Winzige TMR-Sensoren transformieren Strommessung: Hohe Präzision, niedriger Stromverbrauch, kompaktes Design

Heute können diverse Technologien Magnetfelder in proportionale Spannungen umwandeln und ermöglichen Anwendungen von magnetischen Encodern bis zur Strommessung.

Der Hall-Effekt, 1879 von Edwin Hall entdeckt, treibt seit langem festkörperbasierte magnetische Sensoren an. Doch seine Limitationen – höherer Stromverbrauch, begrenzte Sensitivität und Kosten – haben die Suche nach effizienteren Alternativen angestoßen.

Hier kommt Magnetowiderstand (MR) ins Spiel: das Phänomen, bei dem der elektrische Widerstand eines Materials unter einem Magnetfeld verschiebt. Der MR-Effekt variiert mit der internen Magnetisierung des Materials und bietet neue Wege für Sensordesign.

Ein bahnbrechender Derivat von MR ist Tunnel-Magnetowiderstand (TMR). In den 1990ern von Professor Terunobu Miyazaki entdeckt, besteht ein TMR-Sensor aus zwei ferromagnetischen Schichten, getrennt durch eine nanometerdünne isolierende Barriere. Richten sich die Magnetisierungen der Schichten aus, fällt der Widerstand; opponieren sie, steigt er – ein eleganter quantenmechanischer Effekt.

Crocus Technology

Crocus Technology nutzt seine patentierte XtremeSense TMR-Plattform, um magnetische Sensoren für industrielle und Consumer-Elektronik zu liefern. Die XtremeSense-Familie umfasst integrierte Schalter und Stromsensoren, die in Performance und Footprint überzeugen.

Wesentliche Vorteile von XtremeSense TMR:

• Außergewöhnliches Signal-Rausch-Verhältnis – 5-mA-Auflösung bei Strommessung
• Ultra-niedriger Stromverbrauch – 110 nA im Schaltmodus
• Robuste Temperaturstabilität – < 40 ppm/°C

„Die Nachfrage nach hochschneller, präziser, latenzarmer Strommessung steigt – besonders in Leistungs-Elektronik-Architekturen“, sagt Tim Kaske, Vice President of Sales and Marketing bei Crocus.

TMR-Sensoren passen natürlich in die Rolle von Stromsensoren. Ihr Widerstand variiert mit dem umgebenden Magnetfeld, und in Kombination mit moderner CMOS-Schaltung liefern sie hoch-SNR, lineare und thermisch stabile Messungen – ideal für sowohl Kontakt- als auch berührungslose Anwendungen.

TMR-Sensor Use Case

Leistungsfaktorkorrektur (PFC) ist eine kritische Technologie in Netzteilen, vorgeschrieben durch Standards wie EN 61000-3-2. Eine PFC-Stufe erhöht die Laststromfähigkeit während sie AC-Oberwellen unterdrückt und einen sauberen, in-Phasen-Strom liefert.

Kaske merkt an: „Wir zielen auf CCM Totem-Pole PFC mit GaN-MOSFETs ab – ein Bereich, der in einem Jahrzehnt wenig Evolution sah. Neue Controller unterstützen nun diese Architektur und öffnen Türen zu EV-Ladern, Computing und Rechenzentren.“

Traditionelle Shunt-basierte Strommessung bringt Limitationen – Größe, Leistungsverlust, Bandbreitenbeschränkungen. TMR-Lösungen können den PCB-Footprint halbieren oder vierteln, während sie überlegene Genauigkeit, Bandbreite und Latenz liefern.

„Ingenieure, die auf Hallsensoren vertrauten, sehen nun, wie TMR einen Leistungssprung in Genauigkeit, Bandbreite und Effizienz bietet“, fügt Kaske hinzu.

Das Blockdiagramm einer Standard-Aktiv-PFC folgt in Abbildung 2. Eine Diodenbrücke wandelt den AC-Eingang in DC um, und ein Vorwandler (typischerweise Boost) zieht einen sinusförmigen Strom vom Netz und liefert einen DC-Ausgang.

Die in Abbildung 3 dargestellte CCM Totem-Pole PFC nutzt zwei GaN-MOSFETs (S1 & S2) in einer hochfrequenten Halbbrücke, während S3 und S4 netzfrequentes synchrones Schalten handhaben. Ihre Vorteile – hohe Effizienz, niedrige Verluste, Bauteilereduktion – machen sie attraktiv für moderne Stromsysteme. Das Design erfordert einen Stromsensor, der schnelle Transienten erfassen kann, um Kaskadenausfälle zu vermeiden, indem ein einzelner bidirektionaler Sensor beide Halbwellen überwacht.

Laut Crocus sind XtremeSense TMR-Sensoren die ideale Wahl für diese Applikation und bieten:

• Hohes SNR und sauberes Ausgangssignal an den Controller
• Minimale Leitungsverluste
• 1 MHz Bandbreite, niedrige Phasenverzögerung und 300 ns Anstiegszeit für schnelle Messung
• Programmierbare Überstromdetektion und Fehler-Pin für MCU-Integration
• Bidirektionale Erfassung positiver und negativer Ströme
• 5 kV Isolation für Sicherheit

„Solarenergie ist ein weiteres fruchtbares Feld“, sagt Kaske. „Stromwandler bieten Isolation und Sicherheit, aber TMR kann mithalten – mit vergleichbarer Isolation bei höherer Genauigkeit.“

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

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