什么是无芯电流传感器IC? 

电流传感器是一种主要通过磁传感器检测流过电路板或布线的电流,并使用磁性传感器的输出生成与电流量成正比的信号的设备。

其中,没有磁芯的方法称为无芯电流传感器IC。

技术说明

1. 概要:什么是无芯电流传感器IC?

本页对无芯电流传感器IC是什么?及其原理和功能进行了解说。 通过了解原理和功能,我们相信您将能够对如何使用以及使用它的好处有更深入的了解。 在无芯电流传感器IC中,仅有AKM的无芯电流传感器IC:Currentier具有的特征,我们将在 “什么是Currentier?” 中介绍。

电流传感器是一种主要通过磁性传感器检测流过电路板或布线的电流,并使用磁性传感器的输出电压生成与电流成正比的信号的设备。其中,没有磁芯的方法称为无芯电流传感器IC (没有磁芯=无芯)。 其他电流检测方法,例如带芯电流传感器,将在 “电流传感器的类型及其特征” 中详细介绍

图1 为普通的无芯电流传感器IC的内部结构图。
无芯电流传感器IC由三个要素构成。

1. 封装(包括一次导体)
2. 磁传感器(主要是霍尔元件)
3. 专用集成电路 ASIC

无芯电流传感器IC是基于 “将电流流过一次导体,用霍尔元件提取此电流产生的磁场并输出电压信号,然后通过ASIC进行放大和校正后输出” 这一非常简单的原理制成的。
以下2至4详细解释了这三个构成要素的作用。

图1. 普通无芯电流传感器IC封装的示意图(透视图,剖视图)

2. 封装的作用 

封装在无芯电流传感器IC中的作用是产生磁场并确保绝缘。

2-1. 磁场的产生

与磁场的产生有关的是一次导体。 一次导体是被测电流的路径,具有磁场生成部分的作用。 所测量的电流从印制电路板流向一次导体,并且在一次导体周围产生了与电流成比例的磁场B。 一次导体是利用使用封装的引线框制成的。

除了电流传感器之外主要的电流检测方式是分流电阻+绝缘方法,但是在原理上此方法存在低发热困难的问题。 这是因为该方法是基于I→V转换的方法,并且为了确保输出电压V的大小,电阻值R的大小是必不可少。

另一方面,在无芯电流传感器IC中,一次导体仅是电流路径,并且仅需要产生磁场B,所以电阻值可以做的足够小。 由于功率P与电阻值R成正比,因此电阻值R小的无芯电流传感器IC产生的热量也少。 通过抑制热量的产生,可以实现系统的小型化 (外壳/电路板)

如上所述,无芯电流传感器IC的发热量低,其中特别是AKM “Currentier” 的一次导体电阻值很小,从而抑制了发热量并实现了系统 (封装/电路板) 的小型化。 此内容会在 “什么是Currentier?” 中进行介绍。

图2. 普通无芯电流传感器IC封装的示意图(透视图/横截面图)

2-2. 确保绝缘

无芯电流传感器IC的另一个优点是可以轻松的做到确保绝缘。 图2展示的普通无芯电流传感器IC封装的示意图 (透视图/横截面图)。

此处展示的普通无芯电流传感器IC的内部结构与AKM的无芯电流传感器IC Currentier的内部结构明显不同。 此差异和影响将在 “什么是Currentier?” 中介绍。

普通无芯电流传感器IC是在一次导体上放置绝缘膜,在此之上再放置ASIC的结构。 这个绝缘膜在封装内可确保一次侧和二次侧的绝缘隔离。 此外,对于封装外部,通过确保一次导体和二次侧端子之间的爬电距离和空间距离,可达到规定的绝缘性能。

3. 磁传感器的作用

磁传感器负责测量一次导体产生的磁场。 作为磁传感器主要使用霍尔元件。 这是一种使用霍尔效应并输出与磁场成比例的电压的元件。 流过一次导体的电流产生的磁场与电流成正比。 因此,在霍尔元件的输出和一次导体的电流之间也有比例关系。

由于霍尔元件对磁场起反应并且是非接触式的,因此可以在高压一次导体和电流传感器输出之间取得绝缘。 在普通的无芯电流传感器IC中,是通过使用如如2-2所示的绝缘膜确保绝缘的。

霍尔元件有两种类型,一种是由硅 (Si) 材料制成,另一种是由化合物半导体材料制成;除AKM以外的无芯电流传感器IC的霍尔元件均内置于ASIC中并由Si材料制成。

霍尔效应的大小取决于 "霍尔元件" 材料的电子迁移率,但是Si的电子迁移率约为1450 (cm2/Vs)。 此数值与AKM无芯电流传感器IC中使用的霍尔元件材料InAs的电子迁移率相比,约为其的1/24,这是一个非常小的值,从分辨率方面来看会存在一定的课题 (表1)。

表1. 霍尔元件的材料和电子迁移率

另外,电流产生的磁场不管是直流电 (DC) 还是交流电 (AC) 都具有相同的绝对值,因此俩者都可以测量。与诸如电流互感器 (CT) 之类的电磁感应方法的不同之处在于,它还可以测量直流电。

此外,与具有芯的电流传感器不同,它不需要磁芯,因此原理上是没有磁滞误差的 (图3)。 因此,即使在接近零电流的情况下,也可以实现良好的再现性及高精度测量。

图3. 带芯电流传感器的结构图(开环型)

到此处为止,展示了使用霍尔元件作为磁传感器的情况,不过市场上也有使用磁阻元件 (MR) 的无芯电流传感器IC。 但将MR用作磁传感器时,存在下面列诸多问题,因此我们认为它不适用于电流传感器。

问题点:施加大电流后,不可逆的特性变化,零电流附近的线性,磁滞,干扰磁场效应

尤其是,大电流产生的磁场导致MR特性 (电流灵敏度和偏移) 不可逆地变化,以及由于Bulkhausen效应 (*1) 接近零电流而导致线性度下降的现象,这是MR的原理上的一个弱点。 结论,与使用霍尔元件的电流传感器相比,它更容易受到过电流的影响,并且精度较差。

* 1 Bulkhausen效应

当磁畴壁由于磁场而移动时,由于磁畴壁的不连续运动而产生噪声的现象。 对于电流传感器,尤其是在弱磁场的零电流附近会产生噪声,且线性度会变差。

4. ASIC的作用 

ASIC具有放大磁传感器信号,调节电流灵敏度,调节零电流电压以及执行各种温度校正的功能。 由于该ASIC的功能,使无芯电流传感器IC是温度特性小,易于使用的产品。

此外,无芯电流传感器IC不需要在一次侧提供绝缘电源。 从设计和布局的角度来看,这种不需要一次侧电源的设计更易于使用。

5. 总结

如上所述,无芯电流传感器IC基于,“使电流流过一次导体,用霍尔元件测得其产生的磁场输出电压,然后用ASIC对其输出进行放大和校正后输出信号” 这个非常简单的原理制作而成。

・发热小
・可以检测直流/交流电
・无磁滞
・一次侧不需要绝缘电源

尽管无芯电流传感器IC具有许多优点,但是

・分辨率低
・响应速度慢

的缺点还是存在的。
这些缺点都被消除掉的电流传感器,是AKM的无芯电流传感器IC,叫“ Currentier”

相关信息 

Please refer to the below links for more details about the characteristics of AKM coreless current sensor IC "Currentier".

AKM coreless current sensor IC "Currentier"

Small package and system downsizing by low-heat generation

Board commonality with wide current measurement range and simplification of thermal design by low-heat generation

Standards of insulation (UL compliant/certified) and over current detection function

System efficiency by accuracy, low noise characteristics, and good temperature characteristic