Como o pino ACS712 pode lidar com 20 A?

Estou procurando por alguns ICs de medição de corrente e encontrei o ACS712, mas o que não consigo descobrir é como os pinos aparentemente pequenos conseguem lidar com a corrente de 20 A, uma vez que as calculadoras de largura de rastreio dizem que preciso de um rastreio com quase uma polegada de espessura para lidar com a mesma corrente.

Observe que este IC foi descontinuado e não é recomendado para novos projetos; eles recomendam o ACS723. Ele também vem em uma versão 30A no mesmo pacote.

As calculadoras de rastreamento de PCB se baseiam em suposições básicas:

• Longos traços distribuídos.
• Camadas condutoras finas.
• Aumento aceitável da temperatura do aplicativo, dada a geometria da placa e o posicionamento do traço

Para muitas aplicações, o fator limitante seria a resistência do traço e quanto de uma queda de tensão é aceitável. Em outras aplicações, o aumento da temperatura do PCB afetará a dissipação de energia disponível para os componentes nele. Mas se esses fatores não forem críticos, traços mais finos se tornam possíveis.

Mas em um CI nenhuma dessas suposições realmente se aplica:

• Os pinos e a solda associada são consideravelmente mais grossos que a camada de PCB à qual estão conectados.
• Os CIs são pequenos componentes agrupados, cuja dissipação de energia é limitada pelo tamanho e pela área do dissipador de calor fornecida pela PCB (se nenhum dissipador de calor adicional estiver envolvido).

As principais limitações para a corrente em um CI seriam:

• Capacidade de carga atual dos fios bond (estes são essencialmente fusíveis)
• Dissipação de potência do pacote / IC
• Área de PCB dedicada à dissipação de energia.

Nesse IC em particular, é claro que os traços de energia nem sequer entram em contato com o próprio IC, ou seja, não há fios de ligação associados a eles. Ele se baseia em uma ponte metálica fina e curta que faz parte do pacote para produzir um campo magnético que interage com o sensor Hall dentro do IC. Ele especifica que a resistência total dessa ponte (incluindo os próprios pinos) seja menor que 1,5mΩ.

Isso significa que em 30A o IC dissipará menos de 1,4W, o que, quando montado conforme especificado na folha de dados, implica em um aumento de temperatura inferior a 32 ° C acima da temperatura ambiente (muito abaixo da especificação máxima de 80 ° C). Reduzir a temperatura do IC parece ser mais uma questão de manter a precisão do que lidar com a dissipação de energia.

Observe também que a folha de dados exige uma certa quantidade de área de dissipação. Ao fornecer 1500 mm ^ 2 de 2 oz de cobre para dissipação, o aumento da temperatura é reduzido para apenas 7 ° C. Essa área pode ser facilmente fornecida pelos traços grossos necessários no PCB.

Sua pergunta se aplica a praticamente todos os ICs de alta corrente e dispositivos de energia. É claro que os cabos são fios de cobre espessos e a capacidade vai muito além de 20A. Muitos FETs de potência podem lidar com a corrente de pulso nos 100's de amplificadores, por exemplo.
O fornecimento de traços de PCB para permitir que essa corrente flua não tem quase nada a ver com a capacidade do quadro principal e dos fios de conexão do dispositivo.

Este vídeo ACS mostrando um dispositivo capaz de 100A pode ajudá-lo. Observe que a quantidade de PCB exposta ao 100A é muito baixa, pois eles têm grandes conectores de cobre parafusados ​​/ soldados diretamente na PCB perto do dispositivo. A maioria das calculadoras de espessura / largura de PCB calcula a queda de tensão ao longo do comprimento linear com um determinado CSA. Mantenha o comprimento da PCB curto e a queda de tensão é menor, para que a energia dissipada seja menor.

Esta explicação da Allegro também pode ajudá-lo a entender por que o atual condutor de transporte dentro do CI é reduzido para criar o campo magnético necessário.

O principal problema com o aumento da espessura do cobre PCB é o custo. É um custo excepcionalmente alto fazer apenas trilhas selecionadas com alta espessura, e normalmente isso aumentará a espessura da sua placa de base também para fornecer resistência mecânica aos fios de fixação.

É muito mais barato fornecer um quadro de chumbo de cobre no PCB, que pode ser carimbado e SMT ou através do orifício. Veja aqui e aqui e pesquise no Google por opções adicionais.

Para DIY de baixa quantidade, eu simplesmente soldo um fio à pista de PCB, simples e eficaz.

Se você mirar 20 A em uma PCB, provavelmente precisará projetá-la adequadamente usando camadas de cobre mais grossas. E use camadas externas para traços como esse. E talvez use reforços de solda em cima de traços, veja isso . Muitas casas de PCB oferecem rotineiramente cobre de 4 oz / ft2 de espessura, e as calculadoras oferecem uma largura razoável de rastreamento de ~ 180 mils (~ 5mm de largura). E o rastreamento pode ser ainda menor (até 120 mils) se você puder pagar um aumento de temperatura de 20 ° C:

Você também pode usar traços nos dois lados da PCB e costurá-los, o que pode torná-los com apenas 1,5 mm de largura.

A maior parte da resistência de 1,2 mΩ está no pequeno loop nos pinos inferiores para que os sensores de efeito Hall funcionem. O isolamento de 2,1 kVRMS é o gap Epoxy incorporado.

Deve levar essa corrente, mas não muito longe.

Portanto, o restante do loop atual depende do seu design.

Por design, você mantém a área atual do circuito pequena e curta com o plano de terra ou de energia ou descarrega para contatos de 1 mΩ e cabos pesados ​​similares etc.

Geralmente, as derivações de corrente DIY diminuem 50mV no máximo para limitar a dissipação de energia de um resistor de derivação de energia e, em seguida, usam ganho de alta tensão. Este IC cai apenas 24mV, portanto a dissipação a 20A é de apenas 480mW.

Também é isolado galvanicamente. Portanto, existem muitas vantagens e a Allegro é especializada em compensar os efeitos não lineares dos sensores da Hall por tolerâncias de erro razoáveis.

O diabo está nos detalhes. Só porque o sensor pode medir até 20A, não significa que você deveria.

Por que você não deveria? se você estiver usando esse sensor para alguma forma de controle e sua corrente alvo for 20A, você não desejaria um sensor que medisse apenas 20A, pois perderá os detalhes da medição. Da mesma forma, você não teria indicação de sobrecorrente.

Normalmente, você escolheria um sensor 20A quando desejar medir / controlar 10-15A. Isso ajuda a reduzir o estresse atual nos pinos.

No entanto, você ficará surpreso com a quantidade de corrente que esses pinos podem suportar. Se você ler a folha de dados, poderá ver que a resistência associada a esse loop é de 1,2mR, o que colocaria as perdas em 480mW. Este é um lote enorme e teria que ser retirado do dispositivo, e isso seria feito através dos traços conectados. Os pinos e a conexão associada também podem sobreviver a 5x a corrente nominal.

Basicamente, há uma diferença entre ser capaz de medir e ser capaz de medir continuamente. Se você quisesse usar esse dispositivo para medição contínua, seria necessário fornecer gerenciamento térmico adequado para manter o chip e as conexões adjacentes dentro dos limites da folha de dados.

Quanto aos traços. O IPC-2152 indica como a largura dos traços precisa ser para transportar essa corrente, para uma determinada empresa

Traço de 0,5 Oz -> 60 mm de largura.
1 oz -> 30 mm de largura.
2 oz -> 17 mm de largura.
3 oz -> 12 mm de largura.
4 oz -> 7,5 mm de largura.

Da mesma forma, isso pode ser realizado em várias camadas para compartilhar a corrente de carga

Com relação à remoção de calor, um quadrado de folha de cobre de espessura padrão (1 onça por pé quadrado, 1,4mils de espessura ou 35 mícrons de espessura) possui resistência térmica de ponta a ponta de 70 graus centígrados por watt. Você pode planejar a remoção de calor desses CIs de medição de corrente.

Primeiro, existem dois pinos no dispositivo que transportam a corrente, e os projetistas certamente garantiram que a corrente seja dividida igualmente entre os dois.

Dois pinos representam cerca de 0,8 mm² de cobre, correspondendo aproximadamente a AWG20 . Como você pode ver, eles devem suportar cerca de 50A por 10s antes de derreterem, então 20A não é impossível, embora seja bastante alto.