AN178 - MCS180x系列电流传感器在超过额定电流时的瞬态行为
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摘要
本应用说明描述了MCS180x系列电流传感器的瞬态行为，以及MCS180x应对电流尖峰（例如原边电路短路）的能力。
应用产品
| 产品型号 | 封装 |
| MCS1800 | SOIC-8 |
| MCS1801 | SOIC-8 |
| MCS1802 | SOIC-8 |
| MCS1803 | SOIC-8 |
| MCS1805 | SOIC-8 |
| MCS1806 | SOIC-8 |
简介
MCS180x 系列传感器专用于±5A至±50A之间的电流采样。当原边电流流过铜引线框架时，在硅芯片中集成的霍尔效应探头中产生磁场。副边电路与原边电路电流隔离（如图1所示）。电流传感器输出与原边电流成比例的输出电压。.
图1: MCS180x电流传感器
MCS180x可以承受高于其额定值一定量的电流。但是，原边导体电阻再小（约 1mΩ）也会散发热量，这可能会导致器件故障。根据流过原边电路的电流量不同，故障条件也可能不同。
故障条件
原边导体的电阻(RT) 随温度 (T) 的增加而线性增长。RT)可以用公式 (1) 来计算：
$${R_T \over R_{25}} = 1 + α (T - 25ºC) $$其中 R25 是环境温度下的电阻， α 是 2.8 x 10-3 1/°C。这意味着恒定电流 (CC) 通过正反馈散热。如果这种热量不能充分散发，则可能引发热失控。这会缩短作为原边电流函数的故障发生前时间。
如果温度超过铜引线框架的熔点，则原边电路导体可能熔化并形成开路。引线框架中产生的热量也会通过封装内部的模塑料扩散到硅芯片中。铜引线框架、模塑料和硅芯片具有不同的降解温度：
- 引线框架（原边导体）熔点：1060°C
- 模塑料的不可逆降解点：约 260°C 至 300°C
- 硅芯片绝对最高温度：165°C
故障何时出现取决于先达到三个降解温度中的哪一个。MCS180x 系列电流传感器的热行为已在SOIC-8封装上进行了数值研究和实验研究。
测量和仿真条件
在数值和实验装置中，MCS180x 均安装在评估板 (1) 上（请参见图2）。其引脚通过焊接凸点与电路板焊盘电连接且热连接。
注：
1) 请参阅MPS官网提供的MCS180x数据手册获取更多信息。
图2：瞬态有限元数值仿真系统
整个系统最初处于室温，将恒定电流（CC）接至铜焊盘。原边导体的电阻 (RT) 取决于温度 (T)（请参见公式1）。施加电流的电响应和热响应通过有限元方法计算。
结果
图3总结了仿真测试的结果。
图3：超过额定电流的MCS180x安全条件和故障条件
超过250A的电流
引线框架温度在大电流下迅速升高。例如，在350A时，铜引线框架在10ms内达到其熔点。由于原边导体一旦熔化就会形成开路，因此通过仿真和实验就可以确定引线框架的破坏点。然而，仿真表明，在引线框架达到其熔点之前，模塑料（引线框架和芯片之间的薄层）就达到其损坏点。即使原边电路和副边电路之间没有短路，隔离层的特性也可能发生不可逆转的改变。为了保障电流传感器的稳定运行，MCS180x必须保持在安全条件范围之内（请参见图3）。
150A和250A之间的电流
对于150A至250A之间的电流，故障发生前时间在10ms至200ms之间。故障机制也可能由靠近原边导体的模塑料区域在达到其损坏温度时触发。因此，填充原边导体和芯片之间间隙的材料可能被损坏，从而导致原边到副边隔离性能的降低。
铜引线框架内部的具体温度分布仿真表明，25ms之后，热量会沿着原边导体通过引脚大量扩散到PCB。因此，25ms之后发生的任何事情都取决于MCS180x与PCB之间的热耦合。对于低于200A的电流，由于故障发生在25ms之后，因此故障条件取决于 IC与PCB之间的热耦合。
50A和150A之间的电流
对于50A到150A之间的电流，热反应会持续到整个器件的温度相同，实现封装内的热平衡。此时，硅芯片是关键的故障机制，因为芯片可能在其他封装组件降解之前超过其绝对最高额定温度 (165°C)。温度为165°C时，隔离性能尚未改变，但传感器特性可能会永久偏离数据手册中的规格。
结论
施加电流可以超过器件的额定值，但持续时间必须限制在电流-时间平面安全区域内的值，以便传感器的每个组件（包括隔离）都保持不变（如图3所示）。
超过25ms，直到10s的时间内，具体的故障机制取决于表面贴装元件和PCB之间的热耦合。只要PCB远大于SOIC-8封装面积，其精确形状就不会起主要作用。 因此，无论PCB的具体几何形状如何，只要正确焊接传感器，则安全条件区域就接近图3中所示的区域。(2)
在此瞬态期间的关键参数是耗散。因此，如果传感器可以暴露在安全范围之外的条件下（如图3所示），则需要考虑原边导体电阻较小的部件。
注：
2) 对于50A以上的电流，PCB形状和热熔体环境会影响器件在直流电流下达到的长期温度。
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