利用下一代電流傳感器應對PCB設計挑戰(zhàn)系列文章之一 —— 應對PCB設計中的尺寸挑戰(zhàn)

磁電流傳感器為傳統(tǒng)電流測量技術提供了一種緊湊而高效的替代方案，可顯著減小 PCB 上元件的尺寸，這對于空間受限的電子設計至關重要。

隨著對小型電子設備的需求不斷增長，工程師面臨的一項重大挑戰(zhàn)，就是如何在有限的 PCB 面積內(nèi)集成所有必要組件。電子設計的一個關鍵方面是電流測量，這對于監(jiān)控和控制能源使用、確保安全和提高電子系統(tǒng)的整體性能至關重要。然而，傳統(tǒng)的電流檢測方法，尤其是涉及分流電阻的方法，其中存在諸多困難。這些方法通常需要額外的放大器和濾波器，這不僅占用寶貴的 PCB 空間，而且還增加了生產(chǎn)成本。磁電流傳感器的出現(xiàn)，已發(fā)展為可行的替代方案；它將多個分立元件集成到單個集成電路中，從而顯著減少 PCB 元件封裝面積。

在我們的下一代電流測量系列中，之前已經(jīng)探討過傳統(tǒng)電流感應方法存在的諸多困難。本文特別關注解決 PCB 設計中尺寸限制的挑戰(zhàn)，并介紹磁電流傳感器在現(xiàn)代電子領域的優(yōu)勢。

電流感應和空間限制

在傳統(tǒng)的 PCB 設計中，電流感應的管理通常需要使用分流電阻以及輔助組件，例如運算放大器、濾波組件和增益設置電阻。這些元件占用大量 PCB 面積并增加了布局的復雜性，使得實現(xiàn)電子設備所需的緊湊性面臨挑戰(zhàn)。

使用多個組件需要額外的設計考慮，如熱管理和精確布線，以實現(xiàn)有效的電氣隔離和準確的信號測量，例如確保與分流電阻進行開爾文連接。這種復雜性會增加整體 PCB 尺寸，進而增加材料成本并需要更大的外殼，導致制造費用增加。

圖1：傳統(tǒng)分流電阻的電流測量系統(tǒng)功能圖。

磁電流傳感器通過以下方式為該問題提供了簡化的解決方案： 將所有必要的功能整合進單個小型封裝。

圖2：緊湊型封裝中的磁電流傳感器功能圖，省去多個分流電阻式電流傳感器所需的外部元件。

這些集成磁電流傳感器無需其他外部元件，而此類外部元件面積通常大于磁傳感器的整體封裝，因此，它簡化了 PCB 布局并顯著減少電流感應元件封裝所占空間。這種集成使得在設計先進的電子系統(tǒng)時更有效地利用空間和資源。

利用磁電流感應大大減少PCB 元件封裝

磁電流傳感器將分流電阻、分流放大器和附加濾波元件的功能集成到單個緊湊集成電路 (IC) 中，這代表電流傳感技術的突破。這種集成簡化了設計過程并大大減少 PCB 元件封裝。

對比傳統(tǒng)分流電阻

2512 封裝（6.3 x 3.2 毫米）中，典型的 1 毫歐分流電阻需占用大量 PCB 面積。相比之下，Allegro 的 ACS71240 采用 3 x 3 毫米 QFN（方形扁平無引腳封裝）封裝，電阻為 0.6毫歐，體積縮小 56%，僅占用 9 mm2。

具有類似功能的完整的分流電阻電流測量電路（電阻為 0.5 毫歐）占用 120 mm2，幾乎是 ACS71240 方案的 13.3 倍。

圖3：Allegro ACS71240 (左) 采用 3 x 3 = 9 mm2 封裝 (0.6 毫歐)，而基于分流器的方案 (右) 連同輔助元件總共占用 15 x 8 = 120 mm2 (0.5 毫歐)。圖片來源：Allegro MicroSystems

對于大電流應用，100 微歐分流電阻可能需要更大的元件封裝（約 10 x 5.2 毫米），而采用 4x4 毫米 QFN 封裝的 Allegro ACS37220 通過在電路板上集成多達 9 個不同的元件，將尺寸縮小 69%，從而節(jié)省大量空間。

圖4：分流電阻中電阻元件的物理尺寸通常比整個磁電流傳感方案的尺寸還要大。

這些示例顯著表明磁電流傳感器如何大幅減少電流感應所需的 PCB 面積。

磁電流傳感器的主要優(yōu)點

磁電流傳感器 PCB 集成設計具有多項顯著優(yōu)勢，特別有利于應對尺寸限制，而這是之前討論中凸顯的關鍵問題。與基于分流器的傳統(tǒng)方法相比，在空間受限的情況下，這些優(yōu)勢提供了令人信服的解決方案。

減少 PCB 面積

集成效率：通過將電流感應、放大、濾波等功能整合到單一組件中，磁電流傳感器可顯著減少 PCB 元件封裝。這對于空間稀缺的應用（例如汽車系統(tǒng)）非常有用。

簡化布局：元件數(shù)量縮減簡化了 PCB 布局，極大限度地減少額外接線和布線的需要，從而降低組裝過程的復雜度并減少出錯的風險。

成本效益

降低材料成本： PCB 占板縮小意味著所需材料也較少，這直接降低采用本品的終端產(chǎn)品成本。此外，更小的電路板可裝入更小的外殼中，往往可以降低成本，并可降低產(chǎn)品的整體材料支出。

降低裝配成本：由于需要安裝和焊接的元件更少，因此組裝時間和成本得以減少。裝配過程簡化還可以降低制造缺陷概率，從而進一步降低與質(zhì)量控制和返工相關的成本。

設計靈活性

創(chuàng)新的產(chǎn)品設計： 磁電流傳感器節(jié)省的空間使設計人員可以減小現(xiàn)有產(chǎn)品的尺寸，或者充分利用空余面積實現(xiàn)附加功能，從而使其產(chǎn)品在競爭激烈的市場中有機會脫穎而出。

增強的性能和可靠性： 由于所用組件較少，潛在故障點也較少，因此 PCB 的整體可靠性得以提高。此外，集成設計的磁傳感器通常性能更加強勁，例如增強的抗噪性和更好的熱管理。

這些優(yōu)勢使磁電流傳感器在廣泛的應用領域中成為理想選擇，特別是創(chuàng)新和成本效益至關重要的應用領域。

案例分析：現(xiàn)實應用和優(yōu)勢

磁電流傳感器所帶來的優(yōu)勢，通過一家全球工業(yè)機器人制造商的經(jīng)驗獲得令人信服的實例驗證。由于傳統(tǒng)分流電阻尺寸較大且集成要求復雜，該公司在其設計中集成分流電阻時面臨著巨大的挑戰(zhàn)。先進機器人系統(tǒng)尺寸規(guī)格較小，使得傳統(tǒng)的電流傳感方法變得不切實際。

面臨的挑戰(zhàn)

該制造商需要一種電流傳感解決方案，能夠適應其機器人系統(tǒng)的嚴格尺寸限制，且不影響性能。傳統(tǒng)的分流電阻器及其輔助組件體積過于龐大，需要在設計上做出妥協(xié)，導致機器人的整體功能受到影響。

提供的解決方案

該公司選擇將 Allegro ACS71240 磁電流傳感器集成到其設計中。與之前考慮的分流電阻相比，該型傳感器元件封裝顯著縮小。ACS71240 傳感器采用緊湊型 3x3 毫米 QFN 封裝，在提供所需電流感應功能的同時，還滿足緊湊型機器人設計的尺寸要求。

取得的成果

采用磁電流傳感器使制造商實現(xiàn)了幾項關鍵的改進：

空間效率：更小的傳感器使得整體設計更加緊湊，這對于機器人復雜的內(nèi)部布局至關重要。

提升性能：通過集成信號調(diào)節(jié)和比傳統(tǒng)方法更高的精度，傳感器提供更可靠、更精確的電流測量。

降低成本：通過減小 PCB 尺寸并簡化組裝過程，制造商降低了機器人系統(tǒng)的生產(chǎn)成本并縮短上市時間。

本案例研究已證明磁電流傳感器對產(chǎn)品設計和制造的重大影響。

應對PCB 設計中的尺寸挑戰(zhàn)

電流傳感技術的創(chuàng)新對于提高有限空間內(nèi) PCB 設計的效率和功能至關重要。Allegro MicroSystems 提供一系列集成解決方案，滿足從高電流應用到緊湊型高壓環(huán)境的不同需求。

AllegroACS37041： 該傳感器采用緊湊型 SOT23-W 封裝，支持高達 30 安的雙向電流測量，工作電壓高達 100 伏（均方根）。其導通電阻為 1.6 毫歐，在整個溫度范圍內(nèi)的誤差低于 ±5%，這使其成為電路板空間有限但嚴重依賴精確電流測量的各種應用的理想選擇。

圖5：Allegro ACS37041及其架構框圖。

Allegro ACS37220： 該傳感器專為大電流應用而設計，采用 4 x 4 毫米 QFN 封裝，可處理高達 ±200 A 的電流，并在 100 伏（均方根）下運行。產(chǎn)品具有超低 100 毫歐的電阻導體，并通過了 AEC-Q100 認證，適合在嚴苛條件下要求高可靠性和高性能的汽車和數(shù)據(jù)中心應用。

圖6：Allegro ACS37220及其架構框圖。

Allegro ACS71240: 該傳感器采用 3mm x 3mm QFN 和 SOIC8 封裝，可測量高達 60 安（QFN）和 55 安（SOIC8）的電流，并可承受高達 420 伏（峰值）和 297 伏（均方根）的電壓。主要特性包括：抗雜散磁場、快速過流故障輸出和 AEC-Q100 認證，這使其成為在高壓環(huán)境下運行而需要緊湊設計的應用的理想選擇。

圖7：Allegro ACS71240及其架構框圖。

總之，這些傳感器體現(xiàn)了 Allegro 的承諾：為空間受限但要求高性能的 PCB 設計提供可擴展解決方案。每型傳感器都根據(jù)特定的應用需求進行定制，確保設計工程師擁有合適的工具來有效地應對現(xiàn)代電子領域挑戰(zhàn)。

結論

隨著電子設備不斷縮小，對緊湊、高效的設計方案的需求變得越來越急切。磁電流傳感器通過將多種功能集成到單個小組件中來解決這一挑戰(zhàn)，該組件顯著減少 PCB 元件封裝并提高設計靈活性。這些傳感器極大限度地降低了材料和生產(chǎn)成本并簡化了裝配過程，從而生產(chǎn)出更可靠、更高效的產(chǎn)品。

正如工業(yè)機器人制造商的案例研究所證明，磁電流傳感器的采用凸顯了它們能夠在提高性能的同時滿足嚴格設計要求。隨著小型化趨勢的持續(xù)，磁電流傳感器將成為先進電子設計的關鍵元素，并為工程師提供在緊湊電子系統(tǒng)中進行創(chuàng)新和優(yōu)化的重要工具。