2021 年 11 月 1 日，作者：Maurizio Di Paolo Emilio
TMR 传感器元件由极薄的纳米级非磁性绝缘层组成，夹在两个铁磁层之间。
如今，有几种技术可以将磁场转换为成比例的电压。磁性传感器已用于多个领域的不同应用中，包括磁性编码器、电子罗盘、绝对角度传感器、简单的开启/关闭开关和电流检测。
霍尔效应由 Edwin Hall 于 1879 年首次发现，多年来一直被成功地广泛用于制造固态磁性传感器。然而，它已经达到一些限制，迫使系统设计人员开发能够实现目标要求的新技术，例如低功耗、高灵敏度和精度以及可承受的成本。
能够满足这些要求的新技术基于磁阻 (MR) 效应，这是一种材料（如铁、镍和钴）在磁场下改变其电气值的特性。改变材料的磁化强度会改变电子在其内部的移动方式，从而导致设备电阻的变化。根据磁性材料内部的磁化方式，MR 效应具有不同的特征。
隧道磁阻 (TMR) 效应是从 MR 衍生出来的一种新技术，由 Terunobu Miyazaki 教授在 20 世纪 90 年代发现。如图 1 所示，TMR 传感器元件由极薄的纳米级非磁性绝缘层组成，夹在两个铁磁层之间。电子穿过绝缘层从一个铁磁层到另一个铁磁层。这是量子力学发挥作用的一个例子。当两种铁磁材料的磁化方向平行时，电阻降低，而当它们反平行时，电阻增加。
图 1：由两个铁磁体和一个隧道层组成的 TMR 结（来源：Crocus Technology）
Crocus XtremeSense TMR technology
Crocus Technology 在适用于工业和消费电子应用的专利 XtremeSense TMR technology 技术的基础上，提供各种磁性传感器。XtremeSense TMR technology 技术是 Crocus 磁性传感器系列的核心，该系列包括集成磁开关和电流传感器。
据 Crocus 称，XtremeSense TMR technology 技术的主要优势是：
- 高信噪比（电流传感器的分辨率为 5mA）
- 低功耗（开关中为 110 nA）
- 温度稳定性（低于 40 ppm/℃）
Crocus Technology 销售和营销副总裁 Tim Kaske 表示：“对电流检测的需求持续增长，尤其是需要运行速度更快、精度更高、延迟更短的架构，这正是我们真正看到 Crocus 器件推出的原因。
TMR 具有多种特性，可用作电流传感器。由于 TMR 效应，TMR 传感器的电阻会根据外部磁场而变化。当与最先进的 CMOS 电路相结合时，基于 TMR 的传感器可以用作高信噪比传感器，具有出色的线性度和热性能。TMR 传感器的这些特性允许其用作接触式或非接触式电流传感器。
TMR 传感器用例
需要精确可靠的电流检测解决方案的一个关键应用是功率因数校正(PFC)，这种电路在许多电源应用（如电源）中已成为提高效率的必备电路，出于同样的原因，它也是欧洲 EN61000-3-2 等国际法规的要求。与没有功率因数校正的电源相比，包含 PFC 级的电源可以提供更高的输出负载电流。PFC 可以显著降低交流电流谐波，几乎只留下与电压波形同相的“基波”电流频率。
“我们真正看到了我们正在进入的一个关键重点应用是采用 GaN MOSFET 的 CCM 图腾柱 PFC，”Kaske 说。“我想说，PFC 级在过去 10 年中没有太多更新，但现在，随着图腾柱架构和能够支持它的新控制器的出现，新的机会正在出现，例如电动汽车车载和非车载充电器、计算和数据中心。”
标准电流检测解决方案，如基于分流电阻、放大器和数字隔离器的解决方案，正显示出一些局限性，而这可以通过使用 TMR 传感器来克服，将 PCB 上的空间占用缩小 2 倍至 5 倍。
Kaske 说：“其他一直使用霍尔传感器进行电流检测的工程师，现在看到我们可以为他们的系统在精度、带宽、延迟和整体效率方面提供显著优势。
典型有源 PFC 的框图如图 2 所示。二极管电桥将输入交流电压转换为直流电压，而 PFC 级则插入到线路和主转换器之间。它作为一个预转换器（通常是一个升压转换器），从电源吸取正弦电流，并在输出中提供直流电压。
图 2：典型有源 PFC 级示意图（来源：Crocus Technology）
如图 3 所示，CCM 图腾柱 PFC 使用两个 GaN MOSFET，即 S1 和 S2，配置为高频半桥。S3 和 S4 是采用同步 MOSFET 的线频率 LED。采用这种解决方案的主要好处是高效率、低功耗和减少元件数量。高频软开关解决方案要求电流传感器能够检测快速瞬变，以防止潜在的级联故障。此电路仅使用一个双向电流传感器 (iL) 来检测正半周和负半周的电流。
图 3：CCM 图腾柱 PFC（来源：Crocus Technology）
图 4：TMR 传感器与霍尔传感器（来源：Crocus Technology）
据 Crocus 称，XtremeSense TMR 传感器是这种应用的理想解决方案，因为具有：
- 高信噪比和清洁的控制器信号
- 通过载流导体的低功率损耗
- 用于测量的 1 MHz 带宽，低相位延迟和快速输出响应时间 (300 ns)
- 可编程过流检测和故障引脚，向 MCU 提供电流信息
- 通过双向检测测量正负电流
- 高压隔离 (5 kV)，确保安全
“另一个我们认为有巨大机会的市场是太阳能，在这个领域，电流互感器因具有高安全性和良好的隔离性而得到广泛应用，”Kaske 说。“我们认为这是一个我们可以与非接触式电流传感器竞争的市场，提供相同或更好的隔离和更高的精度。”
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