Kleine Sensoren profitieren von aktuellen Sensoranwendungen

Heutzutage stehen mehrere Techniken zur Verfügung, die ein Magnetfeld in eine proportionale Spannung umwandeln können. Magnetsensoren wurden in verschiedenen Anwendungen in einer Vielzahl von Sektoren verwendet, darunter magnetische Encoder, E-Kompasse, absolute Winkelsensoren, einfache Ein-/Ausschalter und Strommessung.

Der 1879 von Edwin Hall entdeckte Hall-Effekt wird seit vielen Jahren erfolgreich und weit verbreitet zum Bau magnetischer Festkörpersensoren eingesetzt. Es sind jedoch einige Einschränkungen erreicht, die Systemdesigner zwingen, neue Technologien zu entwickeln, die die Zielanforderungen erfüllen, wie z. B. geringer Stromverbrauch, hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit sowie erschwingliche Kosten.

Neue Technologien, die diese Anforderungen erfüllen können, basieren auf dem Magnetowiderstandseffekt (MR), der die Eigenschaft eines Materials (wie Eisen, Nickel und Kobalt) ist, seinen elektrischen Wert unter einem Magnetfeld zu ändern. Die Änderung der Magnetisierung eines Materials verändert die Bewegung von Elektronen im Inneren, was zu einer Änderung des elektrischen Widerstands des Geräts führt. Der MR-Effekt hat unterschiedliche Eigenschaften, je nachdem, wie das Innere des magnetischen Materials magnetisiert wurde.

Eine neuartige Technologie, die aus der MR hervorgegangen ist, ist der Tunnel-Magnetowiderstandseffekt (TMR), der in den 1990er Jahren von Professor Terunobu Miyazaki entdeckt wurde. Wie in Abbildung 1 gezeigt, besteht ein TMR-Sensorelement aus einer extrem dünnen nichtmagnetischen Isolationsschicht im Nanometerbereich, die zwischen zwei ferromagnetischen Schichten eingebettet ist. Elektronen passieren eine isolierende Schicht von einer ferromagnetischen Schicht zur anderen. Dies ist ein Beispiel für die Quantenmechanik in Aktion. Wenn die Magnetisierungsrichtungen der beiden ferromagnetischen Materialien parallel sind, nimmt der Widerstand ab, während der Widerstand ansteigt, wenn sie antiparallel sind.

Abbildung 1:Ein TMR-Übergang bestehend aus zwei Ferromagneten und einer Tunnelschicht (Quelle:Crocus Technology)

Krokus-Technologie

Crocus Technology bietet eine große Auswahl an Magnetsensoren basierend auf seiner patentierten XtremeSense TMR-Technologie für Industrie- und Unterhaltungselektronikanwendungen. Die XtremeSense TMR-Technologie ist das Herzstück der Crocus Magnetsensorfamilie, die integrierte Magnetschalter und Stromsensoren umfasst.

Laut Crocus sind die Hauptvorteile der XtremeSense TMR-Technologie:

• Hohes SNR (5-mA-Auflösung bei Stromsensoren)
• Geringer Stromverbrauch (110 nA in Schaltern)
• Temperaturstabilität (weniger als 40 ppm/°C)

„Die Nachfrage nach Stromsensorik nimmt weiter zu, insbesondere für Architekturen, die schneller laufen, genauer sein und weniger Latenz haben müssen – hier sehen wir die Einführung von Crocus-Geräten wirklich“, sagte Tim Kaske, Vice President of Sales and Marketing bei Crocus Technology.

TMR bietet mehrere Eigenschaften, die seinen Einsatz als Stromsensor ermöglichen. Aufgrund des TMR-Effekts ändert sich der Widerstand eines TMR-Sensors entsprechend dem externen Magnetfeld. In Kombination mit modernsten CMOS-Schaltkreisen können TMR-basierte Sensoren als High-SNR-Sensoren mit hervorragender Linearität und thermischer Leistung verwendet werden. Diese Eigenschaften der TMR-Sensoren ermöglichen den Einsatz als kontaktbehafteter oder kontaktloser Stromsensor.

Anwendungsfall für TMR-Sensor

Eine Schlüsselanwendung, die genaue und zuverlässige Strommesslösungen erfordert, ist die Leistungsfaktorkorrektur (PFC), eine Schaltung, die in vielen Leistungsanwendungen (wie z durch internationale Vorschriften, wie EN61000-3-2 in Europa. Ein Netzteil mit PFC-Stufe kann höhere Ausgangslastströme liefern als solche ohne Leistungsfaktorkorrektur. PFC kann die Oberschwingungen des Wechselstroms erheblich reduzieren, sodass fast nur die „grundsätzliche“ Stromfrequenz übrig bleibt, die mit der Spannungswellenform in Phase ist.

„Wir sehen wirklich, dass eine der Hauptanwendungen, in die wir uns bewegen, der CCM-Totempfahl-PFC mit GaN-MOSFETs ist“, sagte Kaske. „Ich würde sagen, dass die PFC-Phase in den letzten 10 Jahren nicht viele Updates erhalten hat, aber jetzt, mit der Totempfahl-Architektur und neuen Controllern, die sie unterstützen können, eröffnen sich neue Möglichkeiten, wie z -Board-Ladegeräte, Computer und Rechenzentren.“

Standard-Strommesslösungen, wie z. B. auf der Basis von Shunt-Widerständen, Verstärkern und digitalen Isolatoren, weisen mehrere Einschränkungen auf, die durch den Einsatz von TMR-Sensoren überwunden werden können, indem die Grundfläche auf der Leiterplatte um das 2- bis 5-fache verkleinert wird.

„Andere Ingenieure, die einen Hall-basierten Sensor zur Strommessung verwendet haben, sehen jetzt, dass wir ihrem System einen erheblichen Vorteil in Bezug auf Genauigkeit, Bandbreite, Latenz und Gesamteffizienz bieten können“, sagte Kaske.

Das Blockschaltbild einer typischen aktiven PFC ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Diodenbrücke wandelt die Eingangswechselspannung in eine Gleichspannung um, während die PFC-Stufe zwischen Leitung und Hauptumrichter eingefügt wird. Es fungiert als Vorkonverter (normalerweise ein Aufwärtswandler), der einen sinusförmigen Strom aus dem Netz zieht und am Ausgang eine Gleichspannung bereitstellt.

Abbildung 2:Diagramm einer typischen aktiven PFC-Stufe (Quelle:Crocus Technology)

Der in Abbildung 3 gezeigte CCM-Totempfahl-PFC verwendet zwei GaN-MOSFETs, S1 und S2, die als Hochfrequenz-Halbbrücke konfiguriert sind. S3 und S4 sind netzfrequenzgeführt mit synchronen MOSFETs. Die Hauptvorteile, die sich aus der Einführung dieser Lösung ergeben, sind ein hoher Wirkungsgrad, geringe Leistungsverluste und eine reduzierte Anzahl von Komponenten. Die Lösungen für weiches Schalten mit höherer Frequenz erfordern einen Stromsensor, der schnelle Transienten erkennen kann, um potenzielle Kaskadenausfälle zu verhindern. Diese Schaltung verwendet nur einen bidirektionalen Stromsensor (i _L ) zum Erfassen des Stroms bei positiver Halbwelle und negativer Halbwelle.

Abbildung 3:CCM-Totempfahl-PFC (Quelle:Crocus Technology)

Laut Crocus ist ein XtremeSense TMR-Sensor die ideale Lösung für diese Anwendung, da er Folgendes bietet:

• Hohes SNR und sauberes Signal an den Controller
• Geringe Verlustleistung durch den stromdurchflossenen Leiter
• 1-MHz-Bandbreite mit geringer Phasenverzögerung und schneller Ausgangsreaktionszeit (300 ns) für Messungen
• Programmierbare Überstromerkennung und Fehler-Pin zur Bereitstellung aktueller Informationen an die MCU
• Messung von positivem und negativem Strom mit bidirektionaler Abtastung
• Hochspannungsisolierung (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 dies ein Markt ist, auf dem wir mit kontaktlosen Stromsensoren konkurrieren können, die die gleiche oder eine bessere Isolierung und höhere Genauigkeit bieten.“

>> Dieser Artikel wurde ursprünglich auf unserer Schwesterseite Power Electronics News veröffentlicht.

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