利用下一代電流傳感器應(yīng)對PCB設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)系列文章之二——應(yīng)對 PCB 設(shè)計(jì)中的熱量挑戰(zhàn)

磁電流傳感器針對傳統(tǒng)的電流測量方法提供一種精簡且熱效率高的解決方案，顯著降低發(fā)熱量并減小 PCB 上的元件尺寸，這對于緊湊型電子設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

導(dǎo)言

電子電路世界日新月異，管理印刷電路板（PCB）設(shè)計(jì)中的熱量已成為一項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)，特別是設(shè)備越來越小，性能要求卻不斷提高。傳統(tǒng)的電流檢測方法，特別是用到分流電阻的方法，通常會產(chǎn)生大量熱量，因而損害系統(tǒng)的可靠性和性能。

磁電流傳感器為這些挑戰(zhàn)提供創(chuàng)新性解決方案。此類傳感器以極小發(fā)熱量測量電流，有助于保持電子系統(tǒng)的完整性。本文探討磁電流傳感器如何改變 PCB 設(shè)計(jì)中的熱管理，推動電子制造業(yè)向前邁進(jìn)。

在《下一代電流傳感系列文章》中，我們探討與傳統(tǒng)電流傳感方法相關(guān)的各種挑戰(zhàn)。本文特別關(guān)注 PCB 設(shè)計(jì)中的熱量挑戰(zhàn)，以突出磁電流傳感器在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中的優(yōu)勢。

傳統(tǒng)電流檢測方法中的熱量挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)的電流測量方法通常依賴于分流電阻，這些元件在工作期間會大量發(fā)熱。這種發(fā)熱主要是由于分流電阻存在固有電阻，其功耗計(jì)算如下：

P=I2×R

高電流時，即使是導(dǎo)通電阻分流電阻也會消耗大量功率，進(jìn)而提高電阻及其周圍 PCB 元件的溫度。

過高的熱量會對電子系統(tǒng)造成多種不利影響，例如：

組件退化： 持續(xù)高溫會加速電子元件的老化過程，進(jìn)而縮短其使用壽命。

系統(tǒng)可靠性：熱量會導(dǎo)致電子元件故障或以不可預(yù)測的方式運(yùn)行，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定和潛在的數(shù)據(jù)丟失。

熱失控： 在功率密集型應(yīng)用中，發(fā)熱可能導(dǎo)致熱失控，使得系統(tǒng)無法調(diào)節(jié)自身溫度，并導(dǎo)致熱量進(jìn)一步增加和潛在損壞。

這些挑戰(zhàn)需要復(fù)雜的散熱策略，通常需要使用額外的組件，如散熱器和散熱墊，或選擇極低值的分流電阻，所有這些都增加了 PCB 設(shè)計(jì)的總體成本和復(fù)雜性。此外，有效散熱所需的物理空間進(jìn)一步限制電子設(shè)備小型化，而這是許多現(xiàn)代應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

傳統(tǒng)熱緩解策略的局限性

雖然傳統(tǒng)的熱管理方法可能是有效的，但它們具有明顯的缺點(diǎn)，這會阻礙緊湊型電子設(shè)備的設(shè)計(jì)和功能：

增加系統(tǒng)成本和復(fù)雜性：部署散熱器和散熱墊會增加材料成本并使組裝過程變得復(fù)雜。這不僅增加總生產(chǎn)成本，而且延長制造和組裝所需的時間。

面板尺寸需求增大：為了容納散熱器并確?？諝饬魍ㄋ杩臻g足夠，PCB 通常需要設(shè)計(jì)更大的尺寸。這與電子工業(yè)的小型化趨勢背道而馳，而減小設(shè)備尺寸往往是主要目標(biāo)。

美學(xué)和實(shí)用性的設(shè)計(jì)限制： 散熱片和 PCB 面積增加會影響電子設(shè)備的設(shè)計(jì)美學(xué)和實(shí)用性，特別是在外形尺寸非常重要的設(shè)備中。

雖然熱控制離不開傳統(tǒng)熱管理方法，但也對新電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和創(chuàng)新潛力造成了重大限制。

導(dǎo)通電阻分流電阻的缺陷

為了極大限度地減少發(fā)熱，一些設(shè)計(jì)選擇極低電阻的分流電阻。然而，該解決方案也存在不足之處，這會對電子系統(tǒng)的整體效率和性能產(chǎn)生不利影響：

高增益放大器： 導(dǎo)通電阻值通常需要使用高增益放大器來產(chǎn)生可測量的輸出信號。此放大會顯著增加測量中的噪聲，進(jìn)而損害信號的完整性和準(zhǔn)確性。高噪聲水平在精密應(yīng)用中尤其棘手，因?yàn)樵诰軕?yīng)用中數(shù)據(jù)質(zhì)量非常重要。

組件尺寸及其成本的增加：實(shí)現(xiàn)極低電阻通常需要使用更大或更專業(yè)的分流電阻，這會導(dǎo)致成本更昂貴。不僅影響設(shè)計(jì)的成本效益，而且導(dǎo)致減少 PCB 空間使用的努力化為虛有。

設(shè)計(jì)的復(fù)雜性： 極低電阻值的分流電阻及其要求的高增益放大器需要復(fù)雜的設(shè)計(jì)考慮，包括仔細(xì)布線和屏蔽以防止干擾，以及在制造過程中需要額外校準(zhǔn)步驟以確保精度。這種復(fù)雜性增加開發(fā)時間和成本，進(jìn)而增加整個項(xiàng)目的時間線和預(yù)算。

隨著工程師尋求更精簡和更具成本效益的解決方案，他們的側(cè)重點(diǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)向創(chuàng)新技術(shù)，從本質(zhì)上避免這些復(fù)雜難題。磁電流傳感器代表這樣的進(jìn)步，它在熱管理、設(shè)計(jì)簡單性和成本效益方面有著顯著優(yōu)勢。

利用磁電流檢測極大限度地減少 PCB 發(fā)熱

磁電流傳感器的采用，標(biāo)志著解決電流感測發(fā)熱問題的一大進(jìn)步。此類傳感器采用基于霍爾效應(yīng)的方法，與傳統(tǒng)分流電阻相比，該方法本身電阻低、發(fā)熱量也降低到極低程度。

對比傳統(tǒng)分流電阻

導(dǎo)通電阻： 磁電流傳感器并非基于電阻和“歐姆定律”進(jìn)行測量。然而，磁電流傳感器載流路徑中有金屬引線框架，與電流測量電路中使用的大多數(shù)分流電阻相比，其電阻值極低。因此，磁電流傳感器能夠顯著降低系統(tǒng)發(fā)熱，這對于設(shè)計(jì)更小或更高效的電子設(shè)備至關(guān)重要。

簡化信號處理： 磁電流傳感器的輸出與磁場成正比，不需要導(dǎo)通電阻分流測量所需的高倍放大。這降低了信號處理中的復(fù)雜性和潛在的噪聲干擾。

在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，磁電流傳感器因具備上述特性，已成為極具吸引力的選擇，對于追求效率和小型化的應(yīng)用更是如此。傳統(tǒng)上由多個組件處理的功能，自此集成到單個緊湊的封裝件中，不僅可以減少發(fā)熱量，還可以提高電子系統(tǒng)的整體性能和可靠性，減少潛在的故障點(diǎn)。

圖1：分流電阻功率耗散對比Allegro 的 4x4 mm QFN“EZ”封裝。圖片來源：Allegro MicroSystems

磁電流傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)

Allegro MicroSystems 等磁電流傳感器相比于傳統(tǒng)傳感方法具有顯著優(yōu)勢，它能大幅改進(jìn) PCB 設(shè)計(jì)。其優(yōu)勢能恰好滿足先進(jìn)電子系統(tǒng)不斷變化的需求。

熱量和運(yùn)行性能改進(jìn)

極小的熱影響：磁電流傳感器的工作發(fā)熱量顯著降低，因此無需復(fù)雜的熱管理系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)更清潔、更高效的設(shè)計(jì)。

可靠的精度：此類傳感器測量精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)，不會出現(xiàn)熱漂移的復(fù)雜情況，不會對高溫下的組件產(chǎn)生負(fù)面影響，從而確保在各種應(yīng)用中可靠運(yùn)行。

提高效率和簡化設(shè)計(jì)

集成的功能：此類傳感器將多種傳感功能集中到單個元件中，從而減少對額外組件的需求，簡化整體設(shè)計(jì)。

簡化制造： 磁傳感器的緊湊性和集成性能夠簡化裝配過程，因而減少制造時間和成本。

成本和空間優(yōu)化

減小 PCB 尺寸：此類傳感器無需高增益放大器和散熱單元等輔助元件，實(shí)現(xiàn)更緊湊的 PCB 布局。

材料使用成本效益： 元件數(shù)量的縮減、電路設(shè)計(jì)的簡化減少了材料使用及其成本，使整個產(chǎn)品更經(jīng)濟(jì)。

應(yīng)用靈活

多功能集成： 磁電流傳感器元件封裝小、性能強(qiáng)勁，有助于將其集成到各種產(chǎn)品中，特別適合中高電流應(yīng)用，可應(yīng)用于數(shù)十安培電流的工業(yè)系統(tǒng)乃至更大規(guī)模的場景。

耐用性提升： 此類傳感器部件更少、更加不易熱降解，因此更加耐用，這對應(yīng)用于惡劣環(huán)境的設(shè)備非常關(guān)鍵。

案例分享：歐洲電機(jī)模塊制造商

一家歐洲領(lǐng)先的電機(jī)模塊制造商通過自身經(jīng)驗(yàn)印證了磁電流傳感器具備的實(shí)用優(yōu)勢。在設(shè)計(jì)緊湊型電機(jī)模塊時，該公司需要以極小的功耗來維持較低的系統(tǒng)溫度，因而面臨著重大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)分流電阻功耗高、發(fā)熱量大，進(jìn)而影響性能和可靠性，不足以勝任所需應(yīng)用。

面臨的挑戰(zhàn)

制造商需要一種電流傳感解決方案，滿足其緊湊型電機(jī)設(shè)計(jì)所要求的嚴(yán)格尺寸和熱限制。傳統(tǒng)分流電阻及其輔助元件體積太大，產(chǎn)生的熱量太多，需要額外的冷卻機(jī)制，進(jìn)而增加成本和復(fù)雜性。

實(shí)施的方案

該制造商探索過替代技術(shù)，最終選擇采用 Allegro 的 ACS37220 磁電流傳感器集成到其設(shè)計(jì)中。該傳感器因其低功耗和緊湊的尺寸而脫穎而出。

取得的成果

采用 ACS37220 使制造商實(shí)現(xiàn)了幾項(xiàng)關(guān)鍵的改進(jìn)：

減少熱量產(chǎn)生： 磁傳感器的電阻較低，從而極大程度地減少發(fā)熱，使電機(jī)模塊能夠在安全熱限值內(nèi)運(yùn)行，而無需附加額外冷卻措施。

緊湊型設(shè)計(jì)： ACS 37220 尺寸小巧，這使制造商能夠滿足其電機(jī)模塊的緊湊設(shè)計(jì)規(guī)格的要求。

降低成本和復(fù)雜性： 由于無需額外熱管理組件，總體成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜性顯著降低。

ACS37220 的成功實(shí)施滿足了該制造商的特定需求，證明磁電流傳感器能夠克服傳統(tǒng)電流檢測和熱管理存在的局限性，具備變革產(chǎn)品設(shè)計(jì)的潛力。

Allegro MicroSystems 利用磁電流傳感器克服 PCB 設(shè)計(jì)中的發(fā)熱難題

Allegro ACS37220 磁電流傳感器具備必要功能，能有效緩解電子系統(tǒng)發(fā)熱問題。傳感器能夠處理高達(dá) 200 安的大電流，特別適用于功率密集型應(yīng)用，且工作時發(fā)熱量顯著降低。

圖2：Allegro MicroSystems 的 ACS37220 磁電流傳感器采用 7 引腳 4 x 4 毫米 QFN 封裝。

其緊湊的 4x4 毫米 QFN 封裝極大限度地提高 PCB 空間使用效率，同時無需散熱器或風(fēng)扇等額外冷卻組件。這一優(yōu)點(diǎn)簡化了設(shè)計(jì)并降低總體制造成本。對于現(xiàn)代電子系統(tǒng)而言，保持較低溫度至關(guān)重要，而 ACS 37220 的特性熱效率高、可靠性好，這使其成為優(yōu)選的解決方案。

結(jié)論

本文章重點(diǎn)介紹磁電流傳感器在解決 PCB 設(shè)計(jì)中的發(fā)熱難題方面的重要作用。與傳統(tǒng)分流電阻相比，此類傳感器大幅減少發(fā)熱，提高了系統(tǒng)可靠性和使用壽命。磁電流傳感器的持續(xù)集成在推進(jìn)電子設(shè)備的熱管理中發(fā)揮關(guān)鍵作用，確保設(shè)備在變得越來越小的同時，仍能保持高效運(yùn)行。