各项异性磁阻传感器与磁场测量中amr方向特性（各向异性磁阻传感器的原理）

Khagendra Thapa，ACEINNA 电流传感业务业务开发副总裁

嵌入式电子开发社区目前正在经历自集成电路诞生以来我们行业中最大的变化。从人工智能等新的面向软件的解决方案，到新的硬件拓扑，再到新的半导体材料，我们正处于一个需求不断增长的颠覆时期。

其中许多进步与用户功能有关，例如依赖下一代射频技术的基于云的物联网(IoT) 解决方案。其他快速新兴的电流传感应用包括电动汽车(EV) 及其高级驾驶员辅助系统(ADAS) 和自动驾驶需求，以及基于碳化硅(SiC) 和/或氮化镓(GaN) 的宽带隙电源开关。半导体。这些领域最重要的进步是性能和效率，这使得下一代电子解决方案能够满足用户和市场的挑战和需求。

个人电子产品的最新趋势给嵌入式系统设计人员带来了很大的压力。对于消费类和医疗类可穿戴设备、先进个人电子产品和物联网来说，尺寸越小、功能越多、使用寿命越长越好。同样，工业和汽车应用也在不断寻求突破，以实现更小、更高效、更可靠和更强大的解决方案。所有这些方面的显着改进包括减少零件数量、简化电路和提高运行效率。

电流传感技术对于创建小型精密控制和保护电子电路至关重要，这些电子电路将使未来的设备能够高效且经济高效地为应用提供服务。没有反馈就没有准确性，电流感测可以提供嵌入式智能系统自我管理所需的关键性能信息。当前传感解决方案的尺寸、精度和速度将直接影响所有这些方面（图1）。

AMR电流感应

基于新纳各向异性磁阻（AMR）技术的隔离电流传感器是一种单芯片解决方案，除了去耦电容器外不需要其他元件。与其他电流传感方法相比，AMR 传感器提供了紧凑且高性能的解决方案。例如，使用分流电阻器的问题在于它本质上不是隔离的。电流互感器比基于AMR 的电流传感器更大，并且只能与交流电一起使用。与使用霍尔效应传感器相比，AMR 技术提供1.5 MHz 的带宽，并且偏移和噪声更低（图2）。

图2：基于AMR 的电流感应与其他类型电流感应技术相比的优势

AMR 技术提供比并联寄存器或变压器更好的性能，响应直流和交流双向电流，具有1.5 MHz 带宽，比基于霍尔效应的解决方案具有更低的偏移和更低的噪声。基于AMR 的电流传感器具有更高的精度、更高的带宽、更低的相移和非常快的输出阶跃响应，是一种非常精确且紧凑的解决方案，适用于保护和控制电力系统的非常关键的测量（图3）。

图3：ACEINNA 电流传感器使用带有两个AMR 传感器的U 形弯头来抵消外部磁场。

在传感器内，电流流过引线框架中的U 形弯曲，在此处产生正向或反向磁场，该磁场由设备中的两个电流传感器进行测量。通过测量电流两个方向的磁场，该装置可以消除外部磁场和可能的磁异常。这使得水平感应AMR 芯片能够忽略电路板上其他附近组件产生的外部磁场。

电子车

目前，电动汽车受到广泛关注。由于它们都与车辆续航里程和充电效率直接相关，因此重点关注提高动力总成、电机和车载/车载充电系统的效率以及电池组的性能。在这些应用领域正确应用电流传感技术可以带来显着的优势。

由于电动机是电力消耗的地方，任何改进都会给整个系统带来级联效益，从提高电动汽车续航里程到减少热管理需求。驱动电动机时，开关频率和控制机制至关重要。

有效的电机控制需要精确的性能测量，为此，您需要有效的电流传感器。为了监控电机的状况以进行预测性维护，快速电流传感器有助于测量和监控电机的纹波电流，以确定使用寿命和性能参数。在保护方面，电流传感器通过提高电机驱动的控制、准确性和可靠性来帮助支持安全。

许多电动汽车电力电子和充电系统正在转向先进的宽带隙半导体，例如碳化硅和氮化镓，因为其好处包括更高的效率和提高开关频率的能力。快速开关的一个显着优势是能够减小电路中无源和磁性元件的尺寸，从而具有立竿见影的尺寸和重量优势。

然而，当电路开关速度更快时，必须保持测量性能参数的能力，这就需要来自快速、准确的电流传感器的实时信息。实时监控电路可实现电源开关和电机驱动频率的动态控制以及可靠、快速的故障检测等高级功能。

在电动火车、工业机械、牵引和机器人等相关领域，我们开始看到磁阻电机的使用，这种无绕组设计通过磁阻产生扭矩。磁阻电机可采用同步、可变、开关和可变步进配置，以低成本提供高功率密度。

磁阻电机的问题包括低速时的高扭矩脉动以及由此产生的噪音。此外，由于涉及极高的温度，磁阻电机通常配备单独的线束和控制系统。使用宽禁带SiC 半导体和高带宽AMR 传感器的先进解决方案可以吸收更多热量，从而减小整体系统尺寸、重量和复杂性，并提供级联优势（图4）。

图4：可变开关磁阻电机可提供高功率密度。

磁阻电机比类似电机更轻，因为它们的转子中没有铜线圈。然而，所需的控制系统非常复杂，因为如果不能准确控制与扭矩相关的电流，就会产生扭矩脉动，从而产生噪声问题。先进的快速电流感应改善了纹波电流的控制，提供更低的噪声和更可靠的解决方案。

重新启动保护侧非常重要，因为在高功率系统中，您可能希望在1.5 s 内关闭整个功率级。如果您查看停机时间预算，就会发现阶跃响应必须小于500 ns，并且随着我们转向更高的功率和频率水平，这一点将变得更加严格。

功率因数校正

功率因数校正(PFC) 用于降低感性负载中的滞后功率因数，它可以补偿电压和电流之间的相位差，因为当功率因数降低时，系统效率也会降低。

为了在功率因数为0.2 时获得1 kW 的有功功率，需要传输5 kVA 的视在功率（1 kW0.2=5 kVA）。对于电机、冰箱和HVAC 系统、逆变器、不间断电源(UPS) 和类似应用空间等感性负载，这显然会显着影响性能。

宽带隙SiC 和GaN 功率开关的快速开通和关断时间、快速反向恢复和低导通电阻可以有效利用图腾柱架构来提高PFC 的效率并减少使用的组件数量。这些优势帮助电源系统获得更高效率的80+金钛认证。

例如，当涉及图腾柱PFC 中的纹波电流时，逐周期测量电流以计算脉宽调制(PWM) 占空比需要更高的带宽，以便能够匹配电路的开关频率。假设您将PFC 开关频率提高到65、140、200 甚至300 kHz，理想情况下电流传感器的带宽是开关频率的10 倍。

智能制造

对于智能制造和智能工厂来说，真正涉及的是自动化和数据交换。在将有源设备连接到智能基础设施和互联网的系统中，您还需要电源转换。电源监控和管理对于智能装配流程的最佳运行至关重要，所有内容均受到实时监控。

AMR 电流传感器可以部署在自动化系统内的不同位置，以利用其精度、带宽和阶跃响应。如果您拥有高精度传感器，您可以优化流程并提高效率和生产力。

通过使用AMR 电流感应来确定处理器的使用量，可以进一步利用这种性能优势，特别是在涉及人工智能、云和数据存储的应用中。 AMR 电流传感器还支持功率跟踪，以实现性能监控、优化处理器负载和热管理。

展望未来

无论是用于先进的电动汽车、整个智能工厂、UPS、逆变器还是电机驱动器，高效且经济高效的电源管理都是实现最佳性能的关键。在驱动电动机或为5G 电信供电等应用中，您希望运行得更快、更高效。先进的电流传感功能可在更高的频率和温度下实现更高水平的控制，并提高效率。

下一代嵌入式设备必须能够以最高效、最具成本效益的方式服务于最新的应用空间。使用基于AMR 的电流传感解决方案确保电子设备处于最佳状态，将为整个系统带来级联效益

没有反馈就没有精确性。精确、快速的电流反馈可在先进的有源电路中实现最高水平的高效和安全操作。

编辑：hfy