基于ACEINNA各向异性磁阻（AMR）技术的电流感应系统

　　ACEINNA当前传感业务业务发展副总裁Khagendra Thapa

自从集成电路创建以来，嵌入式电子开发社区当前正在经历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，我们正处在需求增长的颠覆时期。

这些进步中有许多与用户功能有关，例如依赖于下一代RF技术的基于云的物联网（IoT）解决方案。其他快速出现的电流感应应用包括电动汽车（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）的宽带隙功率开关）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应对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的设计人员带来了很大压力。当涉及消费和医疗可穿戴设备，先进的个人电子产品和IoT时，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，可靠和强大的解决方案。所有这些方面的重大改进包括减少零件数量，简化电路和提高运营效率。

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，这些微型电子控制电路将使未来的设备能够高效，经济地为应用服务。没有反馈就没有精度，电流感应可以提供嵌入式智能系统管理自身所需的关键性能信息。您的电流感应解决方案的大小，准确性和速度将直接影响所有这些方面（图1）。

AMR电流感测

基于ACEINNA各向异性磁阻（AMR）技术的隔离式电流传感器是一种单芯片解决方案，除去耦电容器外，不需要其他组件。与其他电流检测方法相比，AMR传感器提供了一种紧凑而高性能的解决方案。例如，使用分流电阻器的问题是它本身并不是隔离的。电流互感器比基于AMR的电流传感器大，并且只能与AC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，并且具有较低的失调和噪声（图2）。

图2：基于AMR的电流感测与其他类型的电流感测技术相比的优势

与并联寄存器或变压器相比，AMR技术具有更好的性能，与基于霍尔效应的解决方案相比，可响应DC和AC双向电流，具有1.5 MHz的带宽，更低的失调和更低的噪声。基于AMR的电流传感器具有更高的精度，更高的带宽，更低的相移以及非常快的输出阶跃响应，是一种非常精确，紧凑的解决方案，可用于非常关键的测量，以保护和控制电源系统（图3）。

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

在传感器内，电流流过引线框架中的U形弯头，在其中产生由设备中两个电流传感器测得的正向或反向磁场。通过从两个电流方向测量磁场，该设备可以消除外部磁场和可能存在的磁异常。这样一来，水平感应AMR芯片就可以忽略板上其他附近组件产生的外部磁场。

电动汽车
目前，电动汽车引起了极大的关注。由于它们都与车辆续航里程和充电效率直接相关，因此许多重点都放在提高动力总成，电机和车载/车载充电系统的效率以及电池组的性能上。在这些应用领域中正确应用电流传感技术可以带来显着的优势。

由于电动机是消耗电能的地方，因此任何改进都会从提高EV范围到减少热管理需求的整个系统中级联带来好处。在驱动电动机时，开关频率和控制机制至关重要。

有效的电动机控制需要准确的性能测量，为此，您需要有效的电流传感器。为了对电动机的状态进行监视以进行预测性维护，快速电流传感器有助于测量和监视电动机的纹波电流，从而确定使用寿命和性能参数。在保护方面，电流传感器通过改善电动机驱动器的控制，准确性和可靠性来帮助支持安全性。

许多EV电力电子设备和充电系统正在迁移至SiC和GaN等先进的宽带隙半导体，因为其带来的好处包括更高的效率和增加开关频率的能力。快速开关的一个显着优势是能够缩小电路中无源元件和磁性元件的尺寸，并具有直接的尺寸和重量优势。

但是，当电路切换速度更快时，必须能够保持测量性能参数的能力，从而需要来自快速，准确的电流传感器的实时信息。实时监控电路可实现高级功能，例如动态控制电源开关和电机驱动频率，以及可靠且快速的故障检测。

在电动火车，工业机械，牵引和机器人技术的相关领域，我们开始看到磁阻电动机的使用，这种无绕组设计通过磁阻产生扭矩。磁阻电动机具有同步，可变，开关和可变步进配置，可以低成本提供高功率密度。

磁阻电动机的问题包括低速时的高转矩脉动和由此产生的噪声。此外，由于所涉及的温度极高，因此磁阻电机通常部署有单独的线束和控制系统。使用宽带隙SiC半导体和高带宽AMR传感器的高级解决方案可以吸收更多的热量，从而降低了整个系统的尺寸，重量和复杂度，并提供了级联效益（图4）。

图4：可变开关磁阻电机可以提供高功率密度。

磁阻电动机由于在转子中没有铜线圈而制成，因此比同类电动机要轻。但是，所需的控制系统非常复杂，因为如果您不准确地控制与转矩相关的电流，则会产生转矩波动，从而产生噪声问题。先进的快速电流感测可改善对纹波电流的控制，从而提供更低的噪声和更可靠的解决方案。

重新启动保护端很重要，因为在大功率系统中，您可能希望在1.5 µs内关闭整个功率级。如果您查看停机时间预算，则阶跃响应必须小于500 ns，并且随着我们向更高功率和频率水平的迁移，这一步将变得更加严格。

功率因数校正

用于减少电感负载中的滞后功率因数，功率因数校正（PFC）补偿电压和电流之间的相位差，因为当功率因数下降时，系统效率会降低。

为了在0.2功率因数下获得1 kW的有功功率，需要传输5 kVA的视在功率（1 kW÷0.2 = 5 kVA）。在电机，冰箱和HVAC系统，逆变器，不间断电源（UPS）和类似的应用空间等电感性负载的情况下，这显然会严重影响性能。

宽带隙基于SiC和GaN的功率开关的快速开启和关闭时间，快速反向恢复以及较低的导通电阻，可以有效地利用图腾柱架构来提高PFC的效率并减少所用组件的数量。这些优势有助于电源系统获得更高效率的80+金和钛认证。

例如，当涉及图腾柱中PFC中的纹波电流时，要逐周期测量电流以计算脉宽调制（PWM）占空比，则需要具有较高的带宽以具有以下功能：匹配电路的开关频率。假设您将PFC开关频率推到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，它实际上是关于自动化和数据交换的。在将有源设备连接到智能基础设施和Internet的系统中，您还将需要电源转换。电源监控和管理对于智能装配过程的最佳运行至关重要，实时监控所有内容。

自动化系统中的各个位置均可部署AMR电流传感器，以利用其准确性，带宽和阶跃响应。如果您拥有高度精确的传感器，则可以优化过程并提高效率和生产率。

通过使用AMR电流感应来确定正在使用多少处理器，尤其是涉及AI，云和数据存储的应用程序，可以进一步利用这种性能优势。AMR电流传感器还可以启用功率跟踪功能，以进行性能监控，优化处理器负载和散热管理。

展望未来

无论是用于高级电动汽车，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是实现最佳性能的关键。在驱动电动机或为5G电信供电的应用中，您希望运行得更快，更有效。先进的电流感应功能可以在更高的频率和温度下实现更高水平的控制，并具有更高的效率。

下一代嵌入式设备必须能够最高效，最具成本效益地服务于最新的应用程序空间。使用基于AMR的电流感测解决方案来确保电子设备处于最佳状态，将在整个系统中获得级联效益

没有反馈就没有精度。精确的快速电流反馈可在高级有源电路中实现最高水平的高效和安全操作。
编辑：hfy