Kleine sensoren komen ten goede aan huidige detectietoepassingen

Tegenwoordig zijn er verschillende technieken beschikbaar om een ​​magnetisch veld om te zetten in een proportionele spanning. Magnetische sensoren zijn gebruikt in verschillende toepassingen in verschillende sectoren, waaronder magnetische encoders, e-kompassen, absolute hoeksensoren, eenvoudige aan/uit-schakelaars en stroomdetectie.

Het Hall-effect, voor het eerst ontdekt door Edwin Hall in 1879, wordt al vele jaren met succes en op grote schaal gebruikt om magnetische sensoren in vaste toestand te bouwen. Het heeft echter een aantal beperkingen bereikt die systeemontwerpers dwingen nieuwe technologieën te ontwikkelen die in staat zijn om aan de gestelde eisen te voldoen, zoals een laag stroomverbruik, hoge gevoeligheid en nauwkeurigheid, en betaalbare kosten.

Nieuwe technologieën die aan die eisen kunnen voldoen, zijn gebaseerd op het magnetoweerstandseffect (MR), dat de eigenschap is van een materiaal (zoals ijzer, nikkel en kobalt) om zijn elektrische waarde onder een magnetisch veld te veranderen. Door de magnetisatie van een materiaal te veranderen, verandert de manier waarop elektronen erin reizen, wat resulteert in een verandering in de elektrische weerstand van het apparaat. Het MR-effect heeft verschillende kenmerken, afhankelijk van hoe de binnenkant van het magnetische materiaal is gemagnetiseerd.

Een nieuwe technologie die voortkomt uit MR is het tunnelmagnetoweerstandseffect (TMR), ontdekt door professor Terunobu Miyazaki in de jaren negentig. Zoals weergegeven in figuur 1 bestaat een TMR-sensorelement uit een extreem dunne niet-magnetische isolatielaag op nanometerniveau, ingeklemd tussen twee ferromagnetische lagen. Elektronen gaan door een isolerende laag van de ene ferromagnetische laag naar de andere. Dit is een voorbeeld van kwantummechanica in actie. Wanneer de magnetisatierichtingen van de twee ferromagnetische materialen parallel zijn, neemt de weerstand af, terwijl wanneer ze antiparallel zijn, de weerstand toeneemt.

Figuur 1:Een TMR-junctie bestaande uit twee ferromagneten en een tunnellaag (Bron:Crocus Technology)

Krokus-technologie

Crocus Technology biedt een brede selectie magnetische sensoren op basis van de gepatenteerde XtremeSense TMR-technologie in industriële en consumentenelektronica-toepassingen. XtremeSense TMR-technologie vormt de kern van de Crocus magnetische sensorfamilie, die geïntegreerde magnetische schakelaars en stroomsensoren omvat.

Volgens Crocus zijn de belangrijkste voordelen van XtremeSense TMR-technologie:

• Hoge SNR (5-mA resolutie in stroomsensoren)
• Laag stroomverbruik (110 nA in schakelaars)
• Temperatuurstabiliteit (minder dan 40ppm/°C)

"De vraag naar huidige detectie blijft toenemen, vooral voor architecturen die sneller moeten werken, nauwkeuriger moeten zijn en minder latentie moeten hebben - dat is waar we echt de introductie van Crocus-apparaten zien", zegt Tim Kaske, vice-president verkoop en marketing bij Crocus Technology.

TMR biedt verschillende kenmerken die het gebruik als stroomsensor mogelijk maken. Door het TMR-effect verandert de weerstand van een TMR-sensor volgens het externe magnetische veld. In combinatie met ultramoderne CMOS-schakelingen kunnen op TMR gebaseerde sensoren worden gebruikt als sensoren met een hoge SNR met uitstekende lineariteit en thermische prestaties. Deze eigenschappen van de TMR-sensoren maken het gebruik als contact- of contactloze stroomsensor mogelijk.

TMR-sensor use case

Een belangrijke toepassing die nauwkeurige en betrouwbare stroomdetectieoplossingen nodig heeft, is vermogensfactorcorrectie (PFC), een circuit dat verplicht is geworden in veel stroomtoepassingen (zoals voedingen) om de efficiëntie te verhogen en om dezelfde reden vereist is door internationale regelgeving, zoals EN61000-3-2 in Europa. Een voeding met een PFC-trap kan hogere uitgangsbelastingsstromen leveren dan die zonder vermogensfactorcorrectie. PFC kan de harmonischen van de wisselstroom aanzienlijk verminderen, waardoor bijna alleen de "fundamentele" stroomfrequentie overblijft, die in fase is met de spanningsgolfvorm.

"We zien echt hoe een van de belangrijkste focustoepassingen waar we naar toe gaan de CCM-totempaal PFC met GaN MOSFET's is", zegt Kaske. "Ik zou zeggen dat de PFC-fase de afgelopen 10 jaar niet veel updates heeft gehad, maar nu, met de totempaalarchitectuur en nieuwe controllers die dit ondersteunen, openen zich nieuwe kansen, zoals EV aan boord en uit -board opladers, computers en datacenters.”

Standaard stroomdetectieoplossingen, zoals die op basis van shuntweerstanden, versterkers en digitale isolatoren, vertonen verschillende beperkingen die kunnen worden overwonnen door het gebruik van TMR-sensoren, waardoor de voetafdruk op de PCB met 2× tot 5× wordt verkleind.

"Andere ingenieurs, die een op Hall gebaseerde sensor hebben gebruikt voor stroomdetectie, zien nu dat we een aanzienlijk voordeel voor hun systeem kunnen bieden op het gebied van nauwkeurigheid, bandbreedte, latentie en algehele efficiëntie", aldus Kaske.

Het blokschema van een typische actieve PFC wordt getoond in figuur 2. De diodebrug zet de ingangswisselspanning om in een gelijkspanning, terwijl de PFC-trap tussen de lijn en de hoofdomzetter wordt geplaatst. Het werkt als een pre-converter (normaal gesproken een boost-converter), trekt een sinusvormige stroom uit het lichtnet en levert een gelijkspanning aan de uitgang.

Figuur 2:Schema van een typische actieve PFC-fase (Bron:Crocus Technology)

De CCM-totempaal PFC, weergegeven in figuur 3, gebruikt twee GaN MOSFET's, S1 en S2, geconfigureerd als een hoogfrequente halve brug. S3 en S4 zijn lijnfrequentiegestuurd met synchrone MOSFET's. De belangrijkste voordelen van het gebruik van deze oplossing zijn een hoog rendement, lage vermogensverliezen en een kleiner aantal componenten. De soft-switching-oplossingen met een hogere frequentie vereisen een stroomsensor die snelle transiënten kan detecteren om mogelijke cascadestoringen te voorkomen. Dit circuit gebruikt slechts één bidirectionele stroomsensor (i _L ) voor het detecteren van stroom op positieve halve cyclus en negatieve halve cyclus.

Figuur 3:CCM totempaal PFC (Bron:Crocus Technology)

Volgens Crocus is een XtremeSense TMR-sensor de ideale oplossing voor deze toepassing, omdat deze het volgende biedt:

• Hoge SNR en schoon signaal naar de controller
• Laag vermogensverlies door de stroomvoerende geleider
• 1-MHz bandbreedte met lage fasevertraging en snelle uitgangsresponstijd (300 ns) voor metingen
• Programmeerbare overstroomdetectie en foutpin om actuele informatie aan de MCU te verstrekken
• Meting van zowel positieve als negatieve stroom met bidirectionele detectie
• Hoogspanningsisolatie (5 kV) om de veiligheid te garanderen

"Een andere markt waar we grote kansen zien, is zonne-energie, een sector waar stroomtransformatoren, die een hoge veiligheid en goede isolatie bieden, veel worden gebruikt", aldus Kaske. "We denken dat het een markt is waar we kunnen concurreren met contactloze stroomsensoren, die dezelfde of betere isolatie en hogere nauwkeurigheid bieden."

>> Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op onze zustersite, Power Electronics News.

Verwante inhoud:

• Grondbeginselen van digitale magnetische sensoren
• 3D magnetische detectie helpt autocontrole
• Infineon lanceert eerste magnetische sensoren op basis van TMR-technologie
• Hall-effectsensoren ondersteunen realtime industriële toepassingen
• Een op batterijen werkend medisch apparaat betrouwbaar inschakelen
• Hall-sensor richt zich op veiligheidskritieke autosystemen

Abonneer u voor meer Embedded op de wekelijkse e-mailnieuwsbrief van Embedded.