【技术】解析高精度大功率合金电阻替换霍尔传感器的优势

本文中业展电子将为大家解析高精度大功率合金电阻替换霍尔传感器的优势。

什么是霍尔传感器

基于霍尔效应，假设在半导体上外加方向互相垂直的磁场和电流，根据左手定则，半导体内部的电子和空穴会在电场力和洛伦兹力的作用下偏移，在半导体两个端面产生电场，从而产生电势差，这个现象称为霍尔效应，产生的电压称为霍尔电压。

霍尔传感器就是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，当在一根长导线中通以电流时，在磁芯会产生一个与导线电流大小成正比的磁场，再利用霍尔元件的特性，测量霍尔元件感应生成的电压信号，经过放大器放大霍尔电压后输出一个可直接测量的霍尔电压。霍尔电流传感器的优点是电路简单、能量效率高、检测范围广及电耗低等；缺点是抗干扰能力差、精度较差、线性度较差、响应速度较慢且温漂较大。

什么是合金电阻

合金电阻，也叫分流电阻（Shunt）、采电阻，它的阻值通常都很小（mΩ或μΩ级别），主要是对电流进行检测作用，通常是串联在采样回路中，通过采集合金电阻两端的电压降，再经过分析处理可以完成电流检测，实现电路反馈、过流检测、电流控制等功能。

合金电阻的材料主要是铜合金，目前主流的合金材料有锰铜合金、康铜合金、镍铬合金、卡玛合金、铁铬铝合金等根据不同合金的特性（电阻率，温漂，稳定性等） 可以研发生产各类不同性能的低阻值合金。

基于材料优势和材料处理技术提升，合金电阻具有低阻值、大功率、高精度、低TCR、高稳定性等特性，在白色家电、消费电子、电源工控、仪器仪表、汽车电子、光伏储能等领域具有极大的应用需求。

合金电阻特性

独特的材料配方，满足客户不同需求；

EBW真空电子束焊接工艺，提高稳定性和焊接强度；

阻值低，目前已做到μΩ，且精度最高能做到0.1%，常用的还有士0.5%、土1%、土2%、土5%等；

不同的TCR满足各种需求，TCR最低能做到5ppm,常用的还有土50ppm、100ppm、土200ppm等；

大功率，宽额定电流，从几A到几百A，抗脉冲能力强；

极好的长期负载稳定性，增加设备使用时间和长期精度，稳定性可达0.02%；

低寄生电感，小至nH；

低损耗。

两者对比

随着合金电阻的技术发展越来越成熟，在很多应用场景可替代霍尔传感器，应用终端可选择合金电阻作为检测元件提高设备精度、稳定性，节约成本。

业展产品概览和产能

合金贴片电阻（YLR，YLRP..）：20kkpcs/mon

合金分流器电阻（ASRSBB...）：25kkpcs/mon

大电流分流器（FHR，USR）：5kkpcs/mon

合金线材类电阻（YSR，HSR...）：100kkpcs/mon

业展电子产品介绍

特征

焊接结构产品设计

阻值范围0.1~5mR

额定功率3~15W

低寄生感值设计

合金材质，耐冲击

AEC-Q200 qualified

功率值的标定更加取决于电路板和铜箔设计

材料说明：S=CuMn7Sn；M=Manganin (CuMn12Ni)；K=Kamar (NiCr20AlSi)；F=FeCrAl基于ASR的技术，有很多延伸产品，比如SBB、SBN、ACR等成品系列

业展电子产品介绍

特征

焊接结构产品设计

过电流能力强

电感小于5纳亨

引脚镀锡易于锡焊

工作温度范围：-65℃~170℃

AEC-Q200 qualified

特殊规格可以订做

还有FHRP超低温漂产品

额定功率

额定功率Pd，是指电阻长时间连续安全工作所允许耗散的最大功率，一般取70℃为额定功率最大工作温度点，称为P70（少部分为P120），达到设定温度时，Pd会呈一定比率衰减，直至达到最高工作温度。

定义公式：P=I2R，根据公式，可以很快算出相应产品的最大额定电流。例如:ASR-M-3-1F，这是2512封装，5W，1mΩ

影响额定功率大小的因素主要有三方面

• 温度条件的设定

• 散热条件的设定

• 合格判定标准

Tips

目前行业标准对影响因素并没有明确规定，所以给很多厂家留下可操作空间，通过修改相关条件以用来提高标称额定功率时有发生。

例如，关于判定标准，大部分厂家定义为阻值变化率不超过士1%，但是业展电子一直坚持以士0.5%6为判定值，严格管控质量以最大限度满足客户的要求。

温度系数（温漂）

温度系数，也叫温漂/TCR，表示单位温度引起电阻值的变化率，单位ppm/℃（每升高/降低1C，电阻值变化百万分之几）。电阻在负载时会产生热量引起温度上升，所以TCR越小，电阻值变化越小。

TCR是一项非常重要的参数，很多客户在选型的时候都会着重要求。

业展电子TCR最低已经做到了5ppm，可以满足客户超低TCR要求。

可靠性测试

可靠性测试项目及判定标准

业展物料可靠性测试遵循AEC-Q200的测试方法，判定标准士0.5%

应用

变频器，也称为变频驱动器或驱动控制器，是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，是一个“交-直-交”的过程。

变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变(直流变交流)制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。

变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。

变频器主电路基本由三部分组成：整流电路、滤波电路、逆变电路。

• 整流电路：是将交流输入转化为直流电的过程，主要由整流桥组成。

• 滤波电路：经整流后的电压很高，三相380V交流电整流后电压理论上可达到537V，所以滤波电容的耐压值很高，通过两颗400V大电容串联提高耐压，每个电容并联均压电阻。

• 逆变电路：将直流电（直流母线）转换为交流电的过程，通过功率开关器件控制，将直流电转化成不同频率、宽度幅度的交流电。

除了主电路，变频器还有其它辅助电路

• 限流电路：电路接通瞬间电流很大，容易损坏电容和后端电路，接入限流电阻作保护，限流电阻两端并联继电器（或其它开关器件） 控制限流电阻的接入与断开。

• 直流电抗器：提高功率因数，抑制谐波干扰。

• 充电指示：用于观察大电容是否放电结束。

• 制动单元：电机反向再生制动时，再生能量馈入变频器的直流回路，使直流回路的电压由530V左右上升到六、七百伏，甚至更高，为防止器件过压损通常在7.5kW以上的变频器都需要有制动单元

在高性能的变频控制系统中，电流检测是一个关键环节通过检测交流电机的相电流进而实施对电压源型PWM逆变器的相电流进行闭环控制，以获得高精度的三相正弦波电流信息，保证快速、准确的电磁转矩控制。

经典的电流检测方法是应用电流传感器检测电流，即在交流输出端设置3个或者至少2个相电流传感器，用以提供相电流反馈信号，直流电流传感器常用于过流保护。但这种方案不仅价格昂贵，而且体积庞大，难以集成在电力电子装置中。近些年来，为减小设备体积，降低设备成本，提高系统运行可靠性，选用合金分流器作为电流采样方案已趋于成熟。

电流采样电路在其直流母线负端或变频器的至少二相的输出端串联有采样电阻R。通过串联在采样电路上的采样电阻R，采集流经采样电阻R的电流信号。

合金电阻搭配隔离放大器使用

隔离放大器的目的

通过断开接地环路，在高电压应用中提供防电击保护或者将电路中的不同部件或不同电路隔离开在电流流经采样电阻，产生的电压降通常是比较小（mV级别），易受到线路上的纹波噪声干扰影响精确度。

所以合金采样电阻通常与隔离放大器配套使用。采样电阻产生的电压降信号由隔离放大器进行电气隔离后，再放大输出电压信号，这个电压信号大小由后级处理器的允许输入电压决定。

与传统的霍尔效应电流传感器相比具有更好的温度漂移特性

隔离放大器

隔离放大电路中采用的隔离方式主要有

1、变压器耦合，根据电磁感应原理，通过变压器进行电气隔离。

2、光电合，根据光电效应，通过光电管进行电气隔离。

3、容性耦合，采用电容器提供容性隔离

隔离放大器由三部分组成：

输入信号处理模块

隔离介质

输出信号处理模块

特性

针对分流电阻进行优化的+250mV输入电压范围

极低非线性度：5V时最大值为0.075%

低偏移误差：最大值为1.5mV

低噪声：3.1mVRMs（典型值）

低高侧电源电流：5V时最大值为8mA

输入带宽：最小值为60kHz

固定增益：8（精度为0.5%）

隔离放大器的部分参数如上图所示

输入电压：±250mV

增益倍数：8倍

合金电阻选型计算

如图所示，以3.7kW/380V/9.5A的变频器为例，提取有用信息：

额定功率：3.7kW

额定电流：9.5A

过载能力：150%额定电流60s

过流保护电流：245%额定电流

计算过程:

1、电路中可能会出现的电流峰值：I=245%*额定电流*1.41433A在选型的时候留有一定余量，选取1.5~2倍余量；

2、用前面的隔离放大器为信号处理，输入电压V=250mV，根据R=U/1，可得R=0.25/(33*2)≈3.8m，阻值可向下选取；

3、因为合金电阻有功率降额，余量选取3倍，P=(150%额定电流)^2*R*3≈2.3W，向上选取3W综上，选取阻值≤3.8mΩ，功率≥3W的合金电阻。

PCB走线布局

合金电阻PCB走线：差分线

差分线的好处

抗干扰能力强（抵消耦合信号）；

有效抑制EMI（电磁干扰）；

减少环路面积，减小感应电动势的影响。

选型注意事项

合金电阻额定功率呈现降额，要留有足够的余量，以免影响电阻性能；

当单颗合金电阻无法满足设计要求时，可以采用多颗并联的形式，有效降低单颗电阻的负载压力，分散功耗；

阻值不能太大，太大会造成不必要的损耗，引起发热影响电路；

阻值也不能太小，阻值太小采集到的电压信号小，容易受噪声干扰，而且对后级的信号处理要求高，造成不要必要的成本增加；

在阻值允许选定范围内，理论上阻值越小越好，因为对应的额定功率越大，电路损耗也越小；

因为合金电阻会有功耗引起发热，对于温度敏感型器件，在PCB布局要尽量远离合金电阻。

业展电子凭着科学的管理体系、先进的研发力量、专业的质量团队、优质的产品性能和良好的客户服务，竭诚为您提供最优的整体合金电阻设计方案。感谢您的关注，期待与您的合作。