浮思特 | 新兴传感器技术：TMR与分流解决方案的对比分析

有一段时间，分流解决方案被视为传感器技术中的安全选择，但世界已经改变。拼凑廉价的分流架构的时代已经结束。随着精度要求的不断提高，传统的分流解决方案在总解决方案成本急剧上涨的情况下失去了成本效益。

 

分流挑战

 

分流设计师通常面临平衡的挑战，需要选择正确的电阻器、运算放大器和实现拓扑结构的组合。设计一个准确且具有成本效益的基于分流的电流传感解决方案需要大量的工程努力。

 

例如，在高压系统中使用分流电阻器来测量高侧电流时，需要一个隔离的运算放大器，这将使设计变得复杂并增加成本。隧道磁阻(TMR)架构简化了电路设计，同时提供内置的电气隔离。其结构提供了固有的隔离，因为芯片上的主动电路与模制封装外部没有电气连接。

 

另一个关注点是供应链，这推动了满足电流感应要求的新方法。供应链问题意味着像分流这样的复杂架构会带来重大风险。例如，许多用于分流解决方案的零漂运算放大器现在需要一年才能获得。更多的零件意味着更多的问题可能出现，更多依赖于供应链，最终风险也更大。

 

TMR与分流

 

在基于分流的传感中，一个小值的分流电阻器(通常小于一个欧姆)被串联在负载中。根据欧姆定律，分流两侧的小电压与负载的电流消耗成正比。随着最大电流的增加，分流电阻值必须减小，以最小化由于发热和温度升高造成的过度功率损耗。

 

在许多情况下，这个小电压必须被放大，以提供足够的分辨率、信噪比和准确性(见图1)。然而，低价的分流传感器可能会遭遇功率损耗、由于温度系数引起的温度误差和低输出范围。因此，一个好的电阻器和一个隔离的零漂运算放大器可能不再是最具成本效益或最简单的解决方案。

图1

 

在高性能应用中，分流在某些类别(带宽)表现良好，而在其他类别(噪声)表现较差(见图2)。

图2

 

TMR在隔离应用中也具有比基于分流的系统更简单的架构(见图3)。

图3a

 

图3b

 

设计考虑

 

历史上，霍尔效应传感被视为分流的替代方案，但由于温度性能差、线性误差和偏移误差，它并不是一个可行的替代方案。以下是它们的比较。

 

磁性 - 霍尔效应

 

其操作依赖于霍尔效应，如图4(a)所示，当电流(I)在施加的磁场(B)中流过导体时，会产生一个横向的霍尔电压(UH)，该电压是电流、磁场、导体厚度和载流子密度的函数。

 

图5显示了一个典型的电动车(EV)或混合动力电动车(HEV)布置，其中分流器置于电池回流路径中。分流电阻器是一个模块的一部分，该模块还包括一个电池管理IC，用于测量分流器两端的电压，并通过行业标准的CAN总线与车辆网络进行通信。请注意，电流流动可以是正向或负向。

图4

 

“理想”分流电阻器的电阻随时间、电流或工作温度不变;而现实设备并非如此。例如，任何电阻都会根据公式P = I²R消耗功率。随着I的增加，温度也会升高。在实际组件中，温度的变化会导致R值的变化，这在电阻数据表中以温度系数(TCR)表示。此外，组件老化会导致电阻随时间变化，现实设备还会表现出寄生电感和电容。在低电流下，可能会由于热电动势(EMF)造成误差——即由于分流电阻器上的温度变化引起的微伏(μV)范围内的电压。

 

霍尔效应与分流电阻器

 

霍尔效应传感器可以测量直流和交流电流，具有固有的电气隔离、低功耗和与功率电子的热解耦，但它们历来的弱点包括：带宽低;在温度变化下输出漂移和非线性;以及在高电流下自热导致的过流能力低。磁芯表现出滞后，而饱和会导致非理想的偏移和线性特性。此外，磁芯导致体积和重量相对较大。

图5

 

另一方面，分流电阻器系统可以具有高带宽，并在过流条件下表现良好。它们也可以测量交流和直流电流。由于没有磁芯，它们重量轻，不会发生饱和和滞后，并且对由电磁干扰(EMI)引起的信号噪声不太敏感。基于分流的系统在电动车等应用中对振动更具鲁棒性。

 

基于分流的传感技术可以成为车辆和固定应用的高效解决方案。霍尔效应磁性组件有其适用之处，但在对广泛温度范围内的精确性能要求较高的地方，基于分流的解决方案更为可取

 

图6展示了基于分流的系统在温度变化下的准确性与霍尔效应系统的比较。

图6

 

TMR技术的优势

 

TMR技术相对于分流电阻器(加上放大器和数字隔离器)和基于霍尔效应的传感解决方案具有优势，尤其是对于电池供电的系统。TMR还提供更低的功耗、更好的热稳定性、更高的分辨率和更高的灵敏度。

 

令人惊讶的是，TMR提供的灵敏度比霍尔效应高出1000倍，同时仅消耗几微安的电流。凭借其独特的优点，TMR传感器有潜力在大多数应用中取代霍尔效应传感器。曾经使用霍尔基传感器进行电流感应的工程师现在发现，它在准确性、带宽、延迟和整体效率方面可以为他们的系统提供显著的优势。

 

相对霍尔和基于分流的解决方案的主要优势包括：

 

高信噪比(电流传感器中的5mA分辨率)

低功耗

温度稳定性(低于40 ppm/°C)

可编程过流检测和故障引脚，以向MCU提供电流信息

双向传感，测量正负电流

 

图7展示了在相同应用条件下霍尔传感器和TMR传感器的波形比较。可以看到，TMR波形清晰且准确到峰值测量水平，而霍尔传感器提供了噪声信号，测量准确性较低。

 

TMR技术的关键要点

 

TMR对温度变化的敏感性较低，具有低功耗、高信噪比、更好的线性度，并且不需要额外的磁通聚集器结构。TMR传感器的输出比霍尔元件高出1000倍。

虽然分流在需要高精度时优于霍尔效应，但基于分流的电流传感器往往会遭遇共模抑制比(CMRR)误差。无核心的TMR电流传感器不仅尺寸更小、设计更简单，还提供99%的对杂散磁场的免疫，显著提高了准确性。而使用分流电阻器时，仍需要在精度、功耗和可能在非常低电压下不被接受的电压降之间进行权衡。最后，分流和霍尔效应的复杂架构可能意味着供应链问题，从而导致重大风险。