TMR-Sensoren: Funktion mit kleineren Bauteilen verbessern
Ein TMR-Sensorelement besteht aus einer extrem dünnen, nicht-magnetischen Isolierschicht auf Nanometerebene, die zwischen zwei ferromagnetischen Schichten eingebettet ist.
Heutzutage sind verschiedene Techniken verfügbar, die ein Magnetfeld in eine proportionale Spannung umwandeln können. Magnetische Sensoren werden in verschiedenen Anwendungen über eine Vielzahl von Sektoren hinweg eingesetzt, einschließlich magnetischer Encoder, E-Kompass, absoluter Winkelsensoren, einfache Ein-/Ausschalter und Strommessungen.
Der Halleffekt, erstmals entdeckt von Edwin Hall im Jahr 1879, wird seit vielen Jahren erfolgreich und weit verbreitet zum Bau von Festkörper-Magnetsensoren genutzt. Er hat jedoch einige Einschränkungen erreicht, die Systemdesigner dazu zwingen, neue Technologien zu entwickeln, die in der Lage sind, die Zielanforderungen wie niedrigen Stromverbrauch, hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit sowie erschwingliche Kosten zu erfüllen.
Neue Technologien, die in der Lage sind, diese Anforderungen zu erfüllen, basieren auf dem Magnetowiderstandseffekt (MR-Effekt), welcher die Eigenschaft eines Materials (wie Eisen, Nickel und Kobalt) darstellt, seinen elektrischen Wert unter einem Magnetfeld zu ändern. Durch die Änderung der Magnetisierung eines Materials verändert sich die Elektronenbewegung im Inneren, was zu einer Veränderung des elektrischen Widerstands des Geräts führt. Der MR-Effekt weist unterschiedliche Eigenschaften auf, je nachdem, wie das Innere des magnetischen Materials magnetisiert wurde.
Eine neuartige Technologie, die aus dem MR abgeleitet wurde, ist der Tunnelmagnetowiderstand (TMR), der in den 1990er Jahren von Professor Terunobu Miyazaki entdeckt wurde. Wie in Abbildung 1 gezeigt ist, besteht ein TMR-Sensorelement aus einer extrem dünnen, nanometergroßen, nicht-magnetischen Isolationsschicht, die zwischen zwei ferromagnetischen Schichten eingeklemmt ist. Elektronen wandern durch eine Isolationsschicht von einer ferromagnetischen Schicht zur anderen. Dies ist ein Beispiel für Quantenmechanik in Aktion. Wenn die Magnetisierungsrichtungen der beiden ferromagnetischen Materialien parallel sind, nimmt der Widerstand ab, während er bei antiparalleler Ausrichtung zunimmt.
Eine TMR-Verbindung, die aus zwei Ferromagneten und einer Tunnelbarriere besteht (Quelle: Crocus Technology)
Abbildung 1
Crocus XtremeSense TMR-Technologie
Crocus Technology bietet eine breite Auswahl an Magnetsensoren, die auf der patentierten XtremeSense TMR-Technologie basieren, für Anwendungen in der Industrie und Unterhaltungselektronik. Die XtremeSense TMR-Technologie bildet den Kern der Crocus Magnetsensor-Familie, die integrierte Magnetschalter und Stromsensoren umfasst.
Laut Crocus sind die Hauptvorteile der XtremeSense TMR-Technologie:
- Hoher SNR (5-mA-Auflösung in Stromsensoren)
- Niedriger Stromverbrauch (110 nA in Schaltern)
- Temperaturstabilität (weniger als 40ppm/°C)
„Die Nachfrage nach der Strommessung steigt weiter, insbesondere für Architekturen, die schneller laufen, genauer sein und weniger Latenz aufweisen müssen – hier sehen wir wirklich die Einführung von Crocus-Geräten“, sagte Tim Kaske, Vizepräsident für Vertrieb und Marketing bei Crocus Technology.
TMR bietet mehrere Merkmale, die seine Verwendung als Stromsensor ermöglichen. Aufgrund des TMR-Effekts ändert sich der Widerstand eines TMR-Sensors entsprechend dem externen Magnetfeld. In Kombination mit modernsten CMOS-Schaltungen können TMR-basierte Sensoren als Sensoren mit hohem SNR und hervorragender Linearität sowie thermischer Leistung eingesetzt werden. Diese Merkmale der TMR-Sensoren ermöglichen ihre Verwendung als Kontakt- oder kontaktloser Stromsensor.
TMR-Sensoranwendungen
Eine wichtige Anwendung von TMR-Sensoren, die präzise und zuverlässige Strommesslösungen benötigt, ist die Leistungsfaktorkorrektur (PFC), eine Schaltung, die in vielen Leistungsanwendungen (wie z.B. Netzteilen) erforderlich geworden ist, um die Effizienz zu steigern, und aus demselben Grund von internationalen Vorschriften wie EN61000-3-2 in Europa gefordert wird. Ein Netzteil mit einer PFC-Stufe kann höhere Ausgangslaströme liefern als solche ohne Leistungsfaktorkorrektur. PFC kann die Wechselstromharmonischen (AC) erheblich reduzieren, sodass fast nur die „fundamentale“ Stromfrequenz übrig bleibt, die in Phase mit der Spannungswelle ist.
„Wir sehen wirklich, wie eine der Schlüsselanwendungen [TMR-Sensor], auf die wir uns konzentrieren, der CCM- Totem-Pole-PFC mit GaN-MOSFETs ist“, sagte Kaske. „Ich würde sagen, dass die PFC-Stufe in den letzten 10 Jahren nicht viele Aktualisierungen erfahren hat, aber jetzt, mit der Totem-Pole-Architektur und neuen Controllern, die sie unterstützen können, eröffnen sich neue Möglichkeiten, wie z.B. EV On-Board- und Off-Board-Ladegeräte, Computing und Rechenzentren.“
Standardlösungen für die Strommessung, wie zum Beispiel solche, die auf Shunt Widerständen, Verstärkern und digitalen Isolatoren basieren, weisen mehrere Beschränkungen auf, die durch die Verwendung von TMR-Stromsensoren überwunden werden können, wodurch der Platzbedarf auf der Leiterplatte um das 2- bis 5-fache reduziert wird.
„Andere Ingenieure, die einen Hall-basierten Sensor zur Strommessung verwendet haben, sehen jetzt, dass wir für ihr System signifikante Vorteile in Bezug auf Genauigkeit, Bandbreite, Latenzzeit und Gesamteffizienz bieten können“, sagte Kaske.
Das Blockdiagramm einer typischen aktiven PFC ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Diodenbrücke wandelt die Eingangsspannung von Wechselstrom in Gleichstrom um, während die PFC-Stufe zwischen der Leitung und dem Hauptwandler eingefügt wird. Sie fungiert als Vorkonverter (normalerweise ein Aufwärtswandler) und zieht einen sinusförmigen Strom aus dem Netz, um eine Gleichspannung am Ausgang bereitzustellen.
Diagramm einer typischen aktiven PFC-Stufe (Quelle: Crocus Technology)
Abbildung 2
Der CCM Totem-Pole PFC, wie in Abbildung 3 gezeigt, verwendet zwei GaN-MOSFETs, S1 und S2, die als Hochfrequenz-Halbbrücke konfiguriert sind. S3 und S4 werden mit synchronen MOSFETs bei Netzfrequenz betrieben. Die Hauptvorteile dieser Lösung sind hohe Effizienz, geringe Leistungsverluste und eine reduzierte Anzahl von Komponenten. Die Hochfrequenz-Soft-Switching-Lösungen erfordern einen Stromsensor, der schnelle Transienten erkennen kann, um potenzielle Kaskadenschäden zu verhindern. Diese Schaltung verwendet nur einen bidirektionalen Stromsensor (iL) zur Erfassung des Stroms im positiven und negativen Halbwellen-Zyklus.
CCM Totem-Pole PFC (Quelle: Crocus Technology)
Abbildung 3
TMR-Sensor vs. Hall-basierter Sensor (Quelle: Crocus Technology)
Abbildung 4
Laut Crocus ist ein XtremeSense TMR Sensor die ideale Lösung für diese Anwendung, da er Folgendes bietet:
- Hoher SNR und sauberes Signal zum Controller
- Niedriger Leistungsverlust durch den stromführenden Leiter
- 1-MHz-Bandbreite mit geringer Phasenverzögerung und schneller Ausgangsreaktionszeit (300 ns) für Messungen
- Programmierbare Überstromerkennung und Stift zur Fehleranzeige, um der MCU Strominformationen bereitzustellen
- Messung von sowohl positivem als auch negativem Strom mit bidirektionaler Erfassung
- Hochspannungsisolation (5 kV) zur Gewährleistung der Sicherheit
„Ein weiterer Markt, in dem wir große Chancen sehen, ist die Solarenergie. Ein Sektor, in dem Stromwandler mit hoher Sicherheit und guter Isolierung weit verbreitet sind“, sagte Kaske. „Wir glauben, dass es ein Markt ist, in dem wir mit kontaktlosen Stromsensoren konkurrieren können, die die gleiche oder eine bessere Isolierung und höhere Genauigkeit bieten.“
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