近，由于发热及传导，系统长时间运行时，会使得电流传感器温度较高，由于该系列芯片没有温度补偿环节，实验中发现器件输出的电压信号偏移较大，从而引起较大的电流测量误差，给驱动器的控制特性带来较大的负面影响。

ACS706系列电流传感器对ACS704系列进行了改进，加入了温度补偿环节和供电电压的调整环节。两者封装完全兼容，所以可以方便的移植到原控制板中。应用ACS706系列传感器，偏差较大的问题得到解决，器件的综合指标满足低成本高精度伺服驱动器使用场合的需求。

通过对上述两种芯片的试用，不同的结果驱使我们想比较准确的把握两种芯片的特性，尤其是温度特性，因此设计了测量此类传感器温度敏感性的实验。

实验原理

随机抽取ACS704ELC-005传感器和ACS706ELC-05C传感器各两个，分别命名为1#704、2#704、1#706和2#706，按图3连好线，将传感器放入室内、烘箱或冷柜中，测试不同温度下传感器的输出信号与电流的对应关系。 测试温度变化范围－40℃～＋120℃，温度测试点分别为－40℃、－20℃、20℃、40℃、60℃、90℃和120℃。

电流从－5A ～ ＋5A每逢整数电流测试一组数据，共11个测试点，而且在同一温度下，进行两次实验。

准确设定待测电流和供电电压Vcc，记录输出电压Vout和温度值。

实验结果及分析

在 不同温度下对4片样片进行测试， 1#704、2#704和1#706、2#706的输出电压与被测电流之间的关系分别如图4和图5所示。从实验结果看，除了1#706器件在－40℃时出现异常输出外，其余条件下器件的线性度较高，一致性较好。

器件在－40℃时异常可能的原因是该器件在低温实验之前经受了120℃的高温实验，而此温度是超出器件允许使用温度的，这样可能造成了器件内部故障，而在低温实验时体现出来。实验中发现，4个样品中有2个器件是先做高温实验后作低温实验的，而恰好这两个样品出现了异常现象，而其余两个未发现异常问题。考虑生产厂在数据手册中标明可以在－40℃下运行，故笔者才产生上述推断。

为了从总体上对比，将4个样片各自在不同温度下测量的结果进行平均（排除1#706样片异常的数据），并将得到的4组数据进行对比，结果如图6所示，可以看出ACS704系列的两个传感器的输出电压与待测电流之比（即斜率）比ACS706系列的稍小。而ACS706系列的斜率更接近于数据手册中给出的典型值0.133V/A。

在被测电流为零时，对4个传感器的输出进行抽取，观察其温度特性，对比结果如图7所示，从图看出两种传感器没有明显区别，但中心值多数偏低于Vcc/2（2.5V）。

为 了放大观察实验结果，从图4、图5对应的实验数据中计算4个样 片不同温度下的灵敏度（单位V/A）， 1#70 4、2#704和1#706、2#706的结果分别如图8和图9所示。比较可见，ACS706传感器样品的灵敏度更接近数据手册中给出的典型值0.133V/A，而且参数更好的集中在该值附近，而ACS704传感器样品的灵敏度偏移较大，而且比较离散。

观察全部曲线可以看出，在现有实验条件下，该实验测量的数据点可能存在较大的偏差，从而影响了对器件的客观评价。但不可否认，总的趋势是有一定的参考意义的。同时，在实际的使用场合，特别是伺服驱动器类的电磁干扰比较大的场合，测量结果偏差也会较大，该问题在编制控制软件时要予以考虑。

传感器在实际系统中的应用

ACS706系列传感器低成本、高精度、小封装以及良好的隔离特性使得其比较适合应用于伺服电机驱动系统，这样既解决了使用传统高精度传感器成本高、体积大的问题，又避免了采用无电流传感器方法带来的电流估算难题。

下面是该传感器在一款低成本永磁同步电机驱动器中的具体应用情况。

原理图

所设计的驱动器采用两个电流传感器测量电机两相电流，截取一路电流传感部分原理图如图10所示。图中，后端对传感器信号处理部分的参数可根据用户具体情况设定，如放大倍数和偏置电压等。

PCB布板建议及实际应用示例

由于传感器的封装形式为SOIC8，尺寸较小，自然使得待测电流流过的管脚小、距离近，同时其测量的动态电流又相对较大，因此在进行PCB布板时要充分考虑电流流过的路径，尽量增大导电铜皮的截面积，从而减小导通电阻，减小发热。另外，在放置该器件时要使其与大功率发热器件的焊盘保持一定距离，以便留有一定的散热面积，否则容易把功率器件的发热传导至传感器，引起较高的温度。

依据使用经验，在常用的双层板情况下，建议按图11布线，图中左侧图形为底层图形，右侧为顶层图形。

实现的硬件如图12所示，可见使用该传感器既节省空间，又能达到电气隔离的目的。

实验结果

如图13所示，应用ACS706系列传感器的伺服驱动器在驱动电机加速时的相电流波形正弦性较好，可见系统能够平稳的控制电流。实验结果表明，在伺服驱动系统中使用此类电流传感器是成功的。

结束语

通过实验分析，验证了ACS706系列传感器具有较高的精度，温度稳定性较ACS704系列传感器有所改进。将其用于实际系统的实验结果表明，应用此类传感器可以降低驱动器成本、减小体积，同时还可以保持较高的性能。设计时再仔细考虑PCB布线、发热等因素，还可以更进一步地提高电流检测环节的热稳定性和精度。

实验表明，应用时要符合此类传感器的使用条件，否则可能出现不可预期的失效现象。

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