利用下一代电流传感器应对PCB设计挑战系列文章之一 —— 应对PCB设计中的尺寸挑战

时间：2024-10-31 16:44:25

关键字： PCB设计电流传感器放大器

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[导读]随着对小型电子设备的需求不断增长，工程师面临的一项重大挑战，就是如何在有限的 PCB 面积内集成所有必要组件。电子设计的一个关键方面是电流测量，这对于监控和控制能源使用、确保安全和提高电子系统的整体性能至关重要。然而，传统的电流检测方法，尤其是涉及分流电阻的方法，其中存在诸多困难。这些方法通常需要额外的放大器和滤波器，这不仅占用宝贵的 PCB 空间，而且还增加了生产成本。磁电流传感器的出现，已发展为可行的替代方案；它将多个分立元件集成到单个集成电路中，从而显著减少 PCB 元件封装面积。

磁电流传感器为传统电流测量技术提供了一种紧凑而高效的替代方案，可显著减小 PCB 上元件的尺寸，这对于空间受限的电子设计至关重要。

随着对小型电子设备的需求不断增长，工程师面临的一项重大挑战，就是如何在有限的 PCB 面积内集成所有必要组件。电子设计的一个关键方面是电流测量，这对于监控和控制能源使用、确保安全和提高电子系统的整体性能至关重要。然而，传统的电流检测方法，尤其是涉及分流电阻的方法，其中存在诸多困难。这些方法通常需要额外的放大器和滤波器，这不仅占用宝贵的 PCB 空间，而且还增加了生产成本。磁电流传感器的出现，已发展为可行的替代方案；它将多个分立元件集成到单个集成电路中，从而显著减少 PCB 元件封装面积。

在我们的下一代电流测量系列中，之前已经探讨过传统电流感应方法存在的诸多困难。本文特别关注解决 PCB 设计中尺寸限制的挑战，并介绍磁电流传感器在现代电子领域的优势。

电流感应和空间限制

在传统的 PCB 设计中，电流感应的管理通常需要使用分流电阻以及辅助组件，例如运算放大器、滤波组件和增益设置电阻。这些元件占用大量 PCB 面积并增加了布局的复杂性，使得实现电子设备所需的紧凑性面临挑战。

使用多个组件需要额外的设计考虑，如热管理和精确布线，以实现有效的电气隔离和准确的信号测量，例如确保与分流电阻进行开尔文连接。这种复杂性会增加整体 PCB 尺寸，进而增加材料成本并需要更大的外壳，导致制造费用增加。

图1：传统分流电阻的电流测量系统功能图。

磁电流传感器通过以下方式为该问题提供了简化的解决方案：将所有必要的功能整合进单个小型封装。

图2：紧凑型封装中的磁电流传感器功能图，省去多个分流电阻式电流传感器所需的外部元件。

这些集成磁电流传感器无需其他外部元件，而此类外部元件面积通常大于磁传感器的整体封装，因此，它简化了 PCB 布局并显著减少电流感应元件封装所占空间。这种集成使得在设计先进的电子系统时更有效地利用空间和资源。

利用磁电流感应大大减少PCB 元件封装

磁电流传感器将分流电阻、分流放大器和附加滤波元件的功能集成到单个紧凑集成电路 (IC) 中，这代表电流传感技术的突破。这种集成简化了设计过程并大大减少 PCB 元件封装。

对比传统分流电阻

2512 封装（6.3 x 3.2 毫米）中，典型的 1 毫欧分流电阻需占用大量 PCB 面积。相比之下，Allegro 的 ACS71240 采用 3 x 3 毫米 QFN（方形扁平无引脚封装）封装，电阻为 0.6毫欧，体积缩小 56%，仅占用 9 mm²。

具有类似功能的完整的分流电阻电流测量电路（电阻为 0.5 毫欧）占用 120 mm²，几乎是 ACS71240 方案的 13.3 倍。

图3：Allegro ACS71240 (左) 采用 3 x 3 = 9 mm2 封装 (0.6 毫欧)，而基于分流器的方案 (右) 连同辅助元件总共占用 15 x 8 = 120 mm2 (0.5 毫欧)。图片来源：Allegro MicroSystems

对于大电流应用，100 微欧分流电阻可能需要更大的元件封装（约 10 x 5.2 毫米），而采用 4x4 毫米 QFN 封装的 Allegro ACS37220 通过在电路板上集成多达 9 个不同的元件，将尺寸缩小 69%，从而节省大量空间。

图4：分流电阻中电阻元件的物理尺寸通常比整个磁电流传感方案的尺寸还要大。

这些示例显著表明磁电流传感器如何大幅减少电流感应所需的 PCB 面积。

磁电流传感器的主要优点

磁电流传感器 PCB 集成设计具有多项显著优势，特别有利于应对尺寸限制，而这是之前讨论中凸显的关键问题。与基于分流器的传统方法相比，在空间受限的情况下，这些优势提供了令人信服的解决方案。

减少 PCB 面积

集成效率：通过将电流感应、放大、滤波等功能整合到单一组件中，磁电流传感器可显著减少 PCB 元件封装。这对于空间稀缺的应用（例如汽车系统）非常有用。

简化布局：元件数量缩减简化了 PCB 布局，极大限度地减少额外接线和布线的需要，从而降低组装过程的复杂度并减少出错的风险。

成本效益

降低材料成本： PCB 占板缩小意味着所需材料也较少，这直接降低采用本品的终端产品成本。此外，更小的电路板可装入更小的外壳中，往往可以降低成本，并可降低产品的整体材料支出。

降低装配成本：由于需要安装和焊接的元件更少，因此组装时间和成本得以减少。装配过程简化还可以降低制造缺陷概率，从而进一步降低与质量控制和返工相关的成本。

设计灵活性

创新的产品设计：磁电流传感器节省的空间使设计人员可以减小现有产品的尺寸，或者充分利用空余面积实现附加功能，从而使其产品在竞争激烈的市场中有机会脱颖而出。

增强的性能和可靠性：由于所用组件较少，潜在故障点也较少，因此 PCB 的整体可靠性得以提高。此外，集成设计的磁传感器通常性能更加强劲，例如增强的抗噪性和更好的热管理。

这些优势使磁电流传感器在广泛的应用领域中成为理想选择，特别是创新和成本效益至关重要的应用领域。

案例分析：现实应用和优势

磁电流传感器所带来的优势，通过一家全球工业机器人制造商的经验获得令人信服的实例验证。由于传统分流电阻尺寸较大且集成要求复杂，该公司在其设计中集成分流电阻时面临着巨大的挑战。先进机器人系统尺寸规格较小，使得传统的电流传感方法变得不切实际。

面临的挑战

该制造商需要一种电流传感解决方案，能够适应其机器人系统的严格尺寸限制，且不影响性能。传统的分流电阻器及其辅助组件体积过于庞大，需要在设计上做出妥协，导致机器人的整体功能受到影响。

提供的解决方案

该公司选择将 Allegro ACS71240 磁电流传感器集成到其设计中。与之前考虑的分流电阻相比，该型传感器元件封装显著缩小。ACS71240 传感器采用紧凑型 3x3 毫米 QFN 封装，在提供所需电流感应功能的同时，还满足紧凑型机器人设计的尺寸要求。

取得的成果

采用磁电流传感器使制造商实现了几项关键的改进：

空间效率：更小的传感器使得整体设计更加紧凑，这对于机器人复杂的内部布局至关重要。

提升性能：通过集成信号调节和比传统方法更高的精度，传感器提供更可靠、更精确的电流测量。

降低成本：通过减小 PCB 尺寸并简化组装过程，制造商降低了机器人系统的生产成本并缩短上市时间。

本案例研究已证明磁电流传感器对产品设计和制造的重大影响。

应对PCB 设计中的尺寸挑战

电流传感技术的创新对于提高有限空间内 PCB 设计的效率和功能至关重要。Allegro MicroSystems 提供一系列集成解决方案，满足从高电流应用到紧凑型高压环境的不同需求。

AllegroACS37041：该传感器采用紧凑型 SOT23-W 封装，支持高达 30 安的双向电流测量，工作电压高达 100 伏（均方根）。其导通电阻为 1.6 毫欧，在整个温度范围内的误差低于 ±5%，这使其成为电路板空间有限但严重依赖精确电流测量的各种应用的理想选择。

图5：Allegro ACS37041及其架构框图。

Allegro ACS37220：该传感器专为大电流应用而设计，采用 4 x 4 毫米 QFN 封装，可处理高达 ±200 A 的电流，并在 100 伏（均方根）下运行。产品具有超低 100 毫欧的电阻导体，并通过了 AEC-Q100 认证，适合在严苛条件下要求高可靠性和高性能的汽车和数据中心应用。

图6：Allegro ACS37220及其架构框图。

Allegro ACS71240: 该传感器采用 3mm x 3mm QFN 和 SOIC8 封装，可测量高达 60 安（QFN）和 55 安（SOIC8）的电流，并可承受高达 420 伏（峰值）和 297 伏（均方根）的电压。主要特性包括：抗杂散磁场、快速过流故障输出和 AEC-Q100 认证，这使其成为在高压环境下运行而需要紧凑设计的应用的理想选择。