Крошечные TMR-сенсоры трансформируют измерение тока: высокая точность, низкое потребление, компактность

Сегодня ряд технологий может преобразовывать магнитные поля в пропорциональные напряжения, обеспечивая разнообразные приложения — от магнитных энкодеров до измерения тока.

Эффект Холла, открытый Эдвином Холлом в 1879 году, долгое время питал твердотельные магнитные сенсоры. Однако его ограничения — более высокое потребление энергии, ограниченная чувствительность и стоимость — стимулировали поиск более эффективных альтернатив.

На смену приходит магнитосопротивление (MR), феномен, при котором электрическое сопротивление материала меняется под воздействием магнитного поля. Эффект MR варьируется в зависимости от внутренней намагниченности материала, открывая новые пути для дизайна сенсоров.

Прорывным производным MR является туннельное магнитосопротивление (TMR). Открытое профессором Тэрунобу Миязаки в 1990-х годах, TMR-сенсор состоит из двух ферромагнитных слоев, разделенных нанометровым тонким изолирующим барьером. Когда намагниченность слоев совпадает, сопротивление падает; когда они противоположны, сопротивление растет — элегантный квантово-механический эффект.

Рисунок 1: TMR-переход, состоящий из двух ферромагнитных слоев и туннельного слоя (Источник: Crocus Technology)

Crocus Technology

Crocus Technology использует свою запатентованную платформу XtremeSense TMR для поставки магнитных сенсоров как для промышленной, так и для потребительской электроники. Семейство XtremeSense включает интегрированные переключатели и датчики тока, которые выделяются по производительности и занимаемому месту.

Ключевые преимущества XtremeSense TMR:

• Исключительное отношение сигнал/шум — разрешение 5 мА в измерении тока.
• Ультра-низкое потребление — 110 нА в режиме переключателя.
• Надежная температурная стабильность — < 40 ppm/°C.

«Спрос на высокоскоростное, точное, низколатентное измерение тока растет — особенно в архитектурах силовой электроники», — говорит Тим Каске, вице-президент по продажам и маркетингу Crocus.

TMR-сенсоры естественно подходят для роли датчиков тока. Их сопротивление меняется с окружающим магнитным полем, и в сочетании с современной CMOS-схемой они обеспечивают измерения с высоким SNR, линейностью и термической стабильностью — идеально для контактных и бесконтактных приложений.

Вариант использования TMR-сенсора

Коррекция коэффициента мощности (PFC) — критическая технология в блоках питания, предписываемая стандартами вроде EN 61000-3-2. Каскад PFC повышает способность нагрузки к току, подавляя гармоники переменного тока, выдавая чистый, фазово согласованный ток.

Каске отмечает: «Мы нацелены на CCM totem-pole PFC с GaN MOSFET — область, в которой почти не было эволюции десятилетием. Новые контроллеры теперь поддерживают эту архитектуру, открывая двери к зарядным станциям ЭВ, вычислениям и центрам обработки данных».

Традиционное шунтовое измерение тока вносит ограничения — размер, потери мощности и ограничения полосы пропускания. Решения на базе TMR могут уменьшить площадь печатной платы в два или четыре раза, обеспечивая превосходную точность, полосу пропускания и задержку.

«Инженеры, полагавшиеся на датчики Холла, теперь видят, как TMR предлагает качественный скачок в производительности по точности, полосе пропускания и эффективности», — добавляет Каске.

Блок-схема стандартного активного PFC приведена на Рисунке 2. Диодный мост выпрямляет переменный вход в постоянный, а предварительный преобразователь (обычно повышающий) вытягивает синусоидальный ток из сети, выдавая постоянный выход.

Рисунок 2: Схема типичного активного каскада PFC (Источник: Crocus Technology)

CCM totem-pole PFC, изображенный на Рисунке 3, использует два GaN MOSFET (S1 и S2) в высокочастотном полумосте, в то время как S3 и S4 обрабатывают линейно-частотное синхронное переключение. Его преимущества — высокая эффективность, низкие потери и сокращение числа компонентов — делают его привлекательным для современных силовых систем. Конструкция требует датчика тока, способного захватывать быстрые переходные процессы для предотвращения каскадных сбоев, используя один двунаправленный сенсор для мониторинга обеих половин цикла.

Рисунок 3: CCM totem-pole PFC (Источник: Crocus Technology)

По словам Crocus, сенсоры XtremeSense TMR — идеальный выбор для этого приложения, предлагая:

• Высокий SNR и чистый выход к контроллеру.
• Минимальные потери на проводимость.
• Полосу пропускания 1 МГц, низкую фазовую задержку и время нарастания 300 нс для быстрого измерения.
• Программируемое обнаружение перегрузки и вывод ошибки для интеграции с MCU.
• Двунаправленное 감мрование положительных и отрицательных токов.
• Изоляцию 5 кВ для безопасности.

«Солнечная энергетика — еще один плодородный грунт», — говорит Каске. «Трансформаторы тока обеспечивают изоляцию и безопасность, но TMR может конкурировать — предлагая сравнимую изоляцию с более высокой точностью».

> Эта статья была первоначально опубликована на нашем партнерском сайте, Power Electronics News.

Связанные материалы:

• Основы цифровых магнитных сенсоров
• 3D магнитное 감мрование помогает автомобильному контролю
• Infineon запускает первые магнитные сенсоры на базе технологии TMR
• Датчики Холла поддерживают промышленные приложения в реальном времени
• Надежное включение батарейного медицинского устройства
• Датчик Холла нацелен на критические для безопасности автомобильные системы

Для получения дополнительного контента Embedded подпишитесь на еженедельную рассылку Embedded.