利用下一代电流传感器应对PCB设计挑战系列文章之三——应对 PCB 设计中的复杂性挑战

磁电流传感器通过磁场精确测量电流，从而简化 PCB 设计，降低现代电子产品的复杂性。

导言

磁电流传感器为传统的电流测量方法提供了更简单的解决方案，从而彻底改变了 PCB 的设计。这些传感器将多个元件整合到单个集成电路中，降低设计复杂性并提高系统整体性能。

本文将深入探讨磁电流传感器如何解决 PCB 设计中的复杂性问题，重点介绍磁性电流传感器相对于传统方法的优势，并通过详细的案例研究重点介绍磁电流传感器在现代电子产品中的优势。

传统电流检测方法面临的复杂性挑战

正如本系列文章之前所提到，传统的电流传感方法存在一系列挑战，显著增加了 PCB 设计和功能的复杂度。传统方法通常依赖分流电阻（以及其他元件），而分流电阻器容易产生大量热量，所需热管理系统也比非分流解决方案更为复杂。 因此，传统方法需要添加散热片等附加组件，占用宝贵的 PCB 空间。

除了空间和热量问题，分流电阻还增加了电气和设计的复杂度。此类设备本身具有电感，当电流发生快速变化时会产生电压尖峰。这种情况会干扰其他敏感元件，并使测量精度发生偏差，这对保持系统的完整性和可靠性构成了巨大挑战。此外，由于电感的存在，分流电阻的阻抗会随着频率的增加而增大，从而导致在较高频率下灵敏度发生显著变化。

例如，电阻 200 微欧、电感 3 毫微亨的高端分流电阻，其成本可能超过 0.15 美元，在 PCB 上占用的空间超过 50 平方毫米，但在带宽超过 10 kHz 时性能会退化。电感会影响分流器在高频下的性能，从而影响其运行，因此有必要集成额外的元件来缓解由此产生的问题。

图1：电阻 200 微欧、电感 3 毫微亨的分流电阻的频率响应显示了分流阻抗是如何随着频率急剧增加。

传统系统的缓解策略

为了解决电压尖峰和其他电感效应，传统系统通常需要外部元件来过滤分路电压。此过程增加设计的复杂性，因为需要根据系统的具体要求微调滤波器元件，以确保放大器的输入级在高瞬态开关事件期间免受饱和影响。

在设计此类滤波器时，必须使用精密元件来保持其性能参数，如高共模抑制比和极点位置，这就需要使用低值电阻器来尽量减少输入偏置电流以及高精度电容器和电阻器造成的影响。这些元件体积大、成本高，使 PCB 设计更加复杂，增加了系统的总体成本。要在各种频率上实现小于 1% 的精度，通常需要专门的调整，包括反复试验，既费时又费钱。

复杂性对解决方案成本的影响

当前传统传感方法的复杂性增加了整体方案的成本。由于必须使用精密部件、采取大量防止电气噪音和尖峰脉冲的保护措施，以及设计过程需要大量人力，这不仅增加了直接材料和制造成本，还延长了开发周期。支出的增加会影响产品的盈利能力和市场竞争力，对快速创新和成本效益要求极高的行业尤其如此。

利用磁性电流感应技术很大程度地降低 PCB 设计复杂性

磁电流传感器是电流传感领域的一大进步，它提供一种将多种功能集成到单个元件中的创新解决方案。这种集成简化了设计流程，很大限度地减少空间需求。

简化设计流程

磁电流传感器集成了信号调节功能，无需额外的滤波和复杂元件。这样可以通过减少元件数量来简化 PCB 布局，并很大限度地减少潜在故障点，提高整个系统的可靠性。这些传感器的出厂校准能确保在不同温度和操作条件下的性能保持不变，减少最终用户进行大量校准的需要。

图2：传统的电流感应方法通常需要 5-9 个元件的复杂组合，包括电阻器、电容器和运算放大器，而磁电流传感器则将所有必要的功能整合到一个单元中，从而简化了设计。

提高测量精度

传统的分流系统在进行低电阻测量时需要进行高水平的放大，这通常会带来噪声和潜在误差，而磁电流传感器则不同，无需进行此类放大即可保持精度和可靠性。传感器在出厂前均经过校准，确保在大区间的温度范围内性能一致，提高其可靠性。这种固有的可靠性使其能够在干扰或噪音可能影响系统功能的环境中发挥有效作用，即使在多变的工作条件下也能提供可靠的解决方案。

成本优势

磁电流传感器减少 PCB 上所需元件的数量，从而降低材料成本，简化装配。元件数量缩减可减少制造错误和返工，从而最终降低总体生产成本。此外，由于对专用组件和大量实验室测试的需求减少，可进一步降低开发成本，使从设计到生产的过程更具经济效益。

应用灵活

磁电流传感器用途广泛，可用于各种配置，如低压侧、高压侧和相电流检测。此外，这些传感器还能适应宽电压范围，这使其适用于广泛的工业应用场景。

这种集成简化了设计和制造流程，为 PCB 设计创新开辟了新的途径，进而使工程师能够更加专注于增强功能，而不是克服技术障碍。

加速开发和部署

磁电流传感器可简化设计，大大加快产品开发进程。由于需要集成和测试的组件较少，因此可以缩短从概念设计到产品上市的时间。对应快速发展的行业，缩短上市时间弥足珍贵，通过更快地响应市场需求和技术进步，带来巨大的竞争优势。

案例研究：清洁太阳能和储能系统制造商

美国一家清洁太阳能和储能系统制造商对磁电流传感器的应用，验证了此设备的显著优势。该公司曾面临着相当大的挑战，因为使用传统分流电阻对系统中多点进行电流感应非常复杂。由于需要对无源元件进行精确的滤波器设计，并在温度和寿命周期上进行变量管理，每个额外的传感点都会进一步增加复杂度。

面临的挑战

这家制造商需要一种电流传感解决方案，即：创新型太阳能和储能系统在尺寸和性能方面被限制的条件下，方案能高效地运行。事实证明，传统方法过于繁琐、耗时且容易出错，阻碍快速开发和推广。

Allegro提供的解决方案

在研究了各种方案后，该品牌决定改用Allegro 的 ACS711磁电流传感器。该传感器集成了信号调节和出厂校准功能，无需额外的滤波和现场校准，简化了安装过程。

取得的成果

采用 ACS711 后，制造商大大简化了设计。设计简化降低了整体设计时间和制造成本，促进从原型到生产的快速过渡，并最终加快了产品的上市时间。由于 ACS711 适用于各种应用的灵活性，这还使得该公司能够在系统的不同部分实现传感标准化，从而简化了库存和维护工作。

利用 Allegro的磁电流传感器克服 PCB 设计的复杂性挑战

Allegro MicroSystems 的 ACS37041 和 ACS37220 充分体现了磁性电流传感技术的进步，在提高现代电子产品性能的同时显著降低设计复杂性。

Allegro ACS37041: 该传感器采用紧凑型 SOT23-W 封装，非常适合空间有限的应用。产品支持高达 30 安的电流测量，工作电压高达 100 伏（有效值或均方根），因此可广泛应用于电力、制造、汽车和其他领域。1 毫欧的低电阻和低于 ±5% 的温度变化误差确保精确的电流测量，无需外部校准，从而简化了设计过程。

图3：采用 5 引脚 SOT23-W 封装的 Allegro ACS37041 以及典型应用电路。

Allegro ACS37220: ACS37220 专为大电流应用而设计，可应对高达 200A 的电流，同时在低于 100 伏（有效值）电压下运行。产品具有 100 微欧的超低电阻，已通过 AEC-Q100 认证，这对汽车环境中的可靠性至关重要。该传感器采用 4 x 4 毫米 QFN 封装，适合于要求以极小元件封装实现高性能的应用。

图4：采用 7 引脚 QFN 封装的 Allegro ACS37220 以及典型应用电路。

这两种传感器都集成了先进的信号调节功能，无需额外的滤波和辅助元件。此集成节省 PCB 空间，降低设计阶段出错的可能性，从而简化开发流程，加快新产品的上市时间。

结论

事实证明，磁电流传感器克服了传统 PCB 电流检测设计的许多复杂性。通过降低设计复杂性、提高可靠性和削减成本，该型传感器为更具创新性的电子设计方法提供支持。

本文为《下一代电流传感系列文章》的最后一篇。在整个系列中，我们探讨了磁电流传感器（尤其是 Allegro开发的磁电流传感器）如何解决尺寸、发热和复杂性等难题，从而彻底改变 PCB 设计。Allegro MicroSystems 凭借其在电流测量领域表现出色的优选解决方案，成为了行业中的一个重要参考标准。