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国产霍尔电流传感器化解新能源车缺芯燃眉之急

发布时间:2021-11-18 来源:MEMS 责任编辑:wenwei

【导读】伴随车辆电气化进程,新能源车中的电子元件含量与日俱增,其中独有的车载充电器(OBC)、车载DC-DC转换器、空调PTC加热器加上充电必备的充电桩都需要用到一种检测电流的传感器——霍尔电流传感器,当然,它必须能够满足车规要求。霍尔电流传感器的应用主要还有光伏逆变器、变频器、储能设备、通信电源、服务器电源等。


因量程宽、高精度、灵敏度高、线性度好、规范易安装、抗干扰能力强、质量可靠、平均无故障时间(MTBF)长等优点,霍尔电流传感器深受各个领域用户的信赖。


所谓霍尔传感器是利用霍尔效应来检测电流,当小电流通过一个置于磁场中的半导体薄片时,受到磁场作用发生偏转,在控制电流的垂直方向的半导体两侧形成电压差,该电势差就是霍尔电压。霍尔电压与磁场强度和半导体内通过的控制电流成正比。根据这一关系设计的器件,通过恒定的控制电流,利用霍尔电压的变化即可反应磁场强度的变化。而磁场可以由相应电流产生的,且磁场大小与电流有明确联动关系,因此可以测量电流强度。


最近,国内高性能、高可靠性模拟芯片的研发设计企业苏州纳芯微电子股份有限公司(以下简称“纳芯微”)推出了集成电流路径的霍尔电流传感器NSM201X系列产品,为客户提供了更多的选择。


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NSM201X系列路标


什么是集成电流路径呢?


通常,感应式电流检测有两种方式:一种是电流走IC外部,另一种是电流从IC内部流过。前者是将IC放在一定位置进行感应,如通过PCB布线走电流,把IC贴在PCB表面来感应电流;后者是将电流路径集成在IC內,优势是精度更高,体积更小,没有装配要求,市面上产品支持最大的峰值电流是±100A。因为散热和封装体积限制,太大的电流路径无法集成。


纳芯微推出的集成电流路径的电流传感器系列产品基于霍尔效应原理,采用隔离方式将峰值±100A以内的电流转换成线性电压输出,同时利用差分霍尔对来消除共模磁场的影响,这种方式可以抑制40dB以上的共模磁场干扰。


四大特点应用众多


NSM201X系列产品是高鲁棒的霍尔传感器,具有高可靠的隔离性能、高精密的信号调理,以高质量的品质管控生产,其主要特点包括:


特点一:高隔离性能


NSM201X宽体16脚版本封装(NSM2011,NSM2013)的原副边是隔离的,最大隔离工作电压达1550Vpk,耐压5000Vrms;浪涌绝缘耐压大于10kV;爬电距离和电气间隙满足8mm要求。其注塑成型材料采用CTI1级别材料(CTI>600)。量产测试时对每颗芯片进行绝缘测试,以确保每颗芯片的绝缘安全性能。


NSM201X窄体SO8脚封装(NSM2012)采用了先进的封装技术提高了原边电流和硅片芯之间的绝缘间距,耐压3000Vrms,浪涌绝缘耐压大于6kV。


NSM201X 同时满足UL62368/EN62368安规认证和AEC - Q100可靠性标准。


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NSM201X已通过TUV和UL认证


特点二:低导通阻抗


NSM201X宽体SOIC16脚版本的导通阻抗为0.85mOhm,窄体SOIC8脚版本提供1.2mOhm导通阻抗,具有良好的温升特性, 导通阻抗基本和国外竞品持平;芯片的散热主要通过IC引脚将热量传导到PCB覆铜来实现,所以芯片的温升很大程度取决于覆铜的散热面积(Top和Bottom层)和覆铜的厚度。测试表明,在覆铜2盎司铜厚、面积为378平方毫米的相同条件下,NSM201X的温升和竞品基本相同。


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NSM2011在评估板上35A电流时温升表现


特点三:高精度


NSM201X具备高灵敏度、低零点误差及良好的线性度(非线性度±0.2%)等特性,有助于降低器件的整体输出误差,在工作温度范围内最大总测量误差±1.5%。


特点四:高兼容性


NSM201X引脚兼容市面上主流霍尔电流传感器,支持5V和3.3V供电,且有直流输入版本、交流输入版本、可选比例输出电压版本和固定电压输出版本,以满足不同使用场景需求。


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NSM201x引脚图


新产品适用于多种隔离电流采样场合,如光伏组串式逆变器DC输入侧MPPT(最大功率点)跟踪电流检测;工业变频器件中的母线电流及各桥臂电流采样;UPS及服务器电源、充电桩中的隔离电流采样。这些器件的AEC-Q100正在认证当中,之后将用于新能源车OBC、DC-DC的隔离电流采样,以及空调热管理系统中PTC加热器的隔离电流采样等。


三款产品各有特色


目前NSM201X系列主推型号有:NSM2011、NSM2012和NSM2013。


以NSM2011为例,它是基于霍尔原理、集成路径电流的高精度传感器,具有共模磁场抑制,隔离达5000V,导通电阻极低(0.85mΩ),减少了芯片的热损耗。


它采用纳芯微创新的隔离技术及信号调理设计,能够在满足高隔离等级的同时感测流过内部Busbar的电流。内部的差分霍尔对对外部杂散磁场有很强的抵御能力。


NSM2011通过感测流过芯片内部Busbar电流产生的磁场来间接检测电流,对比同样Shunt+隔离运放的电流采样方式,省去了原边供电且布局简单方便,同时具有极高隔离耐压及生命周期稳定性。


NSM2011支持比例输出,NSM2013则支持固定输出,固定模式方便客户ADC差分采样Vref以及Vout的电压,以减少外部共模干扰(比如温度等)。在高边电流检测应用中只需用一颗NSM2011即可达到1550Vpk工作电压,无需加任何保护器件即可耐受10kV浪涌电压和13kA浪涌电流。


由于NSM2011内部精确的温度补偿算法以及出厂精度校准,该电流传感器在全温度工作范围都可以保持很好的精度,客户无需做二次校准。


与NSM2011稍有不同,NSM2012是隔离达3000V的电流传感器,导通电阻为1.2mΩ。在高边电流检测应用中只需用一颗NSM2012即可达到600Vpk工作电压,无需加任何保护器件即可耐受6kV浪涌电压。


在带宽及快速响应时间方面,NSM2011为240kHz/2.2μs;NSM2012为400kHz/1.5μs;全温度高精度电流测量方面,NSM2011误差为±1.5%/零点误差±10mV;NSM2012总输出误差为±2%/零点误差±10mV。


典型应用场景


以NSM2011为例看看NSM201X系列产品的使用场景。


太阳能组串式逆变器:用在组串式逆变器DC输入侧,实现MPPT跟踪的电流检测,主要利用NSM2011的1550VDC工作耐压和13kA(IEC61000-4-58μs / 20μs)雷击浪涌冲击耐受电流,以及0.85mOhm的导通电阻特性来满足应用要求。


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NSM201x在太阳能组串式逆变器中应用框图


工业变频器:主要解决客户关心的绝缘耐压和导通电阻问题,利用NSM2011的5000V@1min和NSM2012的3000V@1min绝缘耐压,以及NSM2011的0.85mOhm和NSM2012的1.2mOhm导通电阻特性实现应用。


新能源车OBC:NSM2011用在OBC的PFC级的隔离电流采样,利用NSM2011的1550VDC绝缘耐压、0.85mOhm导通电阻和1.5%以内的高温精度满足客户的设计要求。


11.jpgNSM201x在车载充电器中应用框图


新能源车PTC加热器:NSM2011用在新能源车PTC加热器。利用NSM2011的5000V@1min、3000V@1min绝缘耐压以及0.85mOhm的导通电阻,实现PTC加热器的隔离电流采样。


其他使用场景:事实上,凡是可以利用NSM201X系列几款产品特性的地方都可以用到,如通信电源、服务器电源,电梯驱动器,直流充电桩等场合,发挥其低导通阻抗、高精度、体积小,易于装配的特点,实现高隔离性能的电流检测,NSM201X系列的高兼容性也为用户提供了更多的选择。


跟进新兴应用扩大市场份额


在市场需求的推动下,像纳芯微这样的车规级芯片提供商正在开发体积更小、具备高精度和快速响应的电流检测解决方案方面发力追赶,以弥补我国高性能电检测元件方面的空缺;与此同时,国产霍尔电流传感器的量产也将有助于化解新能源车及其他行业缺芯的燃眉之急。



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