基于ACEINNA各向異性磁阻（AMR）技術(shù)的電流感應(yīng)系統(tǒng)

ACEINNA當(dāng)前傳感業(yè)務(wù)業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁Khagendra Thapa

自從集成電路創(chuàng)建以來，嵌入式電子開發(fā)社區(qū)當(dāng)前正在經(jīng)歷我們行業(yè)中最大的變化。從人工智能等新的面向軟件的解決方案到新的硬件拓?fù)湓俚叫碌?a target="_blank">半導(dǎo)體材料，我們正處在需求增長的顛覆時期。

這些進(jìn)步中有許多與用戶功能有關(guān)，例如依賴于下一代RF技術(shù)的基于云的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）解決方案。其他快速出現(xiàn)的電流感應(yīng)應(yīng)用包括電動汽車（EV）及其高級駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）和自動駕駛需求，以及基于碳化硅（SiC）和/或氮化鎵（GaN）的寬帶隙功率開關(guān)）半導(dǎo)體。這些領(lǐng)域最重要的進(jìn)步是性能和效率，這使得下一代電子解決方案能夠應(yīng)對用戶和市場的挑戰(zhàn)和需求。

個人電子產(chǎn)品的最新趨勢給嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計人員帶來了很大壓力。當(dāng)涉及消費(fèi)和醫(yī)療可穿戴設(shè)備，先進(jìn)的個人電子產(chǎn)品和IoT時，越小，功能越多，使用壽命越長越好。同樣，工業(yè)和汽車應(yīng)用也在不斷尋求突破，以實現(xiàn)更小，更高效，可靠和強(qiáng)大的解決方案。所有這些方面的重大改進(jìn)包括減少零件數(shù)量，簡化電路和提高運(yùn)營效率。

電流傳感技術(shù)對于創(chuàng)建小型精密控制和保護(hù)電子電路至關(guān)重要，這些微型電子控制電路將使未來的設(shè)備能夠高效，經(jīng)濟(jì)地為應(yīng)用服務(wù)。沒有反饋就沒有精度，電流感應(yīng)可以提供嵌入式智能系統(tǒng)管理自身所需的關(guān)鍵性能信息。您的電流感應(yīng)解決方案的大小，準(zhǔn)確性和速度將直接影響所有這些方面（圖1）。

AMR電流感測

基于ACEINNA各向異性磁阻（AMR）技術(shù)的隔離式電流傳感器是一種單芯片解決方案，除去耦電容器外，不需要其他組件。與其他電流檢測方法相比，AMR傳感器提供了一種緊湊而高性能的解決方案。例如，使用分流電阻器的問題是它本身并不是隔離的。電流互感器比基于AMR的電流傳感器大，并且只能與AC一起使用。與使用霍爾效應(yīng)傳感器相比，AMR技術(shù)提供1.5 MHz的帶寬，并且具有較低的失調(diào)和噪聲（圖2）。

圖2：基于AMR的電流感測與其他類型的電流感測技術(shù)相比的優(yōu)勢

與并聯(lián)寄存器或變壓器相比，AMR技術(shù)具有更好的性能，與基于霍爾效應(yīng)的解決方案相比，可響應(yīng)DC和AC雙向電流，具有1.5 MHz的帶寬，更低的失調(diào)和更低的噪聲?；贏MR的電流傳感器具有更高的精度，更高的帶寬，更低的相移以及非?？斓妮敵鲭A躍響應(yīng)，是一種非常精確，緊湊的解決方案，可用于非常關(guān)鍵的測量，以保護(hù)和控制電源系統(tǒng)（圖3）。

圖3：ACEINNA電流傳感器使用帶有兩個AMR傳感器的U型彎曲來抵消外部磁場。

在傳感器內(nèi)，電流流過引線框架中的U形彎頭，在其中產(chǎn)生由設(shè)備中兩個電流傳感器測得的正向或反向磁場。通過從兩個電流方向測量磁場，該設(shè)備可以消除外部磁場和可能存在的磁異常。這樣一來，水平感應(yīng)AMR芯片就可以忽略板上其他附近組件產(chǎn)生的外部磁場。

電動汽車
目前，電動汽車引起了極大的關(guān)注。由于它們都與車輛續(xù)航里程和充電效率直接相關(guān)，因此許多重點都放在提高動力總成，電機(jī)和車載/車載充電系統(tǒng)的效率以及電池組的性能上。在這些應(yīng)用領(lǐng)域中正確應(yīng)用電流傳感技術(shù)可以帶來顯著的優(yōu)勢。

由于電動機(jī)是消耗電能的地方，因此任何改進(jìn)都會從提高EV范圍到減少熱管理需求的整個系統(tǒng)中級聯(lián)帶來好處。在驅(qū)動電動機(jī)時，開關(guān)頻率和控制機(jī)制至關(guān)重要。

有效的電動機(jī)控制需要準(zhǔn)確的性能測量，為此，您需要有效的電流傳感器。為了對電動機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視以進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)，快速電流傳感器有助于測量和監(jiān)視電動機(jī)的紋波電流，從而確定使用壽命和性能參數(shù)。在保護(hù)方面，電流傳感器通過改善電動機(jī)驅(qū)動器的控制，準(zhǔn)確性和可靠性來幫助支持安全性。

許多EV電力電子設(shè)備和充電系統(tǒng)正在遷移至SiC和GaN等先進(jìn)的寬帶隙半導(dǎo)體，因為其帶來的好處包括更高的效率和增加開關(guān)頻率的能力?？焖匍_關(guān)的一個顯著優(yōu)勢是能夠縮小電路中無源元件和磁性元件的尺寸，并具有直接的尺寸和重量優(yōu)勢。

但是，當(dāng)電路切換速度更快時，必須能夠保持測量性能參數(shù)的能力，從而需要來自快速，準(zhǔn)確的電流傳感器的實時信息。實時監(jiān)控電路可實現(xiàn)高級功能，例如動態(tài)控制電源開關(guān)和電機(jī)驅(qū)動頻率，以及可靠且快速的故障檢測。

在電動火車，工業(yè)機(jī)械，牽引和機(jī)器人技術(shù)的相關(guān)領(lǐng)域，我們開始看到磁阻電動機(jī)的使用，這種無繞組設(shè)計通過磁阻產(chǎn)生扭矩。磁阻電動機(jī)具有同步，可變，開關(guān)和可變步進(jìn)配置，可以低成本提供高功率密度。

磁阻電動機(jī)的問題包括低速時的高轉(zhuǎn)矩脈動和由此產(chǎn)生的噪聲。此外，由于所涉及的溫度極高，因此磁阻電機(jī)通常部署有單獨的線束和控制系統(tǒng)。使用寬帶隙SiC半導(dǎo)體和高帶寬AMR傳感器的高級解決方案可以吸收更多的熱量，從而降低了整個系統(tǒng)的尺寸，重量和復(fù)雜度，并提供了級聯(lián)效益（圖4）。

圖4：可變開關(guān)磁阻電機(jī)可以提供高功率密度。

磁阻電動機(jī)由于在轉(zhuǎn)子中沒有銅線圈而制成，因此比同類電動機(jī)要輕。但是，所需的控制系統(tǒng)非常復(fù)雜，因為如果您不準(zhǔn)確地控制與轉(zhuǎn)矩相關(guān)的電流，則會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩波動，從而產(chǎn)生噪聲問題。先進(jìn)的快速電流感測可改善對紋波電流的控制，從而提供更低的噪聲和更可靠的解決方案。

重新啟動保護(hù)端很重要，因為在大功率系統(tǒng)中，您可能希望在1.5 μs內(nèi)關(guān)閉整個功率級。如果您查看停機(jī)時間預(yù)算，則階躍響應(yīng)必須小于500 ns，并且隨著我們向更高功率和頻率水平的遷移，這一步將變得更加嚴(yán)格。

功率因數(shù)校正

用于減少電感負(fù)載中的滯后功率因數(shù)，功率因數(shù)校正（PFC）補(bǔ)償電壓和電流之間的相位差，因為當(dāng)功率因數(shù)下降時，系統(tǒng)效率會降低。

為了在0.2功率因數(shù)下獲得1 kW的有功功率，需要傳輸5 kVA的視在功率（1 kW÷0.2 = 5 kVA）。在電機(jī)，冰箱和HVAC系統(tǒng)，逆變器，不間斷電源（UPS）和類似的應(yīng)用空間等電感性負(fù)載的情況下，這顯然會嚴(yán)重影響性能。

寬帶隙基于SiC和GaN的功率開關(guān)的快速開啟和關(guān)閉時間，快速反向恢復(fù)以及較低的導(dǎo)通電阻，可以有效地利用圖騰柱架構(gòu)來提高PFC的效率并減少所用組件的數(shù)量。這些優(yōu)勢有助于電源系統(tǒng)獲得更高效率的80+金和鈦認(rèn)證。

例如，當(dāng)涉及圖騰柱中PFC中的紋波電流時，要逐周期測量電流以計算脈寬調(diào)制（PWM）占空比，則需要具有較高的帶寬以具有以下功能：匹配電路的開關(guān)頻率。假設(shè)您將PFC開關(guān)頻率推到65、140、200甚至300 kHz，理想情況下，電流傳感器的帶寬是開關(guān)頻率的10倍。

智能制造

對于智能制造和智能工廠，它實際上是關(guān)于自動化和數(shù)據(jù)交換的。在將有源設(shè)備連接到智能基礎(chǔ)設(shè)施和Internet的系統(tǒng)中，您還將需要電源轉(zhuǎn)換。電源監(jiān)控和管理對于智能裝配過程的最佳運(yùn)行至關(guān)重要，實時監(jiān)控所有內(nèi)容。

自動化系統(tǒng)中的各個位置均可部署AMR電流傳感器，以利用其準(zhǔn)確性，帶寬和階躍響應(yīng)。如果您擁有高度精確的傳感器，則可以優(yōu)化過程并提高效率和生產(chǎn)率。

通過使用AMR電流感應(yīng)來確定正在使用多少處理器，尤其是涉及AI，云和數(shù)據(jù)存儲的應(yīng)用程序，可以進(jìn)一步利用這種性能優(yōu)勢。AMR電流傳感器還可以啟用功率跟蹤功能，以進(jìn)行性能監(jiān)控，優(yōu)化處理器負(fù)載和散熱管理。

展望未來

無論是用于高級電動汽車，整個智能工廠，UPS，逆變器還是電機(jī)驅(qū)動器，高效且經(jīng)濟(jì)高效的電源管理是實現(xiàn)最佳性能的關(guān)鍵。在驅(qū)動電動機(jī)或為5G電信供電的應(yīng)用中，您希望運(yùn)行得更快，更有效。先進(jìn)的電流感應(yīng)功能可以在更高的頻率和溫度下實現(xiàn)更高水平的控制，并具有更高的效率。

下一代嵌入式設(shè)備必須能夠最高效，最具成本效益地服務(wù)于最新的應(yīng)用程序空間。使用基于AMR的電流感測解決方案來確保電子設(shè)備處于最佳狀態(tài)，將在整個系統(tǒng)中獲得級聯(lián)效益

沒有反饋就沒有精度。精確的快速電流反饋可在高級有源電路中實現(xiàn)最高水平的高效和安全操作。
編輯：hfy