1 novembre 2021 - Autore: Maurizio Di Paolo Emilio
Un elemento sensore TMR è costituito da uno strato di isolamento non magnetico di livello nanometrico estremamente sottile, inserito tra due strati ferromagnetici.
Oggi sono disponibili diverse tecniche in grado di convertire un campo magnetico in una tensione proporzionale. I sensori magnetici sono stati utilizzati in diverse applicazioni in vari settori, inclusi encoder magnetici, bussole elettroniche, sensori angolo assoluto, semplici interruttori on/off e rilevamento della corrente.
L'effetto Hall, scoperto da Edwin Hall nel 1879, è stato ampiamente utilizzato con successo per molti anni per costruire sensori magnetici a stato solido. Tuttavia, ha raggiunto alcuni limiti che hanno costretto i progettisti di sistemi a sviluppare nuove tecnologie in grado di soddisfare determinati requisiti, come basso consumo energetico, elevata sensibilità e accuratezza e costi accessibili.
Le nuove tecnologie in grado di soddisfare tali requisiti si basano sull'effetto della magnetoresistenza (MR), che è la proprietà di un materiale (come ferro, nichel e cobalto) di modificare il proprio valore elettrico sotto l'effetto di un campo magnetico. La modifica della magnetizzazione di un materiale altera il modo in cui gli elettroni si spostano al suo interno, determinando un cambiamento nella resistenza elettrica del dispositivo. L'effetto MR ha caratteristiche diverse a seconda di come è stato magnetizzato l'interno del materiale magnetico.
Una nuova tecnologia derivata dalla magnetoresistenza è la magnetoresistenza a effetto tunnel (TMR), scoperta dal professor Terunobu Miyazaki negli anni '90. Come mostrato nella figura 1, un elemento sensore TMR è costituito da uno strato di isolamento non magnetico di livello nanometrico estremamente sottile, inserito tra due strati ferromagnetici. Gli elettroni attraversano uno strato isolante passando da uno strato ferromagnetico all'altro. Questo processo è un esempio di meccanica quantistica. Quando le direzioni di magnetizzazione dei due materiali ferromagnetici sono parallele, la resistenza diminuisce, mentre quando sono antiparallele, la resistenza aumenta.
Figura 1: una giunzione TMR costituita da due ferromagneti e uno strato tunnel (fonte: Crocus Technology)
Crocus XtremeSense TMR technology
Crocus Technology offre un'ampia gamma di sensori magnetici basati sulla propria tecnologia TMR technology brevettata XtremeSense per applicazioni industriali e di elettronica di consumo. La tecnologia TMR technology XtremeSense è il nucleo della famiglia di sensori magnetici Crocus, che include interruttori magnetici integrati e sensori di corrente.
Secondo Crocus, i principali vantaggi offerti dalla tecnologia TMR technology XtremeSense sono:
- SNR elevato (risoluzione pari a 5 mA nei sensori di corrente)
- Consumo energetico limitato (110 nA negli interruttori)
- Stabilità della temperatura (inferiore a 40 ppm/°C)
"La domanda di rilevamento della corrente continua ad aumentare, soprattutto per le architetture che devono essere più veloci, più accurate e presentare meno latenza: è qui che vediamo davvero l'introduzione dei dispositivi Crocus", ha affermato Tim Kaske, vicepresidente Sales and marketing di Crocus Technology.
La magnetoresistenza a effetto tunnel offre svariate caratteristiche che ne consentono l'utilizzo come sensore di corrente. A causa dell'effetto TMR, la resistenza di un sensore TMR cambia in base al campo magnetico esterno. Se combinati con circuiti CMOS all'avanguardia, i sensori basati su TMR possono essere utilizzati come sensori a SNR elevato con eccellenti prestazioni di linearità e termiche. Queste caratteristiche dei sensori TMR ne consentono l'utilizzo come sensori di corrente a contatto o senza contatto.
Casi d'uso dei sensori TMR
Un'applicazione chiave che necessita di soluzioni di rilevamento della corrente accurate e robuste è la correzione del fattore di potenza (PFC), un circuito che è diventato obbligatorio in molte applicazioni di potenza (come gli alimentatori) per aumentarne l'efficienza e, per lo stesso motivo, è richiesto dalle normative internazionali, come la EN61000-3-2 in Europa. Un alimentatore che include uno stadio PFC può fornire correnti di carico in uscita più elevate rispetto ai dispositivi privi di correzione del fattore di potenza. La correzione del fattore di potenza può ridurre significativamente le armoniche della corrente alternata, lasciando quasi solo la frequenza di corrente "fondamentale", che è in fase con la forma d'onda della tensione.
"Ci rendiamo conto davvero che una delle applicazioni di primaria importanza verso cui ci stiamo muovendo è la correzione del fattore di potenza totem-pole CCM con i MOSFET GaN", ha affermato Kaske. "Direi che lo stadio PFC non ha avuto molti aggiornamenti negli ultimi 10 anni, ma ora, con l'architettura totem-pole e i nuovi controller in grado di supportarla, si stanno aprendo nuove opportunità, come caricabatterie on-board e off-board per veicoli elettrici, centri di elaborazione e data center".
Le soluzioni standard di rilevamento della corrente, come quelle basate su resistori shunt, amplificatori e isolatori digitali, stanno mostrando diversi limiti che possono essere superati utilizzando sensori TMR, riducendo l'ingombro sul PCB da 2 a 5 volte.
"Altri ingegneri, che utilizzavano un sensore basato sull'effetto Hall per il rilevamento della corrente, ora si accorgono che possiamo offrire un vantaggio significativo per il loro sistema in termini di accuratezza, ampiezza di banda, latenza ed efficienza complessiva", ha affermato Kaske.
Nella figura 2 è mostrato il diagramma a blocchi di una tipica correzione del fattore di potenza attiva. Il ponte a diodi converte la tensione CA in ingresso in una tensione CC, mentre lo stadio PFC viene inserito tra la linea e il convertitore principale. Funziona come preconvertitore (normalmente un convertitore boost), prelevando una corrente sinusoidale dalla rete e fornendo in uscita una tensione CC.
Figura 2: diagramma di un tipico stadio PFC attivo (fonte: Crocus Technology)
La correzione del fattore di potenza totem-pole CCM, mostrata nella figura 3, utilizza due MOSFET GaN, S1 e S2, configurati come semiponte ad alta frequenza. S3 e S4 sono guidati dalla frequenza di linea con MOSFET sincroni. I vantaggi principali derivanti dall'adozione di questa soluzione sono l'elevata efficienza, le limitate perdite di potenza e il numero ridotto di componenti. Le soluzioni soft-switching ad alta frequenza richiedono un sensore di corrente in grado di rilevare transitori veloci per prevenire potenziali guasti a cascata. Questo circuito utilizza un solo sensore di corrente bidirezionale (iL) per rilevare la corrente sul semiciclo positivo e sul semiciclo negativo.
Figura 3: correzione del fattore di potenza (PFC) totem-pole CCM (fonte: Crocus Technology)
Figura 4: confronto tra sensore TMR e sensore basato sull'effetto Hall (fonte: Crocus Technology)
Secondo Crocus, un sensore TMR XtremeSense è la soluzione ideale per questa applicazione, poiché fornisce:
- SNR elevato e segnale pulito al controller
- Perdita di potenza limitata attraverso il conduttore di corrente
- Ampiezza di banda di 1 MHz con ritardo di fase limitato e tempo di risposta dell'uscita rapido (300 ns) per le misurazioni
- Rilevamento di sovracorrente e pin di guasto programmabili per fornire informazioni sulla corrente all'MCU
- Misurazione della corrente sia positiva che negativa con rilevamento bidirezionale
- Isolamento ad alta tensione (5 kV) per garantire sicurezza
"Un altro mercato in cui vediamo grandi opportunità è quello dell'energia solare, un settore in cui i trasformatori di corrente, che forniscono elevata sicurezza e buon isolamento, sono ampiamente utilizzati", ha affermato Kaske. "Pensiamo sia un mercato in cui possiamo competere con i sensori di corrente senza contatto, offrendo un isolamento uguale o migliore e una maggiore accuratezza".
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