一種電動(dòng)汽車芯片級(jí)的檢測(cè)方案----TMR

電動(dòng)汽車上需要檢測(cè)電流的地方很多，比如BMS, MCU, PDU，車載充電器，DC-DC等目前行業(yè)內(nèi)對(duì)電流的檢測(cè)和監(jiān)控，除了一些高端車型會(huì)采用精度更高、響應(yīng)速度更快的HALL閉環(huán)電流傳感器，普遍用的都是HALL開環(huán)方案。

HALL電流傳感器雖然HALL開環(huán)電流傳感器的精度、線性度、響應(yīng)速度、溫漂特性等性能方面均不如HALL閉環(huán)方案，但是汽車電氣工程師普遍更在乎其能滿足一般工作要求情況的經(jīng)濟(jì)性（4-10美金），當(dāng)下國(guó)產(chǎn)的HALL開環(huán)方案市場(chǎng)價(jià)更是有朝3美金方向走的趨勢(shì)。

HALL 開環(huán)方案

HALL 閉環(huán)方案

HALL開環(huán)電流傳感器的確有一定的經(jīng)濟(jì)性，但是其較肥大的體積，要占用很大空間也越來越受到工程師的詬病。尤其是在電動(dòng)汽車行業(yè)，動(dòng)力模塊的小型化是各家車廠都競(jìng)相研究的方向。

本文介紹一種電動(dòng)汽車芯片級(jí)的檢測(cè)方案----TMR（穿隧磁阻效應(yīng)），這種方案可實(shí)現(xiàn)級(jí)小體積的芯片來精確檢測(cè)銅排或者導(dǎo)線上電流，其精度、線性度、響應(yīng)速度和溫漂特性可以媲美HALL閉環(huán)方案，而且該方案的成本甚至比HALL開環(huán)方案還有優(yōu)勢(shì)。

之前網(wǎng)上資料都反應(yīng)說TMR（穿隧磁阻效應(yīng)）技術(shù)很高端很強(qiáng)大，但是成本高，大家用不起。然而隨著技術(shù)的突破， TMR技術(shù)用在電流傳感器芯片在2016年就市場(chǎng)化了，而且價(jià)格相當(dāng)?shù)挠H咱們工程師。

首先簡(jiǎn)單介紹一下TMR概念穿隧磁阻效應(yīng)(Tunnel Magnetoresistance,TMR)穿隧磁阻效應(yīng)是指在鐵磁-絕緣體薄膜(約1納米)-鐵磁材料中，其穿隧電阻大小隨兩邊鐵磁材料相對(duì)方向變化的效應(yīng)。此效應(yīng)首先于1975年由MichelJulliere在鐵磁材料(Fe)與絕緣體材料(Ge)發(fā)現(xiàn)；室溫穿隧磁阻效應(yīng)則于1995年，由TerunobuMiyazaki與Moodera分別發(fā)現(xiàn)。此效應(yīng)更是磁性隨機(jī)存取內(nèi)存(magneticrandomaccessmemory,MRAM)與硬盤中的磁性讀寫頭(readsensors)的科學(xué)基礎(chǔ)。 TMR技術(shù)最初是用在硬盤中磁性讀寫頭上的，因此其對(duì)磁場(chǎng)檢測(cè)的精度、準(zhǔn)確度以及壽命可靠性在硬盤中經(jīng)過了幾十年的市場(chǎng)檢驗(yàn)。在檢測(cè)汽車動(dòng)力電流時(shí)是通過檢測(cè)銅排和導(dǎo)線上電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，再通過芯片一定的運(yùn)算來得到電流大小的。

上圖比較理論化，就是說明TMR技術(shù)很牛逼，直接跳過。下圖是TMR芯片方案的應(yīng)用圖上圖可以了解到實(shí)際應(yīng)用中：

1）檢測(cè)母排上電流，TMR芯片方案是沒有電流限制的

2）檢測(cè)導(dǎo)電銅柱上的電流，TMR芯片方案可到KA級(jí)別

3）檢測(cè)PCB板級(jí)的電流時(shí)，TMR芯片方案量程在100A以內(nèi)

4）檢測(cè)銅柱/導(dǎo)線上采用TMR芯片陣列方案，量程無限制，只需套在銅柱或者導(dǎo)線上，無需固定----這也太方便了吧？

TMR芯片方案是不需要磁芯輔助聚磁的，這個(gè)是與HALL電流傳感器的本質(zhì)區(qū)別。省去了磁芯的成本，封裝磁芯的成本，其價(jià)格自然就比HALL電流傳感器有優(yōu)勢(shì)。工程師只需要在廠家指導(dǎo)下設(shè)計(jì)放大電路就可以，非常簡(jiǎn)單。因?yàn)椴挥么判玖?，其體積比HALL電流傳感器方案要大大減小，為工程師省下大量空間，這才是TMR最大的優(yōu)勢(shì)。

另外TMR芯片電流檢測(cè)方案還有一個(gè)非常大優(yōu)勢(shì)就是帶寬高，響應(yīng)時(shí)間快。這個(gè)有什么用呢？

電動(dòng)汽車電氣工程師都知道電驅(qū)動(dòng)功率模塊（IGBT/MOSFET）的趨勢(shì)很快會(huì)從硅基芯片朝SiC （碳化硅）或者GaN(氮化鎵)轉(zhuǎn)化。為什么呢？因?yàn)镾iC/GaN 功率模塊更適合高壓大電流、功率損耗極低（發(fā)熱量小、對(duì)冷卻要去低）、外圍電路更簡(jiǎn)單，功率總成的體積比IGBT/MOSFET要小30%以上，吸引力巨大呀。但是SiC/GaN 功率模塊工作帶寬比傳統(tǒng)IGBT要高10倍以上，可達(dá)1MHZ。相應(yīng)的對(duì)電流傳感器的響應(yīng)速度要求就非常高，要達(dá)到0.01微秒級(jí)別。這個(gè)時(shí)候HALL電流傳感器是達(dá)不到的了，只能采用TMR電流檢測(cè)方案才能跟上。作為優(yōu)秀的汽車電氣工程師做相應(yīng)的技術(shù)儲(chǔ)備，多了解TMR電流檢測(cè)方案，才能輕松應(yīng)對(duì)技術(shù)升級(jí)。

那么TMR芯片電流傳感器是如何保證全溫區(qū)電流檢測(cè)精度的呢？

1 TMR 電流傳感器沒有磁芯，磁芯所帶來的磁滯效應(yīng)、溫漂等影響就避免了

2 TMR 電流傳感器的獨(dú)特布局可以抵抗外部電磁干擾，這里主要指檢測(cè)的磁場(chǎng)與檢測(cè)芯片平行的布局----有點(diǎn)太理論了，哈哈。

3 TMR 電流傳感器采用梯度差分結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)，進(jìn)一步提高精度

目前國(guó)外各大電流傳感器廠家都在競(jìng)相研發(fā)基于TMR技術(shù)的芯片，但是這方面最成熟，而且能市場(chǎng)化量產(chǎn)的無疑就是XXXX公司，我們眾所周知的LEM, MELEXIS,ALLEGRO, INFINEON, HONEYWELL的TMR芯片技術(shù)都是他們家支持的呢，畢竟要市場(chǎng)化量產(chǎn)TMR芯片是有門檻的。我們知道硬盤界兩大巨頭希捷和西部數(shù)據(jù)是掌握了TMR技術(shù)的，但是人家硬盤界的巨頭看不上電流傳感器的市場(chǎng)，也就沒往這方面發(fā)展。

國(guó)內(nèi)已經(jīng)有比亞迪和陽光電源采用了TMR芯片電流檢測(cè)方案，畢竟新技術(shù)只有行業(yè)龍頭才有實(shí)力驗(yàn)證其可靠性，然而這種新技術(shù)也給這些龍頭在提高性能的同時(shí)節(jié)約了大量成本，嘗到了甜頭?？梢灶A(yù)計(jì)未來電動(dòng)汽車電流檢測(cè)技術(shù)一定是TMR的天下了。本人因?yàn)楣ぷ髟?，?duì)TMR電流傳感器技術(shù)了解一點(diǎn)，寫出一點(diǎn)心得供大家交流。如果錯(cuò)漏之處還請(qǐng)各位大蝦指正。