Miniscule TMR-sensoren transformeren stroomsensing: hoge precisie, laag vermogen, compact ontwerp

Vandaag kan een reeks technologieën magnetische velden omzetten in proportionele spanningen, wat diverse toepassingen mogelijk maakt van magnetische encoders tot stroomsensing.

Het Hall-effect, ontdekt door Edwin Hall in 1879, heeft lang solid-state magnetische sensoren aangedreven. Toch hebben zijn beperkingen - hogere stroomtrekking, beperkte gevoeligheid en kosten - de zoektocht naar efficiëntere alternatieven aangezwengeld.

Treden magnetoweerstand (MR) binnen, het fenomeen waarbij de elektrische weerstand van een materiaal verschuift onder een magneetveld. Het MR-effect varieert met de interne magnetisatie van het materiaal, wat nieuwe paden voor sensorontwerp biedt.

Een doorbraak afgeleide van MR is tunnel magnetoweerstand (TMR). Ontdekt door Professor Terunobu Miyazaki in de jaren '90, bestaat een TMR-sensor uit twee ferromagnetische lagen gescheiden door een nanometer-dun isolerende barrière. Wanneer de magnetisaties van de lagen uitgelijnd zijn, daalt de weerstand; wanneer ze tegenover elkaar staan, stijgt de weerstand - een elegant kwantum-mechanisch effect.

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

Crocus Technology

Crocus Technology benut zijn gepatenteerde XtremeSense TMR-platform om magnetische sensoren te leveren voor zowel industriële als consumentenelektronica. De XtremeSense-familie omvat geïntegreerde schakelaars en stroomsensoren die uitblinken in prestaties en footprint.

Belangrijkste voordelen van XtremeSense TMR omvatten:

• Uitzonderlijke signaal-ruis verhouding - 5-mA resolutie in stroomsensing.
• Ultra-laag vermogen - 110 nA in schakelaar-modus.
• Rouwe temperatuurstabiliteit - < 40 ppm/°C.

"De vraag naar high-speed, accurate, low-latency stroomsensing stijgt - vooral in power-electronica architecturen," zegt Tim Kaske, Crocus' Vice President of Sales and Marketing.

TMR-sensoren passen van nature in de rol van stroomsensoren. Hun weerstand varieert met het omringende magneetveld, en wanneer gecombineerd met moderne CMOS-circuitry, leveren ze high-SNR, lineaire en thermisch stabiele metingen - ideaal voor zowel contact als contactloze toepassingen.

TMR-sensor use case

Power-factor correctie (PFC) is een kritieke technologie in voedingen, gevraagd door standaarden zoals EN 61000-3-2. Een PFC-trap verhoogt de laadstroomcapaciteit terwijl AC-harmonischen worden onderdrukt, wat een schone, in-fase stroom oplevert.

Kaske merkt op: "We richten ons op CCM totem-pole PFC met GaN MOSFETs - een gebied dat in een decennium weinig evolutie heeft gezien. Nieuwe controllers ondersteunen nu deze architectuur, wat deuren opent voor EV-laders, computing en datacenters."

Traditionele shunt-gebaseerde stroomsensing introduceert beperkingen - grootte, vermogensverlies en bandbreedtebeperkingen. TMR-oplossingen kunnen de PCB-footprint halveren of kwadrateren terwijl ze superieure accurateit, bandbreedte en latentie leveren.

"Ingenieurs die vertrouwd hebben op Hall-sensoren zien nu hoe TMR een sprong in prestaties biedt over accurateit, bandbreedte en efficiëntie," voegt Kaske toe.

Het blokdiagram van een standaard actieve PFC volgt in Figuur 2. Een diodebrug treedt de AC-input naar DC, en een pre-converter (typisch een boost) trekt een sinusoïdale stroom van het net, wat een DC-output levert.

Figuur 2: Diagram van een typische actieve PFC-trap (Bron: Crocus Technology)

De CCM totem-pole PFC afgebeeld in Figuur 3 gebruikt twee GaN MOSFETs (S1 & S2) in een high-frequentie half-brug, terwijl S3 en S4 line-frequentie synchrone schakeling aanpakken. De voordelen - hoge efficiëntie, lage verliezen en componentreductie - maken het aantrekkelijk voor moderne power-systemen. Het ontwerp vereist een stroomsensor die snelle transieten kan vastleggen om cascaderende fouten te voorkomen, met een enkele bidirectionele sensor om beide helften van de cyclus te monitoren.

Figuur 3: CCM totem-pole PFC (Bron: Crocus Technology)

Volgens Crocus zijn XtremeSense TMR-sensoren de ideale keuze voor deze toepassing, biedend:

• Hoge SNR en schone output naar de controller.
• Minimale geleidingsverlies.
• 1 MHz bandbreedte, lage fasvertraging, en 300 ns stijgtijd voor snelle meting.
• Programeerbare overstroomdetectie en een fault-pin voor MCU-integratie.
• Bidirectionele sensing van positieve en negatieve stromen.
• 5 kV isolatie voor veiligheid.

"Zonne-energie is een andere vruchtbare grond," zegt Kaske. "Stroomtransformatoren bieden isolatie en veiligheid, maar TMR kan concurreren - biedend vergelijkbare isolatie met hogere accurateit."

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

Gerelateerde inhoud:

• Fundamenten van digitale magnetische sensoren
• 3D magnetische sensing ondersteunt automobiele controle
• Infineon lanceert eerste magnetische sensoren gebaseerd op TMR-technologie
• Hall-effect sensoren ondersteunen real-time industriële toepassingen
• Betrouwbaar aansturen van een batterij-aangedreven medisch apparaat
• Hall-sensor richt zich op veiligheidskritische automobiele systemen

Voor meer Embedded, abonneer u op de wekelijkse e-nieuwsbrief van Embedded.