今天，可以使用幾種能夠將磁場轉換為成比例電壓的技術。磁性傳感器已用于各個領域的不同應用，包括磁性編碼器、電子羅盤、絕對角度傳感器、簡單的開/關開關和電流感測。

霍爾效應由 Edwin Hall 于 1879 年首次發現，多年來已成功并廣泛用于構建固態磁傳感器。然而，它已經達到了一些限制，迫使系統設計人員開發能夠實現目標要求的新技術，例如低功耗、高靈敏度和準確性以及可承受的成本。

能夠滿足這些要求的新技術基于磁阻 (MR) 效應，這是一種材料（如鐵、鎳和鈷）在磁場下改變其電值的特性。改變材料的磁化強度會改變電子在其中移動的方式，從而導致設備電阻發生變化。根據磁性材料內部的磁化方式，MR 效應具有不同的特征。

從 MR 中分離出來的一項新技術是隧道磁阻 (TMR) 效應，它是由宮崎照信教授在 1990 年代發現的。如圖 1 所示，TMR 傳感器元件由極薄的納米級非磁性絕緣層組成，夾在兩個鐵磁層之間。電子從一層鐵磁層穿過絕緣層到達另一層。這是量子力學在起作用的一個例子。當兩種鐵磁材料的磁化方向平行時，電阻減小，反平行時，電阻增大。

圖 1：由兩個鐵磁體和一個隧道層組成的 TMR 結（來源：Crocus Technology）

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Crocus Technology 基于其在工業和消費電子應用中獲得專利的 XtremeSense TMR 技術，提供多種磁性傳感器選擇。XtremeSense TMR 技術是 Crocus 磁傳感器系列的核心，其中包括集成磁開關和電流傳感器。

根據 Crocus 的說法，XtremeSense TMR 技術提供的主要優勢是：

高 SNR（電流傳感器中的 5mA 分辨率）

低功耗（開關中為 110 nA）

溫度穩定性（小于 40ppm/°C）

“對電流傳感的需求不斷增加，特別是對于需要運行更快、更準確和延遲更少的架構——這就是我們真正看到 Crocus 設備推出的地方，”銷售和營銷副總裁 Tim Kaske 說在 Crocus Technology。

TMR 具有多種特性，可用作電流傳感器。由于 TMR 效應，TMR 傳感器的電阻會根據外部磁場發生變化。當與最先進的 CMOS 電路相結合時，基于 TMR 的傳感器可用作具有出色線性度和熱性能的高 SNR 傳感器。TMR 傳感器的這些特性使其可用作接觸式或非接觸式電流傳感器。

TMR 傳感器用例

需要準確可靠的電流檢測解決方案的關鍵應用是功率因數校正 (PFC)，該電路在許多電源應用（例如電源）中已成為強制性要求，以提高效率，出于同樣的原因，國際法規要求，例如歐洲的 EN61000-3-2。與沒有功率因數校正的電源相比，包含 PFC 級的電源可以提供更高的輸出負載電流。PFC 可以顯著降低交流電流諧波，幾乎只留下與電壓波形同相的“基本”電流頻率。

Kaske 說：“我們確實看到了我們正在進入的關鍵應用之一是帶有 GaN MOSFET 的 CCM 圖騰柱 PFC。” “我想說 PFC 階段在過去 10 年里沒有太多更新，但是現在，隨著圖騰柱架構和能夠支持它的新控制器，新的機會正在打開，例如車載和離線電動汽車-板載充電器、計算和數據中心。”

標準電流檢測解決方案，例如基于分流電阻器、放大器和數字隔離器的解決方案，顯示出一些可以通過使用 TMR 傳感器克服的限制，將 PCB 上的占位面積縮小 2 倍到 5 倍。

Kaske 說：“其他一直使用霍爾傳感器進行電流感應的工程師現在看到，我們可以為他們的系統在精度、帶寬、延遲和整體效率方面提供顯著優勢。”

典型有源 PFC 的框圖如圖 2 所示。二極管橋將輸入交流電壓轉換為直流電壓，而 PFC 級則插入線路和主轉換器之間。它充當預轉換器（通常是升壓轉換器），從電源汲取正弦電流并在輸出中提供直流電壓。

圖 2：典型的有源 PFC 級示意圖（來源：Crocus Technology）

CCM 圖騰柱 PFC，如圖 3 所示，使用兩個 GaN MOSFET，S1 和 S2，配置為高頻半橋。S3 和 S4 采用同步 MOSFET 以工頻為主導。采用該解決方案的主要好處是效率高、功率損耗低和組件數量減少。更高頻率的軟開關解決方案需要一個能夠檢測快速瞬變以防止潛在級聯故障的電流傳感器。該電路僅使用一個雙向電流傳感器 (i L ) 來檢測正半周和負半周的電流。

圖 3：CCM 圖騰柱 PFC（來源：Crocus Technology）

圖 4：TMR 傳感器與基于霍爾的傳感器（來源：Crocus Technology）

根據 Crocus 的說法，XtremeSense TMR 傳感器是此應用的理想解決方案，因為它提供：

控制器的高 SNR 和干凈的信號

通過載流導體的低功率損耗

1MHz 帶寬、低相位延遲和快速輸出響應時間 (300 ns) 用于測量

可編程過流檢測和故障引腳，為 MCU 提供電流信息

使用雙向感應測量正負電流

高壓隔離（5 kV）確保安全

“另一個我們看到巨大機遇的市場是太陽能，該領域廣泛使用電流互感器，提供高安全性和良好的隔離性，”Kaske 說。“我們認為這是一個我們可以與非接觸式電流傳感器競爭的市場，提供相同或更好的隔離和更高的精度。”

　　審核編輯：湯梓紅