今天，可以使用幾種能夠?qū)⒋艌?chǎng)轉(zhuǎn)換為成比例電壓的技術(shù)。磁性傳感器已用于各個(gè)領(lǐng)域的不同應(yīng)用，包括磁性編碼器、電子羅盤(pán)、絕對(duì)角度傳感器、簡(jiǎn)單的開(kāi)/關(guān)開(kāi)關(guān)和電流感測(cè)。

霍爾效應(yīng)由 Edwin Hall 于 1879 年首次發(fā)現(xiàn)，多年來(lái)已成功并廣泛用于構(gòu)建固態(tài)磁傳感器。然而，它已經(jīng)達(dá)到了一些限制，迫使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員開(kāi)發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)要求的新技術(shù)，例如低功耗、高靈敏度和準(zhǔn)確性以及可承受的成本。

能夠滿(mǎn)足這些要求的新技術(shù)基于磁阻 (MR) 效應(yīng)，這是一種材料（如鐵、鎳和鈷）在磁場(chǎng)下改變其電值的特性。改變材料的磁化強(qiáng)度會(huì)改變電子在其中移動(dòng)的方式，從而導(dǎo)致設(shè)備電阻發(fā)生變化。根據(jù)磁性材料內(nèi)部的磁化方式，MR 效應(yīng)具有不同的特征。

從 MR 中分離出來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)是隧道磁阻 (TMR) 效應(yīng)，它是由宮崎照信教授在 1990 年代發(fā)現(xiàn)的。如圖 1 所示，TMR 傳感器元件由極薄的納米級(jí)非磁性絕緣層組成，夾在兩個(gè)鐵磁層之間。電子從一層鐵磁層穿過(guò)絕緣層到達(dá)另一層。這是量子力學(xué)在起作用的一個(gè)例子。當(dāng)兩種鐵磁材料的磁化方向平行時(shí)，電阻減小，反平行時(shí)，電阻增大。

圖 1：由兩個(gè)鐵磁體和一個(gè)隧道層組成的 TMR 結(jié)（來(lái)源：Crocus Technology）

番紅花科技

Crocus Technology 基于其在工業(yè)和消費(fèi)電子應(yīng)用中獲得專(zhuān)利的 XtremeSense TMR 技術(shù)，提供多種磁性傳感器選擇。XtremeSense TMR 技術(shù)是 Crocus 磁傳感器系列的核心，其中包括集成磁開(kāi)關(guān)和電流傳感器。

根據(jù) Crocus 的說(shuō)法，XtremeSense TMR 技術(shù)提供的主要優(yōu)勢(shì)是：

高 SNR（電流傳感器中的 5mA 分辨率）

低功耗（開(kāi)關(guān)中為 110 nA）

溫度穩(wěn)定性（小于 40ppm/°C）

“對(duì)電流傳感的需求不斷增加，特別是對(duì)于需要運(yùn)行更快、更準(zhǔn)確和延遲更少的架構(gòu)——這就是我們真正看到 Crocus 設(shè)備推出的地方，”銷(xiāo)售和營(yíng)銷(xiāo)副總裁 Tim Kaske 說(shuō)在 Crocus Technology。

TMR 具有多種特性，可用作電流傳感器。由于 TMR 效應(yīng)，TMR 傳感器的電阻會(huì)根據(jù)外部磁場(chǎng)發(fā)生變化。當(dāng)與最先進(jìn)的 CMOS 電路相結(jié)合時(shí)，基于 TMR 的傳感器可用作具有出色線(xiàn)性度和熱性能的高 SNR 傳感器。TMR 傳感器的這些特性使其可用作接觸式或非接觸式電流傳感器。

TMR 傳感器用例

需要準(zhǔn)確可靠的電流檢測(cè)解決方案的關(guān)鍵應(yīng)用是功率因數(shù)校正 (PFC)，該電路在許多電源應(yīng)用（例如電源）中已成為強(qiáng)制性要求，以提高效率，出于同樣的原因，國(guó)際法規(guī)要求，例如歐洲的 EN61000-3-2。與沒(méi)有功率因數(shù)校正的電源相比，包含 PFC 級(jí)的電源可以提供更高的輸出負(fù)載電流。PFC 可以顯著降低交流電流諧波，幾乎只留下與電壓波形同相的“基本”電流頻率。

Kaske 說(shuō)：“我們確實(shí)看到了我們正在進(jìn)入的關(guān)鍵應(yīng)用之一是帶有 GaN MOSFET 的 CCM 圖騰柱 PFC。” “我想說(shuō) PFC 階段在過(guò)去 10 年里沒(méi)有太多更新，但是現(xiàn)在，隨著圖騰柱架構(gòu)和能夠支持它的新控制器，新的機(jī)會(huì)正在打開(kāi)，例如車(chē)載和離線(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)-板載充電器、計(jì)算和數(shù)據(jù)中心。”

標(biāo)準(zhǔn)電流檢測(cè)解決方案，例如基于分流電阻器、放大器和數(shù)字隔離器的解決方案，顯示出一些可以通過(guò)使用 TMR 傳感器克服的限制，將 PCB 上的占位面積縮小 2 倍到 5 倍。

Kaske 說(shuō)：“其他一直使用霍爾傳感器進(jìn)行電流感應(yīng)的工程師現(xiàn)在看到，我們可以為他們的系統(tǒng)在精度、帶寬、延遲和整體效率方面提供顯著優(yōu)勢(shì)。”

典型有源 PFC 的框圖如圖 2 所示。二極管橋?qū)⑤斎虢涣麟妷恨D(zhuǎn)換為直流電壓，而 PFC 級(jí)則插入線(xiàn)路和主轉(zhuǎn)換器之間。它充當(dāng)預(yù)轉(zhuǎn)換器（通常是升壓轉(zhuǎn)換器），從電源汲取正弦電流并在輸出中提供直流電壓。

圖 2：典型的有源 PFC 級(jí)示意圖（來(lái)源：Crocus Technology）

CCM 圖騰柱 PFC，如圖 3 所示，使用兩個(gè) GaN MOSFET，S1 和 S2，配置為高頻半橋。S3 和 S4 采用同步 MOSFET 以工頻為主導(dǎo)。采用該解決方案的主要好處是效率高、功率損耗低和組件數(shù)量減少。更高頻率的軟開(kāi)關(guān)解決方案需要一個(gè)能夠檢測(cè)快速瞬變以防止?jié)撛诩?jí)聯(lián)故障的電流傳感器。該電路僅使用一個(gè)雙向電流傳感器 (i L ) 來(lái)檢測(cè)正半周和負(fù)半周的電流。

圖 3：CCM 圖騰柱 PFC（來(lái)源：Crocus Technology）

圖 4：TMR 傳感器與基于霍爾的傳感器（來(lái)源：Crocus Technology）

根據(jù) Crocus 的說(shuō)法，XtremeSense TMR 傳感器是此應(yīng)用的理想解決方案，因?yàn)樗峁?/p>

控制器的高 SNR 和干凈的信號(hào)

通過(guò)載流導(dǎo)體的低功率損耗

1MHz 帶寬、低相位延遲和快速輸出響應(yīng)時(shí)間 (300 ns) 用于測(cè)量

可編程過(guò)流檢測(cè)和故障引腳，為 MCU 提供電流信息

使用雙向感應(yīng)測(cè)量正負(fù)電流

高壓隔離（5 kV）確保安全

“另一個(gè)我們看到巨大機(jī)遇的市場(chǎng)是太陽(yáng)能，該領(lǐng)域廣泛使用電流互感器，提供高安全性和良好的隔離性，”Kaske 說(shuō)。“我們認(rèn)為這是一個(gè)我們可以與非接觸式電流傳感器競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)，提供相同或更好的隔離和更高的精度。”

　　審核編輯：湯梓紅