微型 TMR 传感器变革电流感测：高精度、低功耗、紧凑设计

当前，多种技术可将磁场转化为成比例电压，支撑从磁性编码器到电流感测的多元应用。

霍尔效应由 Edwin Hall 于 1879 年发现，长期驱动固态磁传感器。但其局限——较高功耗、有限灵敏度和成本——推动了更高效替代方案的搜索。

磁阻效应（MR）应运而生，材料电阻随磁场变化。MR 效应随材料内部磁化强度变化，为传感器设计开辟新路径。

MR 的突破性衍生技术是隧道磁阻（TMR）。由 Terunobu Miyazaki 教授于 1990 年代发现，TMR 传感器由纳米级薄绝缘层隔开的两个铁磁层组成。当层磁化方向一致时电阻下降；相反则升高——一个优雅的量子力学效应。

图 1：由两个铁磁体和隧道层组成的 TMR 结（来源：Crocus Technology）

Crocus Technology

Crocus Technology 凭借专利 XtremeSense TMR 平台，为工业和消费电子提供磁传感器。XtremeSense 系列包含集成开关和电流传感器，在性能和占地面积上表现卓越。

XtremeSense TMR 关键优势：

• 卓越的信噪比——电流感测分辨率达 5 mA。
• 超低功耗——开关模式下 110 nA。
• 强健温度稳定性——< 40 ppm/°C。

“对高速、精准、低延迟电流感测的需求正上升——特别是在功率电子架构中，”Crocus 销售与市场副总裁 Tim Kaske 表示。

TMR 传感器天然适配电流传感器角色。其电阻随周围磁场变化，配合现代 CMOS 电路，提供高信噪比、线性且热稳定的测量——适用于接触和非接触应用。

TMR 传感器用例

功率因数校正（PFC）是电源关键技术，EN 61000-3-2 等标准强制要求。PFC 级提升负载电流能力同时抑制交流谐波，产生纯净、同相电流。

Kaske 指出：“我们瞄准采用 GaN MOSFET 的 CCM 图腾柱 PFC——十年来鲜有演进领域。新控制器现支持此架构，为电动汽车充电器、计算和数据中心敞开大门。”

传统分流器电流感测引入尺寸、功耗损耗和带宽限制。TMR 方案可将 PCB 占地减半或四分之一，同时提供卓越精度、带宽和延迟。

“依赖霍尔传感器的工程师现在看到 TMR 在精度、带宽和效率上实现性能飞跃，”Kaske 补充。

标准有源 PFC 框图见图 2。二极管桥将交流输入整流为直流，预变换器（通常为升压）从市电汲取正弦电流，输出直流。

图 2：典型有源 PFC 级框图（来源：Crocus Technology）

图 3 描绘的 CCM 图腾柱 PFC 使用两个 GaN MOSFET（S1 & S2）组成高频半桥，S3 和 S4 处理工频同步开关。其优势——高效率、低损耗、元件减少——使其对现代电力系统极具吸引力。设计需要能捕捉快速瞬变以防止级联故障的电流传感器，使用单个双向传感器监测半个周期的两半。

图 3：CCM 图腾柱 PFC（来源：Crocus Technology）

据 Crocus 称，XtremeSense TMR 传感器是该应用理想选择，提供：

• 高信噪比和洁净输出至控制器。
• 最小导通损耗。
• 1 MHz 带宽、低相位延迟和 300 ns 上升时间，实现快速测量。
• 可编程过流检测和故障引脚，便于 MCU 集成。
• 正负电流双向感测。
• 5 kV 隔离保障安全。

“太阳能是另一片沃土，”Kaske 说。“电流互感器提供隔离和安全，但 TMR 可竞争——提供相当隔离且精度更高。”

> 本文最初发表于姊妹站点 Power Electronics News。

相关内容：

• 数字磁传感器基础
• 3D 磁感测助力汽车控制
• Infineon 推出首款基于 TMR 技术的磁传感器
• 霍尔效应传感器支持实时工业应用
• 电池供电医疗设备可靠上电
• 霍尔传感器瞄准安全关键汽车系统

订阅 Embedded 周刊，获取更多嵌入式内容。