TMR传感器在电源应用中提高性能并减小尺寸

今天，可以使用几种能够将磁场转换为成比例电压的技术。磁性传感器已用于各个领域的不同应用，包括磁性编码器、电子罗盘、绝对角度传感器、简单的开/关开关和电流感测。

霍尔效应由 Edwin Hall 于 1879 年首次发现，多年来已成功并广泛用于构建固态磁传感器。然而，它已经达到了一些限制，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、高灵敏度和准确性以及可承受的成本。

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）在磁场下改变其电值的特性。改变材料的磁化强度会改变电子在其中移动的方式，从而导致设备电阻发生变化。根据磁性材料内部的磁化方式，MR 效应具有不同的特征。

从 MR 中分离出来的一项新技术是隧道磁阻 (TMR) 效应，它是由宫崎照信教授在 1990 年代发现的。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。电子从一层铁磁层穿过绝缘层到达另一层。这是量子力学在起作用的一个例子。当两种铁磁材料的磁化方向平行时，电阻减小，反平行时，电阻增大。

图 1：由两个铁磁体和一个隧道层组成的 TMR 结（来源：Crocus Technology）

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Crocus Technology 基于其在工业和消费电子应用中获得专利的 XtremeSense TMR 技术，提供多种磁性传感器选择。XtremeSense TMR 技术是 Crocus 磁传感器系列的核心，其中包括集成磁开关和电流传感器。

根据 Crocus 的说法，XtremeSense TMR 技术提供的主要优势是：

高 SNR（电流传感器中的 5mA 分辨率）

低功耗（开关中为 110 nA）

温度稳定性（小于 40ppm/°C）

“对电流传感的需求不断增加，特别是对于需要运行更快、更准确和延迟更少的架构——这就是我们真正看到 Crocus 设备推出的地方，”销售和营销副总裁 TIm Kaske 说在 Crocus Technology。

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发生变化。当与最先进的 CMOS 电路相结合时，基于 TMR 的传感器可用作具有出色线性度和热性能的高 SNR 传感器。TMR 传感器的这些特性使其可用作接触式或非接触式电流传感器。

TMR 传感器用例

需要准确可靠的电流检测解决方案的关键应用是功率因数校正 (PFC)，该电路在许多电源应用（例如电源）中已成为强制性要求，以提高效率，出于同样的原因，国际法规要求，例如欧洲的 EN61000-3-2。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 可以显着降低交流电流谐波，几乎只留下与电压波形同相的“基本”电流频率。

Kaske 说：“我们确实看到了我们正在进入的关键应用之一是带有 GaN MOSFET 的 CCM 图腾柱 PFC。” “我想说 PFC 阶段在过去 10 年里没有太多更新，但是现在，随着图腾柱架构和能够支持它的新控制器，新的机会正在打开，例如车载和离线电动汽车-板载充电器、计算和数据中心。”

标准电流检测解决方案，例如基于分流电阻器、放大器和数字隔离器的解决方案，显示出一些可以通过使用 TMR 传感器克服的限制，将 PCB 上的占位面积缩小 2 倍到 5 倍。

Kaske 说：“其他一直使用霍尔传感器进行电流感应的工程师现在看到，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着优势。”

典型有源 PFC 的框图如图 2 所示。二极管桥将输入交流电压转换为直流电压，而 PFC 级则插入线路和主转换器之间。它充当预转换器（通常是升压转换器），从电源汲取正弦电流并在输出中提供直流电压。

图 2：典型的有源 PFC 级示意图（来源：Crocus Technology）

CCM 图腾柱 PFC，如图 3 所示，使用两个 GaN MOSFET，S1 和 S2，配置为高频半桥。S3 和 S4 采用同步 MOSFET 以工频为主导。采用该解决方案的主要好处是效率高、功率损耗低和组件数量减少。更高频率的软开关解决方案需要一个能够检测快速瞬变以防止潜在级联故障的电流传感器。该电路仅使用一个双向电流传感器 (i L ) 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 传感器与基于霍尔的传感器（来源：Crocus Technology）

根据 Crocus 的说法，XtremeSense TMR 传感器是此应用的理想解决方案，因为它提供：

控制器的高 SNR 和干净的信号

通过载流导体的低功率损耗

1MHz 带宽、低相位延迟和快速输出响应时间 (300 ns) 用于测量

可编程过流检测和故障引脚，为 MCU 提供电流信息

使用双向感应测量正负电流

高压隔离（5 kV）确保安全

“另一个我们看到巨大机遇的市场是太阳能，该领域广泛使用电流互感器，提供高安全性和良好的隔离性，”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。”

　　审核编辑：汤梓红