浮思特 | 新興傳感器技術(shù)：TMR與分流解決方案的對比分析

有一段時(shí)間，分流解決方案被視為傳感器技術(shù)中的安全選擇，但世界已經(jīng)改變。拼湊廉價(jià)的分流架構(gòu)的時(shí)代已經(jīng)結(jié)束。隨著精度要求的不斷提高，傳統(tǒng)的分流解決方案在總解決方案成本急劇上漲的情況下失去了成本效益。

分流挑戰(zhàn)

分流設(shè)計(jì)師通常面臨平衡的挑戰(zhàn)，需要選擇正確的電阻器、運(yùn)算放大器和實(shí)現(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的組合。設(shè)計(jì)一個(gè)準(zhǔn)確且具有成本效益的基于分流的電流傳感解決方案需要大量的工程努力。

例如，在高壓系統(tǒng)中使用分流電阻器來測量高側(cè)電流時(shí)，需要一個(gè)隔離的運(yùn)算放大器，這將使設(shè)計(jì)變得復(fù)雜并增加成本。隧道磁阻(TMR)架構(gòu)簡化了電路設(shè)計(jì)，同時(shí)提供內(nèi)置的電氣隔離。其結(jié)構(gòu)提供了固有的隔離，因?yàn)樾酒系闹鲃与娐放c模制封裝外部沒有電氣連接。

另一個(gè)關(guān)注點(diǎn)是供應(yīng)鏈，這推動了滿足電流感應(yīng)要求的新方法。供應(yīng)鏈問題意味著像分流這樣的復(fù)雜架構(gòu)會帶來重大風(fēng)險(xiǎn)。例如，許多用于分流解決方案的零漂運(yùn)算放大器現(xiàn)在需要一年才能獲得。更多的零件意味著更多的問題可能出現(xiàn)，更多依賴于供應(yīng)鏈，最終風(fēng)險(xiǎn)也更大。

TMR與分流

在基于分流的傳感中，一個(gè)小值的分流電阻器(通常小于一個(gè)歐姆)被串聯(lián)在負(fù)載中。根據(jù)歐姆定律，分流兩側(cè)的小電壓與負(fù)載的電流消耗成正比。隨著最大電流的增加，分流電阻值必須減小，以最小化由于發(fā)熱和溫度升高造成的過度功率損耗。

在許多情況下，這個(gè)小電壓必須被放大，以提供足夠的分辨率、信噪比和準(zhǔn)確性(見圖1)。然而，低價(jià)的分流傳感器可能會遭遇功率損耗、由于溫度系數(shù)引起的溫度誤差和低輸出范圍。因此，一個(gè)好的電阻器和一個(gè)隔離的零漂運(yùn)算放大器可能不再是最具成本效益或最簡單的解決方案。

在高性能應(yīng)用中，分流在某些類別(帶寬)表現(xiàn)良好，而在其他類別(噪聲)表現(xiàn)較差(見圖2)。

TMR在隔離應(yīng)用中也具有比基于分流的系統(tǒng)更簡單的架構(gòu)(見圖3)。

設(shè)計(jì)考慮

歷史上，霍爾效應(yīng)傳感被視為分流的替代方案，但由于溫度性能差、線性誤差和偏移誤差，它并不是一個(gè)可行的替代方案。以下是它們的比較。

磁性 - 霍爾效應(yīng)

其操作依賴于霍爾效應(yīng)，如圖4(a)所示，當(dāng)電流(I)在施加的磁場(B)中流過導(dǎo)體時(shí)，會產(chǎn)生一個(gè)橫向的霍爾電壓(UH)，該電壓是電流、磁場、導(dǎo)體厚度和載流子密度的函數(shù)。

圖5顯示了一個(gè)典型的電動車(EV)或混合動力電動車(HEV)布置，其中分流器置于電池回流路徑中。分流電阻器是一個(gè)模塊的一部分，該模塊還包括一個(gè)電池管理IC，用于測量分流器兩端的電壓，并通過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的CAN總線與車輛網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。請注意，電流流動可以是正向或負(fù)向。

“理想”分流電阻器的電阻隨時(shí)間、電流或工作溫度不變;而現(xiàn)實(shí)設(shè)備并非如此。例如，任何電阻都會根據(jù)公式P = I2R消耗功率。隨著I的增加，溫度也會升高。在實(shí)際組件中，溫度的變化會導(dǎo)致R值的變化，這在電阻數(shù)據(jù)表中以溫度系數(shù)(TCR)表示。此外，組件老化會導(dǎo)致電阻隨時(shí)間變化，現(xiàn)實(shí)設(shè)備還會表現(xiàn)出寄生電感和電容。在低電流下，可能會由于熱電動勢(EMF)造成誤差——即由于分流電阻器上的溫度變化引起的微伏(μV)范圍內(nèi)的電壓。

霍爾效應(yīng)與分流電阻器

霍爾效應(yīng)傳感器可以測量直流和交流電流，具有固有的電氣隔離、低功耗和與功率電子的熱解耦，但它們歷來的弱點(diǎn)包括：帶寬低;在溫度變化下輸出漂移和非線性;以及在高電流下自熱導(dǎo)致的過流能力低。磁芯表現(xiàn)出滯后，而飽和會導(dǎo)致非理想的偏移和線性特性。此外，磁芯導(dǎo)致體積和重量相對較大。

另一方面，分流電阻器系統(tǒng)可以具有高帶寬，并在過流條件下表現(xiàn)良好。它們也可以測量交流和直流電流。由于沒有磁芯，它們重量輕，不會發(fā)生飽和和滯后，并且對由電磁干擾(EMI)引起的信號噪聲不太敏感?；诜至鞯南到y(tǒng)在電動車等應(yīng)用中對振動更具魯棒性。

基于分流的傳感技術(shù)可以成為車輛和固定應(yīng)用的高效解決方案?；魻栃?yīng)磁性組件有其適用之處，但在對廣泛溫度范圍內(nèi)的精確性能要求較高的地方，基于分流的解決方案更為可取

圖6展示了基于分流的系統(tǒng)在溫度變化下的準(zhǔn)確性與霍爾效應(yīng)系統(tǒng)的比較。

TMR技術(shù)的優(yōu)勢

TMR技術(shù)相對于分流電阻器(加上放大器和數(shù)字隔離器)和基于霍爾效應(yīng)的傳感解決方案具有優(yōu)勢，尤其是對于電池供電的系統(tǒng)。TMR還提供更低的功耗、更好的熱穩(wěn)定性、更高的分辨率和更高的靈敏度。

令人驚訝的是，TMR提供的靈敏度比霍爾效應(yīng)高出1000倍，同時(shí)僅消耗幾微安的電流。憑借其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，TMR傳感器有潛力在大多數(shù)應(yīng)用中取代霍爾效應(yīng)傳感器。曾經(jīng)使用霍爾基傳感器進(jìn)行電流感應(yīng)的工程師現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，它在準(zhǔn)確性、帶寬、延遲和整體效率方面可以為他們的系統(tǒng)提供顯著的優(yōu)勢。

相對霍爾和基于分流的解決方案的主要優(yōu)勢包括：

高信噪比(電流傳感器中的5mA分辨率)

低功耗

溫度穩(wěn)定性(低于40 ppm/°C)

可編程過流檢測和故障引腳，以向MCU提供電流信息

雙向傳感，測量正負(fù)電流

圖7展示了在相同應(yīng)用條件下霍爾傳感器和TMR傳感器的波形比較?？梢钥吹?，TMR波形清晰且準(zhǔn)確到峰值測量水平，而霍爾傳感器提供了噪聲信號，測量準(zhǔn)確性較低。

TMR技術(shù)的關(guān)鍵要點(diǎn)

TMR對溫度變化的敏感性較低，具有低功耗、高信噪比、更好的線性度，并且不需要額外的磁通聚集器結(jié)構(gòu)。TMR傳感器的輸出比霍爾元件高出1000倍。

雖然分流在需要高精度時(shí)優(yōu)于霍爾效應(yīng)，但基于分流的電流傳感器往往會遭遇共模抑制比(CMRR)誤差。無核心的TMR電流傳感器不僅尺寸更小、設(shè)計(jì)更簡單，還提供99%的對雜散磁場的免疫，顯著提高了準(zhǔn)確性。而使用分流電阻器時(shí)，仍需要在精度、功耗和可能在非常低電壓下不被接受的電壓降之間進(jìn)行權(quán)衡。最后，分流和霍爾效應(yīng)的復(fù)雜架構(gòu)可能意味著供應(yīng)鏈問題，從而導(dǎo)致重大風(fēng)險(xiǎn)。