基于ACEINNA各向異性磁阻（AMR）技術的電流感應系統

ACEINNA當前傳感業務業務發展副總裁Khagendra Thapa

自從集成電路創建以來，嵌入式電子開發社區當前正在經歷我們行業中最大的變化。從人工智能等新的面向軟件的解決方案到新的硬件拓撲再到新的半導體材料，我們正處在需求增長的顛覆時期。

這些進步中有許多與用戶功能有關，例如依賴于下一代RF技術的基于云的物聯網（IoT）解決方案。其他快速出現的電流感應應用包括電動汽車（EV）及其高級駕駛員輔助系統（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）半導體。這些領域最重要的進步是性能和效率，這使得下一代電子解決方案能夠應對用戶和市場的挑戰和需求。

個人電子產品的最新趨勢給嵌入式系統的設計人員帶來了很大壓力。當涉及消費和醫療可穿戴設備，先進的個人電子產品和IoT時，越小，功能越多，使用壽命越長越好。同樣，工業和汽車應用也在不斷尋求突破，以實現更小，更高效，可靠和強大的解決方案。所有這些方面的重大改進包括減少零件數量，簡化電路和提高運營效率。

電流傳感技術對于創建小型精密控制和保護電子電路至關重要，這些微型電子控制電路將使未來的設備能夠高效，經濟地為應用服務。沒有反饋就沒有精度，電流感應可以提供嵌入式智能系統管理自身所需的關鍵性能信息。您的電流感應解決方案的大小，準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。與使用霍爾效應傳感器相比，AMR技術提供1.5 MHz的帶寬，并且具有較低的失調和噪聲（圖2）。

圖2：基于AMR的電流感測與其他類型的電流感測技術相比的優勢

與并聯寄存器或變壓器相比，AMR技術具有更好的性能，與基于霍爾效應的解決方案相比，可響應DC和AC雙向電流，具有1.5 MHz的帶寬，更低的失調和更低的噪聲?；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，是一種非常精確，緊湊的解決方案，可用于非常關鍵的測量，以保護和控制電源系統（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，電流流過引線框架中的U形彎頭，在其中產生由設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AMR芯片就可以忽略板上其他附近組件產生的外部磁場。

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

由于電動機是消耗電能的地方，因此任何改進都會從提高EV范圍到減少熱管理需求的整個系統中級聯帶來好處。在驅動電動機時，開關頻率和控制機制至關重要。

有效的電動機控制需要準確的性能測量，為此，您需要有效的電流傳感器。為了對電動機的狀態進行監視以進行預測性維護，快速電流傳感器有助于測量和監視電動機的紋波電流，從而確定使用壽命和性能參數。在保護方面，電流傳感器通過改善電動機驅動器的控制，準確性和可靠性來幫助支持安全性。

許多EV電力電子設備和充電系統正在遷移至SiC和GaN等先進的寬帶隙半導體，因為其帶來的好處包括更高的效率和增加開關頻率的能力?？焖匍_關的一個顯著優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勢。

但是，當電路切換速度更快時，必須能夠保持測量性能參數的能力，從而需要來自快速，準確的電流傳感器的實時信息。實時監控電路可實現高級功能，例如動態控制電源開關和電機驅動頻率，以及可靠且快速的故障檢測。

在電動火車，工業機械，牽引和機器人技術的相關領域，我們開始看到磁阻電動機的使用，這種無繞組設計通過磁阻產生扭矩。磁阻電動機具有同步，可變，開關和可變步進配置，可以低成本提供高功率密度。

磁阻電動機的問題包括低速時的高轉矩脈動和由此產生的噪聲。此外，由于所涉及的溫度極高，因此磁阻電機通常部署有單獨的線束和控制系統。使用寬帶隙SiC半導體和高帶寬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的尺寸，重量和復雜度，并提供了級聯效益（圖4）。

圖4：可變開關磁阻電機可以提供高功率密度。

磁阻電動機由于在轉子中沒有銅線圈而制成，因此比同類電動機要輕。但是，所需的控制系統非常復雜，因為如果您不準確地控制與轉矩相關的電流，則會產生轉矩波動，從而產生噪聲問題。先進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。

重新啟動保護端很重要，因為在大功率系統中，您可能希望在1.5 μs內關閉整個功率級。如果您查看停機時間預算，則階躍響應必須小于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格。

功率因數校正

用于減少電感負載中的滯后功率因數，功率因數校正（PFC）補償電壓和電流之間的相位差，因為當功率因數下降時，系統效率會降低。

為了在0.2功率因數下獲得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，冰箱和HVAC系統，逆變器，不間斷電源（UPS）和類似的應用空間等電感性負載的情況下，這顯然會嚴重影響性能。

寬帶隙基于SiC和GaN的功率開關的快速開啟和關閉時間，快速反向恢復以及較低的導通電阻，可以有效地利用圖騰柱架構來提高PFC的效率并減少所用組件的數量。這些優勢有助于電源系統獲得更高效率的80+金和鈦認證。

例如，當涉及圖騰柱中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：匹配電路的開關頻率。假設您將PFC開關頻率推到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，它實際上是關于自動化和數據交換的。在將有源設備連接到智能基礎設施和Internet的系統中，您還將需要電源轉換。電源監控和管理對于智能裝配過程的最佳運行至關重要，實時監控所有內容。

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

通過使用AMR電流感應來確定正在使用多少處理器，尤其是涉及AI，云和數據存儲的應用程序，可以進一步利用這種性能優勢。AMR電流傳感器還可以啟用功率跟蹤功能，以進行性能監控，優化處理器負載和散熱管理。

展望未來

無論是用于高級電動汽車，整個智能工廠，UPS，逆變器還是電機驅動器，高效且經濟高效的電源管理是實現最佳性能的關鍵。在驅動電動機或為5G電信供電的應用中，您希望運行得更快，更有效。先進的電流感應功能可以在更高的頻率和溫度下實現更高水平的控制，并具有更高的效率。

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

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最高水平的高效和安全操作。
編輯：hfy