2021년 11월 1일, 작성자: Maurizio Di Paolo Emilio
TMR 센서 소자란 매우 얇은 나노미터 단위의 비자성 절연층이 2개의 강자성 층 사이에 있는 것을 말합니다.
현재 자기장을 비례 전압으로 변환할 수 있는 다양한 기법이 사용되고 있습니다. 마그네틱 인코더, 전자 나침반, 절대각 센서, 단순 ON/OFF 스위치, 전류 감지 등 다양한 부문의 다양한 용도에서 마그네틱 센서가 사용되고 있습니다.
1879년에 Edwin Hall이 처음 발견한 홀 효과는 오래도록 솔리드 스테이트 마그네틱 센서를 만드는 데 효과적으로 널리 사용되고 있습니다. 그러나 몇 가지 한계점에 도달하면서 저전력 소비, 높은 민감도와 정확도, 저렴한 비용 등의 목표를 달성하기 위해 시스템 설계자들이 새로운 기술을 개발하게 되었습니다.
이러한 요구사항을 충족할 수 있는 새로운 기술은 자기저항(MR) 효과에 기반합니다. 이 효과는 자기장에서 물질(예: 철, 니켈, 코발트)의 전기 값을 바꿀 수 있는 특성입니다. 물질의 자기화(magnetization)가 바뀌면 그 안의 전자 이동 방식이 바뀌어 소자의 전기 저항이 달라집니다. MR 효과는 마그네틱 물질의 내부가 얼마나 자기화되어 있는지에 따라 다른 특징을 나타냅니다.
MR에서 파생된 새로운 기술은 1990년대에 Terunobu Miyazaki 교수가 발견한 터널 자기저항(TMR) 효과입니다. 그림 1과 같이 TMR 센서 소자는 매우 얇은 나노미터 단위의 비자성 절연층이 2개의 강자성 층 사이에 있습니다. 전자가 절연층을 지나 강자성층을 이동합니다. 이것은 실제 양자 역학을 보여주는 예입니다. 두 강자성 물질의 자기화 방향이 평행이면 저항이 감소하고, 역평행이면 저항이 증가합니다.
그림 1: 두 개의 강자성체와 터널 층으로 구성된 TMR 연접부(출처: Crocus Technology)
Crocus XtremeSense TMR technology
Crocus Technology는 특허받은 자사 XtremeSense TMR technology 기술에 기반한 다양한 산업용 및 소비가전용 마그네틱 센서를 제공하고 있습니다. XtremeSense TMR technology 기술은 일체형 마그네틱 스위치 및 전류 센서를 포함하는 Crocus 마그네틱 센서 제품군의 핵심 제품입니다.
Crocus에 따르면 XtremeSense TMR technology기술의 주요 이점은 다음과 같습니다.
- 높은 SNR(전류 센서의 5-mA 분해능)
- 낮은 전력 소모(스위치에서 110 nA)
- 온도 안정성(40ppm/°C 미만)
“전류 감지에 대한 수요가 계속 늘고 있습니다. 특히 더 빠르고, 더 정확하며, 대기 시간이 더 짧아야 하는 아키텍처에서 Crocus 소자가 도입되고 있습니다”라고 Tim Kaske는 말했습니다(Crocus Technology의 영업 및 마케팅 부사장).
TMR은 전류 센서로 사용할 수 있는 특성이 몇 가지 있습니다. TMR 효과 때문에 TMR 센서의 저항은 외부 자기장에 따라 변합니다. TMR 기반 센서에 첨단 CMOS 회로를 결합하면 선형성 및 열 성능이 뛰어난 하이 SNR 센서로 사용할 수 있습니다. TMR 센서의 이러한 특성 때문에 접촉식 또는 비접촉식 전류 센서로 사용할 수 있습니다.
TMR 센서 사용 사례
정확성과 신뢰성이 뛰어난 전류 감지 솔루션이 필요한 주요 용도는 역률 개선 회로(PFC)입니다. 이 회로는 여러 전력 용도(예: 전력 공급장치)에서 효율을 높이는 필수 요소가 되었으며, 이와 같은 이유 때문에 국제 규정(예: 유럽 EN61000-3-2)에서도 필수 요구사항입니다. PFC 단을 포함하는 전력 공급장치는 역률 개선 기능이 있는 장치보다 더 높은 출력 부하 전류를 공급할 수 있습니다. PFC는 AC 전류 고조파를 크게 줄일 수 있어, 전압 파형과 맞는 "고유" 전류 주파수만 남깁니다.
Kaske는 “실제로 우리가 향해 가고 있는 주요 초점 영역 중 하나는 GaN MOSFET를 사용하는 CCM 토템-폴 PFC입니다. 지난 10년 동안 PFC 단은 많이 업데이트되지 않았지만 지금은 토템-폴 아키텍처와 새로운 컨트롤러가 장착되어 업데이트를 지원할 수 있으며, EV 온보드 및 오프보드 충전기, 컴퓨팅, 데이터 센터 같은 새로운 기회가 열리고 있습니다”라고 말했습니다.
션트 저항기, 증폭기, 디지털 절연체에 기반하는 것과 같은 표준 전류 감지 솔루션에 있는 몇 가지 한계점은 TMR 센서를 사용해 극복할 수 있기 때문에 PCB 점유 공간을 2~5배 줄일 수 있습니다.
“전류 감지에 홀 기반 센서를 사용해온 엔지니어들이 지금은 우리가 정확도, 광역폭, 대기 시간, 전체 효율에서 상당한 이점을 그들의 시스템에 구현할 수 있다는 사실을 알고 있습니다”라고 Kaske는 말했습니다.
일반적인 액티브 PFC의 블록 다이어그램이 그림 2에 나와 있습니다. PFC 단이 라인과 메인 변환기 사이에 있는 동안 다이오드 브릿지가 입력 AC 전압을 DC 전압으로 변환합니다. 전변환기(통상적으로 부스트 변환기) 역할을 하며 주전원에서 진동형 전류를 끌어와 DC 출력 전압을 공급합니다.
그림 2: 일반적인 액티브 PFC 단 그림(출처: Crocus Technology)
그림 3에 있는 CCM 토템-폴 PFC는 고주파 하프 브리지로 구성된 GaN MOSFET 두 개(S1과 S2)를 사용합니다. S3과 S4는 주사선 주파수가 동기 MOSFET로 유도됩니다. 이 솔루션을 채택할 때 얻는 주요 이점은 높은 효율, 낮은 전력 손실, 적은 구성품 수입니다. 고주파 소프트 스위칭 솔루션은 과도 전류를 빨리 감지해 전위 연쇄 전달 장애를 방지할 수 있는 전류 센서가 있어야 합니다. 이 회로는 양방향 전류 센서(iL) 한 개만 사용해 양극 하프 사이클과 음극 하프 사이클에서 전류를 감지합니다.
그림 3: CCM 토템-폴 PFC(출처: Crocus Technology)
그림 4: TMR 센서와 홀 기반 센서 비교(출처: Crocus Technology)
Crocus에 따르면 XtremeSense TMR 센서는 다음과 같은 기능을 제공하기 때문에 이 용도에 적합한 솔루션입니다.
- 하이 SNR, 컨트롤러에 클린 신호 전달
- 전류가 흐르는 전도체에서 낮은 전력 손실
- 위상 지연이 적은 1-MHz 광역폭, 측정 시 빠른 출력 응답 시간(300 ns)
- 과전류 감지 설정 가능, MCU로 전류 정보를 제공하는 폴트 핀
- 양방향 감지 기능으로 양극 및 음극 전류 측정
- 고전압 격리(5 kV)로 안전 보장
“큰 기회가 예상되는 또 다른 시장은 높은 안전성과 격리 성능이 뛰어난 전류 변압기가 널리 사용되고 있는 태양광 발전 부문입니다. 우리는 이 시장에서 비접촉식 전류 센서와 경쟁하며 동일하거나 더 좋은 격리 수준과 정확도를 제공할 수 있다고 생각합니다”라고 Kaske는 말했습니다.
관련 상품 참조
