電流傳感器的種類繁多，本章從產(chǎn)品原理出發(fā)，通過(guò)不同技術(shù)路線的參數(shù)對(duì)比、不同產(chǎn)品的精度計(jì)算，在突顯集成化優(yōu)勢(shì)的同時(shí)讓讀者對(duì)于第四代磁傳感器TMR技術(shù)有一定的認(rèn)識(shí)與理解。

01

磁阻效應(yīng)原理

磁阻效應(yīng)：是指某些金屬或半導(dǎo)體的電阻值隨外加磁場(chǎng)變化而變化的現(xiàn)象。金屬或半導(dǎo)體的載流子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于受到電磁場(chǎng)的變化產(chǎn)生的洛倫茲力作用，產(chǎn)生了磁阻效應(yīng)。

磁阻效應(yīng)主要分為：常磁阻，巨磁阻，超巨磁阻，異向磁阻，穿隧磁阻效應(yīng)等。

隧道磁阻(TMR)效應(yīng)：鐵磁薄片的磁化方向可以在外磁場(chǎng)的控制下被獨(dú)立的切換。如果極化方向平行，那么電子隧穿過(guò)絕緣層的可能性會(huì)更大，其宏觀表現(xiàn)為電阻小；如果極化方向反平行，那么電子隧穿過(guò)絕緣層的可能性較小，其宏觀表現(xiàn)是電阻極大。因此，這種結(jié)可以在兩種電阻狀態(tài)中切換，即高阻態(tài)和低阻態(tài)。

02

發(fā)展背景

早在1975年,Julliere就在Co/Ge/Fe磁性隧道結(jié)(MagneticTunnelJunctions，MTJs)（注：MTJs的一般結(jié)構(gòu)為鐵磁層/非磁絕緣層/鐵磁層(FM/I/FM)的三明治結(jié)構(gòu)）中觀察到了TMR效應(yīng)。但是，這一發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)并沒(méi)有引起人們的重視。在這之后的十幾年內(nèi)，TMR效應(yīng)的研究進(jìn)展十分緩慢。（注：TMR效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理是自旋相關(guān)的隧穿效應(yīng)）

1988年,巴西學(xué)者Baibich在法國(guó)巴黎大學(xué)物理系Fert教授領(lǐng)導(dǎo)的科研組中工作時(shí)，首先在Fe/Cr多層膜中發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻(GMR)效應(yīng)。TMR效應(yīng)和GMR效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了凝聚態(tài)物理學(xué)中新的學(xué)科分支——磁電子學(xué)的產(chǎn)生。20年來(lái)，GMR效應(yīng)的研究發(fā)展非常迅速，并且基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究幾乎齊頭并進(jìn)，已成為基礎(chǔ)研究快速轉(zhuǎn)化為商業(yè)應(yīng)用的國(guó)際典范。

隨著GMR效應(yīng)研究的深入，TMR效應(yīng)開(kāi)始引起人們的重視。盡管金屬多層膜可以產(chǎn)生很高的GMR值，但強(qiáng)的反鐵磁耦合效應(yīng)導(dǎo)致飽和場(chǎng)很高，磁場(chǎng)靈敏度很小，從而限制了GMR效應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用。MTJs中兩鐵磁層間不存在或基本不存在層間耦合，只需要一個(gè)很小的外磁場(chǎng)即可將其中一個(gè)鐵磁層的磁化方向反向，從而實(shí)現(xiàn)隧穿電阻的巨大變化，故MTJs較金屬多層膜具有高得多的磁場(chǎng)靈敏度。同時(shí)，MTJs這種結(jié)構(gòu)本身電阻率很高、能耗小、性能穩(wěn)定。因此，MTJs無(wú)論是作為讀出磁頭、各類傳感器，還是作為磁隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM)，都具有無(wú)與倫比的優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用前景十分看好，引起世界各研究小組的高度重視。

03

不同技術(shù)路線對(duì)比

對(duì)于磁傳感器而言，霍爾技術(shù)是最成熟也是應(yīng)用最廣的，因此本次對(duì)比以霍爾為參考，從下表可以看出磁阻傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，而TMR多了功耗低、工作溫度范圍寬、溫度穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。

基于AMR的磁傳感不少大廠都有在做，在車規(guī)級(jí)的角度傳感器上AMR傳感有著不可忽視的重要作用。掌握GMR傳感的廠商相比于AMR來(lái)說(shuō)少了很多。TMR技術(shù)屬于這幾種技術(shù)中門(mén)檻最高的，其靈敏度、磁阻效應(yīng)也是最為領(lǐng)先的。Crocus的TMR傳感代表了TMR技術(shù)在世界范圍的技術(shù)風(fēng)向。

04

電流傳感器等效電路

霍爾電流傳感器分為開(kāi)環(huán)與閉環(huán)，從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，開(kāi)環(huán)霍爾傳感器由磁芯、霍爾芯片、信號(hào)處理回路構(gòu)成。其中霍爾芯片感應(yīng)磁場(chǎng)變化產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，該電壓信號(hào)通過(guò)運(yùn)放處理轉(zhuǎn)換為輸出的電壓信號(hào)，開(kāi)環(huán)電路等效電路如下。

眾所周知，小型化、輕型化、集成化一直是電力電子發(fā)展的主旋律，通過(guò)集成化不止可以降低產(chǎn)品成本，還可以提高產(chǎn)品的可靠性與一致性，因此也有了開(kāi)環(huán)專用集成電路ASIC，如下黑色方框?yàn)榧尚酒?/p>

閉環(huán)電路可以提高產(chǎn)品的精度與穩(wěn)定性，電流傳感器也是一樣道理，如下圖所示，運(yùn)放回路與開(kāi)環(huán)一樣，其輸出連接圖騰柱進(jìn)行電流放大，圖騰柱輸出給副邊線圈供電，此線圈繞制于磁芯上，在原邊有電流流過(guò)時(shí)，副邊線路電流產(chǎn)生的補(bǔ)償磁通與原邊電流Ip產(chǎn)生的磁通大小相等，方向相反，使得磁芯中磁通總量為零?；魻柶骷洼o助電路產(chǎn)生的副邊補(bǔ)償電流準(zhǔn)確反映了原邊電流的大小，原副邊電流大小為線圈匝比關(guān)系，通過(guò)輸出端口串聯(lián)電阻的方式就可以采樣到所需的電壓信號(hào)。

05

精度計(jì)算比對(duì)

電流傳感器最核心的參數(shù)即電流檢測(cè)精度，電流精度主要考慮線性度、零點(diǎn)以及零點(diǎn)溫漂，閉環(huán)產(chǎn)品增加一個(gè)增益誤差，因?yàn)榱泓c(diǎn)誤差可以通過(guò)軟件矯正，這里精度計(jì)算去除零點(diǎn)誤差。

開(kāi)環(huán)非ASIC產(chǎn)品精度計(jì)算：

開(kāi)環(huán)ASIC產(chǎn)品精度計(jì)算：

閉環(huán)產(chǎn)品精度計(jì)算：

霍爾產(chǎn)品精度計(jì)算

以LEM HX系列為例，其中霍爾芯片為非ASIC，線性誤差1%，輸出溫漂系數(shù)0.1%/K，額定輸出4V，零點(diǎn)輸出溫漂1.5mV/K。

HXS系列其中霍爾芯片為ASIC，線性誤差0.5%，增益誤差0.5%，增益溫漂系數(shù)0.05%/K，額定輸出0.625V，零點(diǎn)輸出溫漂0.15mV/K。

GO系列為貼片式ASIC產(chǎn)品，線性誤差0.3%，增益誤差0.4%，增益溫漂系數(shù)0.015%/K，額定輸出0.8V，零點(diǎn)輸出溫漂0.075mV/K。

假設(shè)額定電流20A，環(huán)境溫度85°C，計(jì)算10%額定電流2A時(shí)的精度誤差：

經(jīng)過(guò)計(jì)算，其中HX20-P誤差為38.5%，而HXS20-NP誤差為22.9%，GO20-SME誤差為9.925%。

可見(jiàn)同樣是模塊式產(chǎn)品，ASIC系列精度要比非ASIC要高，同樣是ASIC產(chǎn)品，貼片式要比模塊式精度高，也就是集成度越高的產(chǎn)品其小電流精度與穩(wěn)定性越好。另外也可以看到電流傳感器通常定義為額定電流以及常溫狀態(tài)下，考慮溫度漂移引起的誤差，以及小電流分母為實(shí)際輸出值，高溫小電流的誤差會(huì)比額定標(biāo)稱要高不少，這也是設(shè)計(jì)人員需要注意的點(diǎn)。

TMR產(chǎn)品精度計(jì)算

以Crocus CT415系列為例，其中CT415-xSN850MR為50A產(chǎn)品，該50A為最大值，等效于霍爾20A額定值。CT415-xSN850MR線性誤差為0.1%，另外從前面不同技術(shù)的參數(shù)對(duì)比也可以看出TMR溫度穩(wěn)定性要好很多，因此如下規(guī)格給出全溫度范圍增益誤差為0.5%，全溫度范圍零點(diǎn)誤差0.3%，可見(jiàn)影響其精度的最大因素為線性誤差，在85°C時(shí)，同樣是電流2A，其精度誤差主要為線性誤差，計(jì)算得出為2.5%。

TMR技術(shù)具有功耗低、尺寸小、響應(yīng)速度快、溫度穩(wěn)定性好、精度高的優(yōu)點(diǎn)，是電流傳感領(lǐng)域潛力股，其優(yōu)異性能將逐步得到關(guān)注以及廣泛使用。

如下Crocus產(chǎn)品系列作為參考，除了精度以外，其帶寬達(dá)到1MHz，是高頻開(kāi)關(guān)電源的另一大福音。