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國(guó)產(chǎn)霍爾電流傳感器化解新能源車缺芯燃眉之急

發(fā)布時(shí)間:2021-11-18 來源:MEMS 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】伴隨車輛電氣化進(jìn)程,新能源車中的電子元件含量與日俱增,其中獨(dú)有的車載充電器(OBC)、車載DC-DC轉(zhuǎn)換器、空調(diào)PTC加熱器加上充電必備的充電樁都需要用到一種檢測(cè)電流的傳感器——霍爾電流傳感器,當(dāng)然,它必須能夠滿足車規(guī)要求?;魻栯娏鱾鞲衅鞯膽?yīng)用主要還有光伏逆變器、變頻器、儲(chǔ)能設(shè)備、通信電源、服務(wù)器電源等。


因量程寬、高精度、靈敏度高、線性度好、規(guī)范易安裝、抗干擾能力強(qiáng)、質(zhì)量可靠、平均無故障時(shí)間(MTBF)長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),霍爾電流傳感器深受各個(gè)領(lǐng)域用戶的信賴。


所謂霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)來檢測(cè)電流,當(dāng)小電流通過一個(gè)置于磁場(chǎng)中的半導(dǎo)體薄片時(shí),受到磁場(chǎng)作用發(fā)生偏轉(zhuǎn),在控制電流的垂直方向的半導(dǎo)體兩側(cè)形成電壓差,該電勢(shì)差就是霍爾電壓?;魻栯妷号c磁場(chǎng)強(qiáng)度和半導(dǎo)體內(nèi)通過的控制電流成正比。根據(jù)這一關(guān)系設(shè)計(jì)的器件,通過恒定的控制電流,利用霍爾電壓的變化即可反應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化。而磁場(chǎng)可以由相應(yīng)電流產(chǎn)生的,且磁場(chǎng)大小與電流有明確聯(lián)動(dòng)關(guān)系,因此可以測(cè)量電流強(qiáng)度。


最近,國(guó)內(nèi)高性能、高可靠性模擬芯片的研發(fā)設(shè)計(jì)企業(yè)蘇州納芯微電子股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱“納芯微”)推出了集成電流路徑的霍爾電流傳感器NSM201X系列產(chǎn)品,為客戶提供了更多的選擇。


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NSM201X系列路標(biāo)


什么是集成電流路徑呢?


通常,感應(yīng)式電流檢測(cè)有兩種方式:一種是電流走IC外部,另一種是電流從IC內(nèi)部流過。前者是將IC放在一定位置進(jìn)行感應(yīng),如通過PCB布線走電流,把IC貼在PCB表面來感應(yīng)電流;后者是將電流路徑集成在IC內(nèi),優(yōu)勢(shì)是精度更高,體積更小,沒有裝配要求,市面上產(chǎn)品支持最大的峰值電流是±100A。因?yàn)樯岷头庋b體積限制,太大的電流路徑無法集成。


納芯微推出的集成電流路徑的電流傳感器系列產(chǎn)品基于霍爾效應(yīng)原理,采用隔離方式將峰值±100A以內(nèi)的電流轉(zhuǎn)換成線性電壓輸出,同時(shí)利用差分霍爾對(duì)來消除共模磁場(chǎng)的影響,這種方式可以抑制40dB以上的共模磁場(chǎng)干擾。


四大特點(diǎn)應(yīng)用眾多


NSM201X系列產(chǎn)品是高魯棒的霍爾傳感器,具有高可靠的隔離性能、高精密的信號(hào)調(diào)理,以高質(zhì)量的品質(zhì)管控生產(chǎn),其主要特點(diǎn)包括:


特點(diǎn)一:高隔離性能


NSM201X寬體16腳版本封裝(NSM2011,NSM2013)的原副邊是隔離的,最大隔離工作電壓達(dá)1550Vpk,耐壓5000Vrms;浪涌絕緣耐壓大于10kV;爬電距離和電氣間隙滿足8mm要求。其注塑成型材料采用CTI1級(jí)別材料(CTI>600)。量產(chǎn)測(cè)試時(shí)對(duì)每顆芯片進(jìn)行絕緣測(cè)試,以確保每顆芯片的絕緣安全性能。


NSM201X窄體SO8腳封裝(NSM2012)采用了先進(jìn)的封裝技術(shù)提高了原邊電流和硅片芯之間的絕緣間距,耐壓3000Vrms,浪涌絕緣耐壓大于6kV。


NSM201X 同時(shí)滿足UL62368/EN62368安規(guī)認(rèn)證和AEC - Q100可靠性標(biāo)準(zhǔn)。


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NSM201X已通過TUV和UL認(rèn)證


特點(diǎn)二:低導(dǎo)通阻抗


NSM201X寬體SOIC16腳版本的導(dǎo)通阻抗為0.85mOhm,窄體SOIC8腳版本提供1.2mOhm導(dǎo)通阻抗,具有良好的溫升特性, 導(dǎo)通阻抗基本和國(guó)外競(jìng)品持平;芯片的散熱主要通過IC引腳將熱量傳導(dǎo)到PCB覆銅來實(shí)現(xiàn),所以芯片的溫升很大程度取決于覆銅的散熱面積(Top和Bottom層)和覆銅的厚度。測(cè)試表明,在覆銅2盎司銅厚、面積為378平方毫米的相同條件下,NSM201X的溫升和競(jìng)品基本相同。


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NSM2011在評(píng)估板上35A電流時(shí)溫升表現(xiàn)


特點(diǎn)三:高精度


NSM201X具備高靈敏度、低零點(diǎn)誤差及良好的線性度(非線性度±0.2%)等特性,有助于降低器件的整體輸出誤差,在工作溫度范圍內(nèi)最大總測(cè)量誤差±1.5%。


特點(diǎn)四:高兼容性


NSM201X引腳兼容市面上主流霍爾電流傳感器,支持5V和3.3V供電,且有直流輸入版本、交流輸入版本、可選比例輸出電壓版本和固定電壓輸出版本,以滿足不同使用場(chǎng)景需求。


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NSM201x引腳圖


新產(chǎn)品適用于多種隔離電流采樣場(chǎng)合,如光伏組串式逆變器DC輸入側(cè)MPPT(最大功率點(diǎn))跟蹤電流檢測(cè);工業(yè)變頻器件中的母線電流及各橋臂電流采樣;UPS及服務(wù)器電源、充電樁中的隔離電流采樣。這些器件的AEC-Q100正在認(rèn)證當(dāng)中,之后將用于新能源車OBC、DC-DC的隔離電流采樣,以及空調(diào)熱管理系統(tǒng)中PTC加熱器的隔離電流采樣等。


三款產(chǎn)品各有特色


目前NSM201X系列主推型號(hào)有:NSM2011、NSM2012和NSM2013。


以NSM2011為例,它是基于霍爾原理、集成路徑電流的高精度傳感器,具有共模磁場(chǎng)抑制,隔離達(dá)5000V,導(dǎo)通電阻極低(0.85mΩ),減少了芯片的熱損耗。


它采用納芯微創(chuàng)新的隔離技術(shù)及信號(hào)調(diào)理設(shè)計(jì),能夠在滿足高隔離等級(jí)的同時(shí)感測(cè)流過內(nèi)部Busbar的電流。內(nèi)部的差分霍爾對(duì)對(duì)外部雜散磁場(chǎng)有很強(qiáng)的抵御能力。


NSM2011通過感測(cè)流過芯片內(nèi)部Busbar電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)來間接檢測(cè)電流,對(duì)比同樣Shunt+隔離運(yùn)放的電流采樣方式,省去了原邊供電且布局簡(jiǎn)單方便,同時(shí)具有極高隔離耐壓及生命周期穩(wěn)定性。


NSM2011支持比例輸出,NSM2013則支持固定輸出,固定模式方便客戶ADC差分采樣Vref以及Vout的電壓,以減少外部共模干擾(比如溫度等)。在高邊電流檢測(cè)應(yīng)用中只需用一顆NSM2011即可達(dá)到1550Vpk工作電壓,無需加任何保護(hù)器件即可耐受10kV浪涌電壓和13kA浪涌電流。


由于NSM2011內(nèi)部精確的溫度補(bǔ)償算法以及出廠精度校準(zhǔn),該電流傳感器在全溫度工作范圍都可以保持很好的精度,客戶無需做二次校準(zhǔn)。


與NSM2011稍有不同,NSM2012是隔離達(dá)3000V的電流傳感器,導(dǎo)通電阻為1.2mΩ。在高邊電流檢測(cè)應(yīng)用中只需用一顆NSM2012即可達(dá)到600Vpk工作電壓,無需加任何保護(hù)器件即可耐受6kV浪涌電壓。


在帶寬及快速響應(yīng)時(shí)間方面,NSM2011為240kHz/2.2μs;NSM2012為400kHz/1.5μs;全溫度高精度電流測(cè)量方面,NSM2011誤差為±1.5%/零點(diǎn)誤差±10mV;NSM2012總輸出誤差為±2%/零點(diǎn)誤差±10mV。


典型應(yīng)用場(chǎng)景


以NSM2011為例看看NSM201X系列產(chǎn)品的使用場(chǎng)景。


太陽能組串式逆變器:用在組串式逆變器DC輸入側(cè),實(shí)現(xiàn)MPPT跟蹤的電流檢測(cè),主要利用NSM2011的1550VDC工作耐壓和13kA(IEC61000-4-58μs / 20μs)雷擊浪涌沖擊耐受電流,以及0.85mOhm的導(dǎo)通電阻特性來滿足應(yīng)用要求。


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NSM201x在太陽能組串式逆變器中應(yīng)用框圖


工業(yè)變頻器:主要解決客戶關(guān)心的絕緣耐壓和導(dǎo)通電阻問題,利用NSM2011的5000V@1min和NSM2012的3000V@1min絕緣耐壓,以及NSM2011的0.85mOhm和NSM2012的1.2mOhm導(dǎo)通電阻特性實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。


新能源車OBC:NSM2011用在OBC的PFC級(jí)的隔離電流采樣,利用NSM2011的1550VDC絕緣耐壓、0.85mOhm導(dǎo)通電阻和1.5%以內(nèi)的高溫精度滿足客戶的設(shè)計(jì)要求。


11.jpgNSM201x在車載充電器中應(yīng)用框圖


新能源車PTC加熱器:NSM2011用在新能源車PTC加熱器。利用NSM2011的5000V@1min、3000V@1min絕緣耐壓以及0.85mOhm的導(dǎo)通電阻,實(shí)現(xiàn)PTC加熱器的隔離電流采樣。


其他使用場(chǎng)景:事實(shí)上,凡是可以利用NSM201X系列幾款產(chǎn)品特性的地方都可以用到,如通信電源、服務(wù)器電源,電梯驅(qū)動(dòng)器,直流充電樁等場(chǎng)合,發(fā)揮其低導(dǎo)通阻抗、高精度、體積小,易于裝配的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)高隔離性能的電流檢測(cè),NSM201X系列的高兼容性也為用戶提供了更多的選擇。


跟進(jìn)新興應(yīng)用擴(kuò)大市場(chǎng)份額


在市場(chǎng)需求的推動(dòng)下,像納芯微這樣的車規(guī)級(jí)芯片提供商正在開發(fā)體積更小、具備高精度和快速響應(yīng)的電流檢測(cè)解決方案方面發(fā)力追趕,以彌補(bǔ)我國(guó)高性能電檢測(cè)元件方面的空缺;與此同時(shí),國(guó)產(chǎn)霍爾電流傳感器的量產(chǎn)也將有助于化解新能源車及其他行業(yè)缺芯的燃眉之急。



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