Крошечные датчики полезны для приложений измерения тока

Сегодня доступно несколько методов преобразования магнитного поля в пропорциональное напряжение. Магнитные датчики используются в различных приложениях в различных секторах, включая магнитные энкодеры, электронные компасы, датчики абсолютного угла, простые переключатели включения / выключения и измерения тока.

Эффект Холла, впервые обнаруженный Эдвином Холлом в 1879 году, в течение многих лет успешно и широко использовался для создания твердотельных магнитных датчиков. Однако он достиг некоторых ограничений, которые вынуждают разработчиков систем разрабатывать новые технологии, способные удовлетворить целевые требования, такие как низкое энергопотребление, высокая чувствительность и точность, а также доступная стоимость.

Новые технологии, отвечающие этим требованиям, основаны на эффекте магнитосопротивления (MR), который является свойством материала (такого как железо, никель и кобальт) изменять свое электрическое значение под действием магнитного поля. Изменение намагниченности материала изменяет способ перемещения электронов внутри него, что приводит к изменению электрического сопротивления устройства. Эффект MR имеет разные особенности в зависимости от того, как внутренняя часть магнитного материала была намагничена.

Новейшая технология, созданная на основе MR, - это эффект туннельного магнитосопротивления (TMR), открытый профессором Терунобу Миядзаки в 1990-х годах. Как показано на рисунке 1, сенсорный элемент TMR состоит из чрезвычайно тонкого немагнитного изоляционного слоя нанометрового уровня, зажатого между двумя ферромагнитными слоями. Электроны проходят через изолирующий слой от одного ферромагнитного слоя к другому. Это пример действия квантовой механики. Когда направления намагничивания двух ферромагнитных материалов параллельны, сопротивление уменьшается, а когда они антипараллельны, сопротивление увеличивается.

Рис. 1. Соединение TMR, состоящее из двух ферромагнетиков и туннельного слоя (Источник:Crocus Technology)

Крокус Технологии

Crocus Technology предлагает широкий выбор магнитных датчиков на основе запатентованной технологии XtremeSense TMR для применения в промышленной и бытовой электронике. Технология XtremeSense TMR лежит в основе семейства магнитных датчиков Crocus, которое включает в себя встроенные магнитные переключатели и датчики тока.

По словам Крокуса, основными преимуществами технологии XtremeSense TMR являются:

• Высокое соотношение сигнал / шум (разрешение 5 мА в датчиках тока)
• Низкое энергопотребление (110 нА в переключателях)
• Температурная стабильность (менее 40 частей на миллион / ° C)

«Спрос на текущие измерения продолжает расти, особенно для архитектур, которые должны работать быстрее, быть более точными и иметь меньшую задержку - вот где мы действительно видим появление устройств Crocus», - сказал Тим Каске, вице-президент по продажам и маркетингу. в компании Crocus Technology.

TMR предлагает несколько характеристик, которые позволяют использовать его в качестве датчика тока. Из-за эффекта TMR сопротивление датчика TMR изменяется в зависимости от внешнего магнитного поля. В сочетании с современной схемой КМОП датчики на основе TMR могут использоваться в качестве датчиков с высоким отношением сигнал / шум с превосходной линейностью и тепловыми характеристиками. Эти характеристики датчика TMR позволяют использовать его в качестве контактного или бесконтактного датчика тока.

Пример использования датчика TMR

Ключевым приложением, которое требует точных и надежных решений для измерения тока, является коррекция коэффициента мощности (PFC), схема, которая стала обязательной во многих приложениях питания (например, в источниках питания) для повышения эффективности и, по той же причине, требуется согласно международным нормам, таким как EN61000-3-2 в Европе. Источник питания, включающий каскад PFC, может обеспечивать более высокие выходные токи нагрузки, чем источники без коррекции коэффициента мощности. PFC может значительно уменьшить гармоники переменного тока, оставляя почти только «основную» частоту тока, которая синфазна с формой волны напряжения.

«Мы действительно видим, что одним из ключевых приложений, к которому мы движемся, является тотемный PFC CCM с GaN MOSFET», - сказал Каске. «Я бы сказал, что стадия PFC не претерпевала много обновлений за последние 10 лет, но теперь, с архитектурой тотемного столба и новыми контроллерами, способными ее поддерживать, открываются новые возможности, такие как электромобили на борту и вне его. -бортовые зарядные устройства, вычислительные машины и центры обработки данных ».

Стандартные решения для измерения тока, например, на основе шунтирующих резисторов, усилителей и цифровых изоляторов, демонстрируют несколько ограничений, которые можно преодолеть, используя датчики TMR, уменьшая площадь основания на печатной плате в 2–5 раз.

«Другие инженеры, которые использовали датчик Холла для измерения тока, теперь видят, что мы можем предложить значительное преимущество для их системы с точки зрения точности, пропускной способности, задержки и общей эффективности», - сказал Каске.

Блок-схема типичного активного PFC показана на рисунке 2. Диодный мост преобразует входное переменное напряжение в постоянное, а каскад PFC вставлен между линией и основным преобразователем. Он действует как предварительный преобразователь (обычно повышающий преобразователь), потребляющий синусоидальный ток из сети и обеспечивающий на выходе постоянное напряжение.

Рис. 2. Схема типичной активной ступени коррекции коэффициента мощности (Источник:Crocus Technology)

PFC с тотемным полюсом CCM, показанный на рисунке 3, использует два GaN-полевых МОП-транзистора, S1 и S2, сконфигурированных как высокочастотный полумост. S3 и S4 - это светодиоды линейной частоты с синхронными полевыми МОП-транзисторами. Основными преимуществами этого решения являются высокая эффективность, низкие потери мощности и уменьшенное количество компонентов. Для решений с мягким переключением более высокой частоты требуется датчик тока, который может обнаруживать быстрые переходные процессы для предотвращения потенциальных каскадных отказов. В этой схеме используется только один двунаправленный датчик тока (i _L ) для измерения тока в положительном полупериоде и отрицательном полупериоде.

Рис. 3. Тотемный столб PFC CCM (Источник:Crocus Technology)

По словам Крокуса, датчик XtremeSense TMR является идеальным решением для этого приложения, поскольку он обеспечивает:

• Высокое SNR и чистый сигнал для контроллера.
• Низкие потери мощности через токоведущий провод
• Полоса пропускания 1 МГц с низкой фазовой задержкой и малым временем отклика выходного сигнала (300 нс) для измерений.
• Программируемое обнаружение перегрузки по току и вывод неисправности для передачи текущей информации на микроконтроллер.
• Измерение как положительного, так и отрицательного тока с помощью двунаправленного измерения.
• Высоковольтная изоляция (5 кВ) для обеспечения безопасности.

«Еще один рынок, на котором мы видим большие возможности, - это солнечная энергия, сектор, где широко используются трансформаторы тока, обеспечивающие высокую безопасность и хорошую изоляцию», - сказал Каске. «Мы думаем, что это рынок, на котором мы можем конкурировать с бесконтактными датчиками тока, предлагая такую ​​же или лучшую изоляцию и более высокую точность».

>> Эта статья изначально была опубликована на нашем дочернем сайте Power Electronics News.

---

Связанное содержание:

• Основы цифровых магнитных датчиков
• 3D-магнитное зондирование помогает управлять автомобилем.
• Infineon запускает первые магнитные датчики на основе технологии TMR.
• Датчики на эффекте Холла поддерживают промышленные приложения в реальном времени.
• Надежное питание медицинского устройства с батарейным питанием.
• Датчик Холла нацелен на важные для безопасности автомобильные системы.

Чтобы получить больше информации о Embedded, подпишитесь на еженедельную рассылку Embedded по электронной почте.