Sensores TMR: mejorar la función con partes más pequeñas
Un elemento sensor TMR está compuesto por una capa de aislamiento no magnética extremadamente delgada a nivel de nanómetros, ubicada entre dos capas ferromagnéticas.
Hoy en día, están disponibles varias técnicas capaces de convertir un campo magnético en un voltaje proporcional. Los sensores magnéticos se han utilizado en diferentes aplicaciones en diversos sectores, incluyendo codificadores magnéticos, e-compasses, sensores de ángulo absoluto, interruptores simples de encendido/apagado y detección de corriente.
El efecto Hall, descubierto por Edwin Hall en 1879, se ha utilizado con éxito y de manera amplia durante muchos años para construir sensores magnéticos de estado sólido. Sin embargo, ha alcanzado algunas limitaciones que están obligando a los diseñadores de sistemas a desarrollar nuevas tecnologías capaces de cumplir con los requisitos deseados, tales como bajo consumo de energía, alta sensibilidad y precisión, y costo accesible.
Las nuevas tecnologías capaces de cumplir con esos requisitos se basan en el efecto de magnetorresistencia (MR), que es la propiedad de un material (como el hierro, níquel y cobalto) de cambiar su valor eléctrico bajo un campo magnético. Cambiar la magnetización de un material altera cómo los electrones viajan dentro de él, resultando en un cambio en la resistencia eléctrica del dispositivo. El efecto de MR tiene diferentes características dependiendo de cómo se magnetizó el interior del material magnético.
Una tecnología novedosa derivada de MR es el efecto de magnetorresistencia de túnel (TMR), descubierto por el Profesor Terunobu Miyazaki en la década de 1990. Como se muestra en Figura 1, un elemento sensor TMR está compuesto por una capa de aislamiento no magnético de nivel nanométrico extremadamente fina, intercalada entre dos capas ferromagnéticas. Los electrones pasan a través de una capa aislante de una capa ferromagnética a la otra. Este es un ejemplo de la mecánica cuántica en acción. Cuando las direcciones de magnetización de los dos materiales ferromagnéticos son paralelas, la resistencia disminuye, mientras que cuando son antiparalelas, la resistencia aumenta.
Una unión TMR compuesta por dos ferromagnetos y una capa de túnel (Fuente: Crocus Technology)
Figura 1
Tecnología Crocus XtremeSense TMR
Crocus Technology ofrece una amplia selección de sensores magnéticos basados en su tecnología patentada XtremeSense TMR en aplicaciones de electrónica industrial y de consumo. La tecnología XtremeSense TMR está en el núcleo de la familia de sensores magnéticos Crocus, que incluye interruptores magnéticos integrados y sensores de corriente.
Según Crocus, las principales ventajas que ofrece la tecnología XtremeSense TMR son:
Alta relación señal-ruido (resolución de 5 mA en sensores de corriente)
Bajo consumo de energía (110 nA en interruptores)
Estabilidad de temperatura (menos de 40ppm/°C)
“La demanda de sensores de corriente sigue aumentando, especialmente para arquitecturas que necesitan funcionar más rápido, ser más precisas y tener menos latencia — ahí es donde realmente vemos la introducción de dispositivos Crocus,” dijo Tim Kaske, vicepresidente de ventas y marketing en Crocus Technology.
TMR ofrece varias características que permiten su uso como sensor de corriente. Debido al efecto TMR, la resistencia de un sensor TMR cambia según el campo magnético externo. Cuando se combinan con circuitos CMOS de última generación, los sensores basados en TMR pueden usarse como sensores de alto SNR con excelente linealidad y rendimiento térmico. Estas características de los sensores TMR permiten su uso como sensor de corriente de contacto o sin contacto.
Aplicaciones de sensores TMR
Una aplicación clave de los sensores TMR que necesita soluciones de detección de corriente precisas y fiables es la corrección del factor de potencia (PFC), un circuito que se ha vuelto obligatorio en muchas aplicaciones de potencia (como las fuentes de alimentación) para aumentar la eficiencia y, por la misma razón, es requerido por regulaciones internacionales, como EN61000-3-2 en Europa. Una fuente de alimentación que incluya una etapa PFC puede proporcionar corrientes de carga de salida más altas que aquellas sin corrección del factor de potencia. El PFC puede reducir significativamente los armónicos de corriente de CA, dejando casi solo la frecuencia de la corriente "fundamental", que está en fase con la forma de onda de voltaje.
“Realmente vemos cómo una de las aplicaciones clave del sensor [TMR] en las que estamos avanzando es el CCM totem-pole PFC con GaN MOSFETs,” dijo Kaske. “Diría que la etapa PFC no ha tenido muchas actualizaciones en los últimos 10 años, pero ahora, con la arquitectura totem-pole y nuevos controladores capaces de soportarla, se están abriendo nuevas oportunidades, como cargadores a bordo y fuera de bordo de vehículos eléctricos, computación y centros de datos.”
Las soluciones estándar de detección de corriente, como las basadas en resistencias, amplificadores e isoladores digitales, están mostrando varias limitaciones que pueden superarse utilizando sensores de corriente TMR, reduciendo el espacio en el PCB de 2× a 5×.
“Otros ingenieros, que han estado utilizando un sensor basado en Hall para la detección de corriente, ahora están viendo que podemos ofrecer una ventaja significativa para su sistema en precisión, ancho de banda, latencia y eficiencia general”, dijo Kaske.
El diagrama de bloques de un PFC activo típico se muestra en Figura 2. El puente de diodos convierte el voltaje de entrada AC en un voltaje DC, mientras que la etapa PFC se inserta entre la línea y el convertidor principal. Actúa como un pre-convertidor (normalmente un convertidor de elevación), extrayendo una corriente sinusoidal de la red y proporcionando en la salida un voltaje DC.
Diagrama de una etapa típica de PFC activo (Fuente: Crocus Technology)
Figura 2
El CCM totem-pole PFC, mostrado en Figura 3, utiliza dos GaN MOSFETs, S1 y S2, configurados como un medio puente de alta frecuencia. S3 y S4 son guiados por la frecuencia de línea con MOSFETs síncronos. Los principales beneficios derivados de la adopción de esta solución son alta eficiencia, bajas pérdidas de energía y reducción del número de componentes. Las soluciones de conmutación suave de frecuencia más alta requieren un sensor de corriente que pueda detectar transientes rápidos para evitar posibles fallos en cascada. Este circuito utiliza solo un sensor de corriente bidireccional (iL) para detectar la corriente en el semiciclo positivo y el semiciclo negativo.
CCM totem-pole PFC (Fuente: Crocus Technology)
Figura 3
Sensor TMR frente a sensor basado en Hall (Fuente: Crocus Technology)
Figura 4
Según Crocus, un sensor XtremeSense TMR es la solución ideal para esta aplicación, ya que proporciona:
Alta relación señal-ruido y señal limpia al controlador
Baja pérdida de energía a través del conductor de corriente
Ancho de banda de 1 MHz con baja demora de fase y tiempo de respuesta de salida rápido (300 ns) para mediciones
Detección de sobrecorriente programable y pin de fallo para proporcionar información de corriente al MCU
Medición de corriente positiva y negativa con detección bidireccional
Aislamiento de alto voltaje (5 kV) para garantizar la seguridad
“Otro mercado donde vemos grandes oportunidades es el de la energía solar, un sector donde los transformadores de corriente, que proporcionan alta seguridad y buen aislamiento, se utilizan ampliamente,” dijo Kaske. “Creemos que es un mercado donde podemos competir con sensores de corriente sin contacto, ofreciendo el mismo o mejor aislamiento y mayor precisión.”
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