TI 对霍尔效应电流传感器的突破(TMCS1123)

新能源电动车已经成为全球未来十数年最重要的增长点之一，在电动车中，高压转换、充电和逆变器成为最常见也是必须的系统，而电流传感器是检测这些系统最核心的器件之一。最常见的电流检测传感器有霍尔效应电流传感器和基于分流器的电流传感器。霍尔电流传感器具有性价比高，传播延迟小，容易设计到系统中等优点，但传统的霍尔电流传感器在高压应用中使用一直存在问题，在温度范围内和生命周期内存在较大的漂移，因此大多数设计人员不会考虑将其用于高压系统。

在经过深入研发，引入新的技术后，TI（德州仪器）对霍尔效应电流传感器进行了改进，研发出了TMCS1123，其灵敏度漂移误差大幅降低至±0.5%，在技术上实现了突破，把霍尔效应电流传感器的优势能够更好的发挥出来。

霍尔效应电流传感器vs基于分流器的电流传感器

在整个电流范围内，基于分流器的电流传感器通常比霍尔效应电流传感器精度更高。通过使用稳定的放大器技术或精密模数转换器(ADC)和精密分流电阻器，工程师可以在整个电流测量范围、工作温度范围以及生命周期内实现漂移低于1%的高精度。基于分流器的传感器常用于汽车牵引逆变器、伺服驱动器以及EV充电基础设施应用。

放大器和精密ADC通常用来监测分流电阻器上的压降并提供比例输出。每种电流检测解决方案在工作电压、失调电压、漂移、带宽和易用性方面均有所不同。基于分流器的系统存在一些限制因素——由于器件的架构，这类系统通常具有较大的传播延迟，而且会增加设计复杂性，例如在高侧电源和低侧电源方面。另外，使用基于分流器的器件时，需要仔细考虑各种分流电阻器参数和功耗。

而一体式封装的霍尔效应电流传感器具有更高的性价比，传播延迟更小，并且更容易设计到系统中。采用一体式封装的解决方案时，电流通过引线框流过封装，因此无需精密电阻器，从而降低了成本并缩减了物料清单。此外，无需高侧和低侧两个电源，从而进一步降低设计复杂性。

TI的霍尔效应电流传感器：TMCS1132

TI研发的新款霍尔效应电流传感器TMCS1123是具有±1100V增强型隔离工作电压、过流检测和环境磁场抑制功能的精密霍尔效应电流传感器。

TMCS1123作为一款电隔离霍尔效应电流传感器，具有业界出色的隔离功能和精度。

它还提供与输入电流成正比的输出电压，且在所有灵敏度选项下均具有出色的线性度和低漂移。具有内置漂移补偿功能的精密信号调节电路能够在没有系统级校准的情况下，在温度和寿命范围内的最大总误差小于1.75%，或在一次性室温校准（同时包括寿命和温度漂移）的情况下的最大总误差小于1%。

交流或直流输入电流流经内部导体，所产生的磁场可由集成式片上霍尔效应传感器进行测量。无磁芯结构消除了对磁集中器的需求。差分霍尔传感器可抑制外部杂散磁场产生的干扰。低导体电阻将可测量电流范围提高至±96A，同时更大程度地降低功率损耗并降低散热要求。绝缘能够承受5000VRMS，加上最小8.1mm的爬电距离和间隙，可提供高达1100VDC的可靠寿命增强型工作电压。集成式屏蔽可提供出色的共模抑制和瞬态抗扰度。

固定的灵敏度允许TMCS1123使用单个3V至5.5V的电源运行，因此消除了比例式误差并提高了电源噪声抑制能力。

TMCS1132功能框图

TMCS1123在整个生命周期和温度范围内具有业内出色的增强型隔离和高精度，能够为高压系统简化设计并提供出色的精度。TI的新型EZShunt™产品系列包含小型完全集成式电流分流监控器和业内高精度的75A集成式分流器解决方案，适用于高达85V和75ARMS的非隔离式系统。

典型应用

TMCS1123可以应用在太阳能、电机控制、电动汽车充电、电源、工业交流/直流电源、过流保护等场景中。

优秀的特性

TMCS1132在电流输入、输入隔离、环境磁场抑制、高精度信号链（温度稳定性和寿命和环境稳定性）以及内部基准电压、电流检测可测量范围、过流检测、传感器诊断等方面具有优秀的特性。

电流输入

TMCS1123的输入电流通过封装引线框的隔离高压侧流入和流出IN+和IN-引脚。流经封装的电流会产生与输入电流成正比的磁场，该磁场可由集成式片上电隔离的精密霍尔传感器进行测量。由于霍尔传感器芯片上的静电屏蔽，仅测量由输入电流产生的磁场，从而限制输入电压开关直通至电路。该配置支持直接测量具有高压瞬变的电流，而不会在电流传感器输出上产生信号失真。引线框导体在25°C时的标称电阻为0.67mΩ，并具有电气特性中定义的典型正温度系数。

输入隔离

由于TMCS1123的结构，输入导体和霍尔传感器芯片之间的分离在高压输入侧的封装引脚1和2与低压输出侧的封装插脚3至10之间提供了固有的电隔离。绝缘能力是根据认证机构的定义，使用绝缘规格中定义的业界通用测试方法定义的。器件寿命工作电压评估遵循增强型绝缘的VDE0884-11标准，要求时间依赖型电介质击穿(TDDB)数据预测故障率低于1ppm，并且绝缘寿命至少为30年。VDE标准还要求工作电压有20%的额外安全裕度，绝缘寿命有30%的裕度，这意味着TMCS1123在900VRMS下的最短要求寿命为39年。

环境磁场抑制

TMCS1123设计用于在恶劣环境中提供高水平的电流测量精度。由于不受杂散磁场干扰，因此可以在高载流布线、电机绕组、电感器或任何其他错误的杂散磁场源附近使用。TMCS1123包含差分霍尔传感器，这些传感器的位置很重要，且配置为可抑制来自外部杂散磁场的干扰。仅受霍尔元件匹配和封装引线框耦合限制的环境磁场抑制(AFR)功能可将杂散磁场产生的误差减少40dB以上。

高精度信号链

TMCS1123使用具有专有传感器线性化技术的精密、低漂移信号链，可在器件的整个温度范围和寿命内提供高度精确和稳定的电流测量。该器件在工厂经过全面测试和校准，解决了器件的硅制程、组装或封装中的任何偏差。完整的信号链可提供固定灵敏度电压输出，该输出与流经隔离输入引线框的电流成正比。

温度稳定性

TMCS1123包含专有的温度补偿技术，可显著改善整个温度范围内的参数漂移。该补偿技术考虑了环境温度、自发热和封装应力的变化。零漂移信号链架构以及霍尔传感器温度补偿方法可实现稳定的灵敏度，同时更大限度地减小整个温度范围内的偏移量误差。在所需的运行条件下，系统级性能得到了显著提高。

寿命和环境稳定性

除了较大的热漂移之外，典型的磁性电流传感器由于在器件的寿命内老化，其灵敏度还会出现2%到3%的额外漂移。TMCS1123中用于降低温度漂移的相同专有补偿技术也用于大大降低由于应力和环境条件（尤其是在较高的运行温度下）引起的老化而导致的寿命漂移。如电气特性所示，TMCS1123具有行业出色的寿命灵敏度漂移，这是在标准三批AEC-Q100认证期间，在130°C和85%相对湿度(RH)下进行高加速应力测试(HAST)后实现的。在按照AEC-Q100认证规定进行1000小时、125°C高温工作寿命应力测试后，还观察到电气特性中规定的界限内的低灵敏度和温漂。这些测试模拟了典型的器件寿命操作，表明与典型的磁性电流传感器相比，老化导致的器件性能变化得到了极大改善。

其他方面，TMCS1123具有精确的内部基准电压，此基准可确定零电流输出电压VOUT,0A。总体电流检测动态范围可以通过三种可供选择的不同的零电流输出电压选项进行优化；同时具有良好的电流检测可测量范围；除了快速精密模拟信号响应之外，TMCS1123还提供更快的数字过流响应；此外TMCS1123中加入了内置自诊断功能，以便在运行条件可能使电流传感器测量无效时发出警告，受监控的两个关键条件是传感器温度和灵敏度。

销售政策是否改变？

由于克服了霍尔传感器低精度等缺点，同时具有优秀的特性、容易设计等优点，TMCS1132器件的推出在业界特别是工程师中受到了很大的欢迎。但是对于它的采购，笔者在TI的官网上看到：“霍尔效应电流传感器TMCS1123和EZShunt产品均支持预量产，但目前仅可在TI.com.cn上购买“，这是否意味着这款器件的销售政策有所改变呢？

笔者专门就这个问题进行了咨询，得到了TI官方的答复：

“我们目前在官网上有销售的渠道，但是这个产品并没有改变我们任何的销售策略。我们非常欢迎各种类型的客户通过TI所支持的各种渠道来下单和购买。”

结语

霍尔效应电流传感器的优点在于使用非常简单，是不需要使用分流器加芯片的方案。一颗芯片既集成了不需要隔离的工件，又不需要加上数字隔离器以及分流器，所以它整体的使用非常便捷，整体的系统设计非常简洁，这就是它的优势所在。所以这也是为什么它可能之前看起来精度会比较低，但是大家还是会愿意使用它的原因。

然而，TI的TMCS1132这颗器件采用新的技术弥补了这种缺点，使得它似乎集霍尔效应电流传感器和基于分流器的电流传感器的优点于一身。

TI技术经理付杨在采访中介绍：“就霍尔效应电流传感器的优缺点而言，之前比较常见的缺点是它的精度、长时间工作带来的漂移，以及它的温漂会相比于分流器的采样方式更低一些。这其实是大家共同认为的一个缺点。而我们新的产品TMCS1123为了解决这些缺点而引入了一些新的技术。可以看到我们重点强调的器件的寿命、温漂，以及初始的采样精度，这些都是我们花了很大的精力，运用不同的设计来把它们提高上来。所以这是我们的新品相比于同类型的电流采样的产品来看，目前非常有竞争力的一些优势。”