汽车级高精度无芯电流传感器 TLE4971

在电子工程师日常的硬件设计工作中，电流传感器是至关重要的组件。今天要为大家介绍英飞凌（Infineon）推出的 TLE4971 高精度无芯电流传感器，它专为汽车应用而设计，采用 8x8mm 贴片封装，拥有诸多出色特性。

文件下载：Infineon Technologies TLE4971 XENSIV™无芯电流传感器.pdf

1. 产品特性与优势

1.1 低功耗与低寄生电感

TLE4971 集成了典型插入电阻为 220µΩ 的电流轨，这使得它能够实现超低的功率损耗。同时，其寄生电感小于 1nH，有助于减少信号干扰和能量损失，在设计中能够有效提升系统的稳定性和效率。我们在设计电源相关电路时，这种低功耗和低寄生电感特性会让我们少很多后顾之忧。

1.2 小巧封装与高集成性

它采用 8x8mm 的 SMD 封装，是同类型产品中体积最小的之一。这种小巧的封装形式不仅便于集成到各类电路板中，还能节省宝贵的电路板空间。对于那些对空间要求较高的汽车电子应用，如车载充电器等，TLE4971 无疑是一个理想的选择。

1.3 高精度与宽频带

该传感器具备高精度、可扩展的直流和交流电流传感能力。其 210kHz 的带宽能够满足广泛的应用需求，无论是快速变化的电流信号，还是稳定的直流电流，TLE4971 都能准确测量。而且在不同温度环境下，它的灵敏度误差非常低，保证了测量结果的准确性和可靠性。

1.4 电气隔离性能

TLE4971 具有高达 1150V 峰值的 VIORM 电气功能隔离能力，能够有效隔离不同电路之间的电气干扰，提高系统的安全性和稳定性。在汽车电子系统中，电气隔离是非常重要的，它可以防止故障在不同电路之间蔓延，保护整个系统的正常运行。

2. 产品描述

TLE4971 是一款用于交流和直流测量的高精度微型无芯磁电流传感器，具有模拟接口和两个快速过流检测输出。它采用了英飞凌成熟且可靠的单片霍尔技术，能够实现对高达 ±120A 满量程电流的精确和高线性测量。同时，传感器还具备内部自我诊断功能，可以及时发现自身的故障并进行报警。

在典型应用方面，TLE4971 适用于车载充电器以及各种类型的驱动器。其差分测量原理能够有效抑制杂散磁场的干扰，使其在恶劣环境下也能稳定工作。两个独立的接口引脚（OCD）可以在电流超过预设阈值时提供快速输出信号，方便系统及时采取保护措施。另外，该传感器出厂时已进行全面校准，无需客户进行额外的生产线末端校准，这大大简化了生产流程。所有用户可编程参数，如 OCD 阈值、消隐时间和输出配置模式等，都存储在嵌入式 EEPROM 存储器中，方便用户进行灵活配置。

3. 订货信息

TLE4971 提供了多种不同量程的产品供用户选择，具体信息如下表所示：	Product Name	Product Type	Marking	Ordering Code	Package
TLE4971 - A120N5 - E0001	120A range	H71E1A1_N	SP005737183	PG - TISON - 8 - 5
TLE4971 - A075N5 - E0001	75A range	H71E3A1_N	SP005737179	PG - TISON - 8 - 5
TLE4971 - A050N5 - E0001	50A range	H71E4A1_N	SP005737136	PG - TISON - 8 - 5
TLE4971 - A025N5 - E0001	25A range	H71E6A1_N	SP005737132	PG - TISON - 8 - 5
TLE4971 - A120N5 - U - E0001	120A range, UL - certified	H71E1A1UN	SP005737204	PG - TISON - 8 - 5
TLE4971 - A075N5 - U - E0001	75A range, UL - certified	H71E3A1UN	SP005737200	PG - TISON - 8 - 5
TLE4971 - A050N5 - U - E0001	50A range, UL - certified	H71E4A1UN	SP005737196	PG - TISON - 8 - 5
TLE4971 - A025N5 - U - E0001	25A range, UL - certified	H71E6A1UN	SP005737188	PG - TISON - 8 - 5

大家可以根据实际的应用需求选择合适量程的产品。

4. 引脚配置

TLE4971 采用 PG - TISON - 8 封装，其引脚配置如下：	Pin No.	Symbol	Function
1	VDD	Supply voltage
2	GND	Ground
3	VREF	Reference voltage input or output
4	AOUT	Analog signal output
5	OCD1	Over - current detection output 1 (open drain output)
6	OCD2	Over - current detection output 2 (open drain output)
7	IP - pin (current - out)	Negative current terminal
8	IP + pin (current - in)	Positive current terminal

当电流从引脚 8（+）通过集成电流轨流向引脚 7（-）时，测量的电流 IPN 为正值。在实际设计中，正确理解和使用这些引脚是确保传感器正常工作的关键。你在使用过程中有没有遇到过引脚连接方面的问题呢？

5. 目标应用

TLE4971 适用于交流和直流电流测量应用，包括车载充电器（OBC）、驱动器、伺服系统、电机控制、逆变器、电动滑板车、电动自行车以及轻型电动车等。同时，它还可用于电流监测、过载和过流检测等方面。

由于其采用了磁干扰抑制技术，该传感器在受到外部磁场干扰时表现出极高的鲁棒性。此外，它还支持可配置阈值的快速过流检测功能，允许控制单元独立于主测量路径关闭并保护受影响的系统，避免因过流而造成损坏。

6. 标准产品配置

不同量程的 TLE4971 产品在标准配置上有所差异，具体参数如下表所示：	Parameter	TLE4971 - A120xxx	TLE4971 - A075xxx	TLE4971 - A050xxx	TLE4971 - A025xxx
Full scale range 1)	±120A	±75A	±50A	±25A
Output mode	Quiescent voltage Semi - differential 1.65V	Quiescent voltage Semi - differential 1.65V	Quiescent voltage Semi - differential 1.65V	Quiescent voltage Semi - differential 1.65V
OCD1 threshold factor 2)	1.25	1.25	1.25	1.25
OCD2 threshold factor 2)	0.82	0.82	0.82	0.82
OCD filter time both channels 2)	0µs	0µs	0µs	0µs
Ratiometric mode	No	No	No	No

这里的 1) 和 2) 对应的可选值在文档的其他表格中有详细说明，大家在进行配置时需要仔细参考。

7. 功能输出描述

TLE4971 的模拟输出信号取决于所选的输出模式，包括单端模式、全差分模式和半差分模式。

7.1 单端输出模式

在单端模式下，VREF 作为输入引脚提供模拟参考电压。AOUT 引脚上的电压 VAOUT 与电流轨上测量的电流 IPN 成正比，其计算公式为 (V{AOUT }(I{P N})=V{O Q}+S cdot I{P N})，其中 (V{OQ}) 是 (I{P N}=0) 时 VAOUT 的值，且 (V{O Q}left(V{R E F}right)=V{R E F})。通过设置不同的参考电压值，可以实现双向或单向电流传感。默认情况下，灵敏度与 VREF 是非比例关系，如果启用比例关系，则灵敏度的计算公式为 (Sleft(V{R E F}right)=Sleft(V{R E F N O M}right) cdot frac{V{R E F}}{V_{R E F N O M}})。

7.2 全差分输出模式

在全差分输出模式下，VREF 和 AOUT 都是模拟输出，以实现双倍的电压摆幅。AOUT 是同相输出，VREF 是反相输出，计算公式为 (V{AOUT }(I{P N})=V{QAOUT }+Scdot I{PN}) 和 (V{REF}(I{PN})=V{QREF}-Scdot I{PN})。静态电压由电源引脚 VDD 和 GND 得出，且在 AOUT 和 VREF 上具有相同的值，即 (V{Q A O U T}left(V{D D}right)=V{Q R E F}left(V{D D}right)=frac{V{D D}}{2})。如果启用比例关系，全差分模式下的灵敏度与 VDD 成比例，计算公式为 (Sleft(V{D D}right){diff }=S(3.3 V){diff } cdot frac{V_{D D}}{3.3 V})。

7.3 半差分输出模式

在半差分输出模式下，传感器使用芯片内部参考电压生成静态电压，并通过 VREF 引脚输出。模拟测量结果以单端输出信号的形式出现在 AOUT 引脚上。灵敏度和输出偏移对参考电压的依赖关系与单端输出模式相同。静态电压可以编程为 3 个不同的值，分别适用于双向电流和单向电流。

8. 快速过流检测（OCD）

8.1 OCD 功能概述

TLE4971 的过流检测（OCD）功能能够快速检测过流事件。霍尔探头的原始模拟输出直接输入到具有可编程开关阈值的比较器中。同时，还实现了用户可编程的消毛刺滤波器，用于抑制快速开关瞬变。两个不同的开漏 OCD 引脚为低电平有效，可以在电路板层面直接组合成线与（wired - AND）配置，以提供通用的过流检测信号。该传感器支持两个独立的可编程 OCD 输出，能够满足不同的应用需求。

8.2 OCD 引脚连接

OCD 引脚可以连接到微控制器的逻辑输入引脚和/或栅极驱动器，以便快速响应过流事件。它们被设计为开漏输出，便于设置线与配置，并且允许通过一个微控制器引脚监测多个电流传感器的输出。

8.3 OCD 阈值设置

OCD 输出的对称阈值水平是可调节的，当出现正或负过流时会触发过流事件。可能的阈值水平在文档的表格 7 和表格 8 中有详细列出，具体的设置说明可以在 TLI4971 编程指南和 TLE4971 附录中找到。

8.4 OCD 输出时序

两个输出引脚都配备了消毛刺滤波器，以避免电流轨上的噪声尖峰导致误触发。消毛刺滤波器的设置可以根据应用需求进行编程，可用选项在表格 7 和表格 8 中列出。在过流事件发生时，OCD 输出引脚的典型行为如图 3 所示。不同持续时间的过流脉冲会有不同的响应，只有当脉冲持续时间超过一定阈值时，才会触发 OCD 事件。你在实际应用中是如何设置 OCD 阈值和消毛刺滤波器的呢？

9. 欠压/过压检测

TLE4971 能够检测自身电源（VDD）的欠压或过压情况。当检测到欠压（(V{DD}{VLOH})）或过压（(V{DD}>O{VLOH})）时，两个 OCD 引脚会被拉低，以向用户发出信号。需要注意的是，仅当 (V{DD}>V{DD,OCD}) 时，才会对 OCD 引脚进行欠压检测。在启动时，两个 OCD 引脚会被拉低，当 VDD 超过欠压阈值 (UVLOH_R) 且达到上电延迟时间 tPOR 后，传感器会释放 OCD 引脚，表明其正常工作且具有高精度。

10. 隔离特性

TLE4971 符合功能隔离要求，其隔离特性参数如下表所示：	Parameter	Symbol	Min	Typ	Max	Unit	Note / Test Conditions
Maximum rated working voltage (sine wave) 1)2)3)	V IOWM	-	-	690	V	RMS, @ 4000m altitude
Maximum rated working voltage (sine wave) 1)2)3)	V IOWMP	-	-	975	V	Peak, @ 4000m altitude
Maximum repetitive isolation voltage 2)3)	V IORM	-	-	1150	V	Max DC voltage, spike, @ 4000m altitude
Apparent charge voltage capability (method B) 2)3)	V PDtest	1500	-	-	V	Partial discharge < 5pC peak @ 0m altitude
Isolation test voltage 3)4)	V ISO	3500	-	-	V	RMS, 60s
Isolation production test voltage 4)	V ISOP	3000	-	-	V	RMS, in production, 1.2s, UL certified version
Isolation pulse test voltage 3)	V pulse	6500	-	-	V	Peak, rise time = 1.2µs, fall time = 50µs
Minimum external creepage distance	CPG	4	-	-	mm
Minimum external clearance distance	CLR	4	-	-	mm
Minimum comparative tracking index	CTI	Material group II	-	-	-
Isolation resistance 3)	R IO	10	-	-	GΩ	U IO = 500V DC, 1min

这些参数表明 TLE4971 在隔离性能方面表现出色，能够满足汽车电子系统对电气隔离的严格要求。

11. 系统集成与典型性能

11.1 系统集成

文档中给出了 TLE4971 在不同配置下的应用电路图，包括单端配置的三相系统应用电路、差分配置的三相系统应用电路以及带有外部组件的应用电路。为了限制带宽，建议在应用电路中使用外部滤波器。这些电路示例为我们在实际设计中提供了很好的参考，大家可以根据具体的应用场景进行选择和调整。

11.2 典型性能特性

文档还给出了 TLE4971 在不同测量范围下的偏移误差、灵敏度误差、增益和相位随温度和频率变化的典型性能曲线。通过这些曲线，我们可以直观地了解传感器在不同工作条件下的性能表现，从而更好地进行系统设计和优化。例如，在不同温度下，传感器的偏移误差和灵敏度误差会有一定的变化范围，我们可以根据实际需求对这些误差进行补偿。

12. 封装与修订历史

12.1 封装

TLE4971 采用 RoHS 合规、无卤无铅封装（类似 QFN），文档中给出了 PG - TISON - 8 - 5 封装的具体尺寸图，方便我们进行 PCB 设计。

12.2 修订历史

文档记录了 TLE4971 数据手册的修订历史，包括每次修订的日期和内容描述。这有助于我们了解产品的发展历程和改进情况，在使用最新版本的数据手册时能够更加准确地掌握产品的特性和参数。

总的来说，英飞凌的 TLE4971 高精度无芯电流传感器在汽车应用领域具有诸多优势，无论是性能还是封装都能满足我们的设计需求。在实际应用中，我们需要根据具体的应用场景和要求，合理选择量程、配置参数，并注意引脚连接和系统集成等方面的问题。希望这篇文章能对大家在使用 TLE497