1er novembre 2021, par Maurizio Di Paolo Emilio
Un capteur TMR est composé d'une couche d'isolation non magnétique extrêmement fine, de l'ordre du nanomètre, prise entre deux couches ferromagnétiques.
Il existe aujourd'hui plusieurs techniques capables de convertir un champ magnétique en tension proportionnelle. Les capteurs magnétiques sont utilisés dans différentes applications et divers secteurs, dont les encodeurs magnétiques, les boussoles électroniques, les capteurs angulaires absolus, les commutateurs simples ouvert/fermé ou les appareils de mesure du courant.
L'effet Hall, découvert par Edwin Hall en 1879, est largement utilisé depuis de nombreuses années pour fabriquer des capteurs magnétiques électroniques. Il atteint toutefois aujourd'hui des limites qui obligent les concepteurs de systèmes à développer de nouvelles technologies pour répondre à leurs besoins de faible consommation électrique, de sensibilité et de précision élevées et de coût abordable.
Les nouvelles technologies capables de répondre à ces besoins utilisent l'effet de magnétorésistance (MR), qui est la propriété d'un matériau (comme le fer, le nickel ou le cobalt) à modifier sa valeur électrique sous un champ magnétique. Modifier l'aimantation d'un matériau revient à modifier la façon dont les électrons circulent à travers lui et donc à transformer la résistance électrique de l'appareil. L'effet MR présente différentes caractéristiques selon la façon dont l'intérieur magnétique du matériau a été aimanté.
Une technologie novatrice dérivée de la MR est la magnétorésistance à effet tunnel (TMR), découverte par le professeur Terunobu Miyazaki dans les années 1990. Comme le montre la figure 1, un capteur TMR est composé d'une couche d'isolation non magnétique extrêmement fine, de l'ordre du nanomètre, prise entre deux couches ferromagnétiques. Les électrons traversent une couche d'isolation depuis une couche ferromagnétique jusqu'à l'autre. C'est un exemple concret de mécanique quantique. Lorsque les directions d'aimantation de deux matériaux ferromagnétiques sont parallèles, la résistance diminue. Inversement, lorsqu'elles ne le sont pas, la résistance augmente.
Figure 1 : jonction TMR composée de deux ferroaimants et d'une couche tunnel (source : Crocus Technology)
Crocus technology TMR XtremeSense
Crocus Technology offre une large gamme de capteurs magnétiques utilisant sa technologie TMR technology brevetée XtremeSense dans des applications industrielles et d'électronique grand public. La technologie TMR technology XtremeSense est au cœur de la gamme de capteurs magnétiques de Crocus, qui comprend des commutateurs magnétiques et des appareils de mesure du courant intégrés.
Selon Crocus, les principaux avantages offerts par la technologie TMR technology XtremeSense sont les suivants :
- RSB élevé (résolution de 5 mA dans les capteurs de courant)
- Faible consommation électrique (110 nA dans les commutateurs)
- Stabilité de la température (moins de 40 ppm/°C)
« La demande d'instruments de mesure du courant continue d'augmenter, en particulier pour les architectures qui doivent fonctionner plus vite, être plus précises et présenter moins de latence. C'est sur ce créneau que nous envisageons de positionner les appareils Crocus, » explique Tim Kaske, vice-président chargé des ventes et du marketing chez Crocus Technology.
Le TMR offre plusieurs caractéristiques qui permettent de l'utiliser comme un capteur de courant. Grâce à l'effet TMR, la résistance d'un capteur TMR change en fonction du champ magnétique externe. Associés à des circuits CMOS dernier cri, les capteurs TMR peuvent être utilisés comme des capteurs à RSB élevé avec une excellente linéarité et de très bonnes performances thermiques. Ces caractéristiques permettent de les utiliser comme capteurs de courant avec ou sans contact.
Cas d'utilisation des capteurs TMR
La correction de facteur de puissance (PFC) est une application clé qui nécessite des solutions précises et fiables de mesure du courant. C'est un circuit désormais obligatoire dans de nombreuses applications électriques (comme les alimentations) pour en augmenter l'efficacité et qui, pour les mêmes raisons, est exigée par des réglementations internationales comme la norme EN61000-3-2 en Europe. Une alimentation électrique contenant un étage PFC peut fournir des courants de charge en sortie supérieurs à ceux des modèles dépourvus de correction de facteur de puissance. La PFC peut sensiblement réduire les harmoniques du courant CA, ne laissant presque que la fréquence « fondamentale » du courant, qui est en phase avec la forme d'onde de la tension.
« Nous pouvons voir que l'une des principales applications vers lesquelles nous nous dirigeons est la PFC à pôle totémique en mode CCM avec des MOSFET GaN », ajoute T. Kaske. « Je dirais que l'étage PFC n'a pas beaucoup évolué ces 10 dernières années, mais maintenant, avec l'architecture à pôle totémique et les nouveaux contrôleurs capables de la prendre en charge, des portes s'ouvrent, comme les chargeurs, embarqués ou non, de véhicules électriques, l'informatique ou les centres de données. »
Les solutions standard de mesure du courant, comme celles basées sur des résistances shunt, des amplificateurs et des isolateurs numériques, montrent certaines limites qui peuvent être surmontées à l'aide de capteurs TMR, ce qui divise également la taille sur la PCB d'un facteur 2 à 5.
« D'autres ingénieurs, qui utilisaient des capteurs à effet Hall pour la mesure du courant, constatent aujourd'hui que nous pouvons offrir un net avantage à leurs systèmes du point de vue de la précision, du débit, de la latence et de l'efficacité globale », conclut Tim Kaske.
La figure 2 montre le schéma d'un système PFC actif type. Le pont à diodes convertit la tension CA en tension CC, tandis que l'étage PFC est inséré entre la ligne et le convertisseur principal. Il se comporte comme un préconvertisseur (normalement un convertisseur élévateur de tension), qui tire un courant sinusoïdal de l'alimentation secteur et fournit une tension CC en sortie.
Figure 2 : schéma d'un étage PFC actif type (source : Crocus Technology)
Le PFC à pôle totémique CCM de la figure 3 utilise deux MOSFET GaN, S1 et S2, configurés comme un demi-pont haute fréquence. S3 et S4 sont pilotés par la fréquence de ligne avec des MOSFET synchrones. Les principaux avantages de cette solution sont une efficacité élevée, de faibles pertes d'alimentation et un nombre de composants réduit. Les solutions de commutation douce haute fréquence nécessitent un capteur de courant capable de détecter les transitoires rapides afin de prévenir d'éventuelles défaillances en cascade. Le circuit n'utilise qu'un seul capteur de courant bidirectionnel (iL) pour détecter le courant sur le demi-cycle positif et le demi-cycle négatif.
Figure 3 : PFC à pôle totémique CCM (source : Crocus Technology)
Figure 4 : capteur TMR ou capteur à effet Hall (source : Crocus Technology) ?
Selon Crocus, un capteur TMR XtremeSense est la solution idéale pour cette application puisqu'il offre les avantages suivants :
- Un RSB élevé et un signal propre pour le contrôleur
- De faibles pertes d'alimentation à travers le conducteur transporteur de courant
- Une bande passante de 1 MHz avec faible retard de phase et temps de réponse rapide en sortie (300 ns) pour les mesures
- Détection programmable des surintensités et broche de défaut pour fournir des informations sur le courant au MCU
- Mesure du courant à la fois positif et négatif avec détection bidirectionnelle
- Isolation haute tension (5 kV) pour garantir la sécurité
« Un autre marché également très prometteur est l'énergie solaire, un secteur dans lequel les transformateurs de courant, qui offrent un haut niveau de sécurité et une bonne isolation, sont largement utilisés », signale Tim Kaske. « Nous pensons que c'est un marché sur lequel nous pouvons être concurrentiels avec des capteurs de courant sans contact qui offrent une isolation identique ou supérieure et une plus grande précision. »
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