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AMR技术让电流感应更精确

时间:2019-02-18 作者:Alix Paultre 阅读:
先进的系统需要准确、高效且可靠的传感器,以获得适当的反馈信息来调节系统运行。不久前ASPENCORE旗下的《电力电子新闻》主编Alix Paultre与ACEINNA公司副总裁John Newton和首席技术官Mike Horton一起讨论了电流感应问题。ACEINNA是一家基于MEMS的传感方案开发商,主要用来帮助客户解决最终产品和设备的可靠性、成本、功能和性能问题。

先进的系统需要准确、高效且可靠的传感器,以获得适当的反馈信息来调节系统运行。不久前ASPENCORE旗下的《电力电子新闻》主编Alix Paultre与ACEINNA公司副总裁John Newton和首席技术官Mike Horton一起讨论了电流感应问题。ACEINNA是一家基于MEMS的传感方案开发商,主要用来帮助客户解决最终产品和设备的可靠性、成本、功能和性能问题。ubCEETC-电子工程专辑

当前行业中电流感应的最大用途是什么?

John Newton:电流感应是一种广泛使用的技术,几乎在所有类型的电子产品中都可以找到。目前流行的主要有三种方式。最常见的方式可能是使用带有运算放大器的分流电阻进行信号调节。使用分流电阻,只需测量电阻上的压降就可以得到电流值。ubCEETC-电子工程专辑

第二种方式是使用电流变压器,这实际上很像电压变压器。基本上就两根导线绕组,初级绕组的电流磁耦合到次级绕组。这样做的好处是,它本身是隔离的,这意味着正在测量的电流与输出信号之间没有任何电气连接。但目前的电流变压器往往体积比较庞大,另一个缺点是它不会一直响应到DC,因此只能用它来测量AC电流。ubCEETC-电子工程专辑

第三种常用方式是使用磁传感器,通常是霍尔器件,用于测量电流产生的磁场。这种方法的好处在于它本身是隔离的,尺寸可以很小,并且它可以一直响应直到DC。其缺点是不够准确,并且带宽也有限,通常在100KHz或更小的范围内。ubCEETC-电子工程专辑

当你谈到感应电阻时,你提到了电流变压器和磁感应的缺点。这是使用简单的感应电阻存在的固有问题吗?

John Newton:是的,这是个好问题。使用感应电阻有几个缺点。第一,为了测量电流就必须降低电压。因此,测量大电流时功耗就比较大。如果想测量具有一定动态范围的电流,那就更成问题了。因为现在必须调整电阻的大小,以便在小电流水平下有足够的电压降,使之仍能达到想要的精度。这意味着当处于电流范围的较高端时,I2R损耗甚至更大。因此,这是使用电阻的一大缺点。ubCEETC-电子工程专辑

另一个问题是需要很多外部元件,特别是如果想做隔离电流感应的话,因为现在必须有一整套额外的电路来创建隔离层。所以这是两个缺点。ubCEETC-电子工程专辑

既然如此,ACEINNA怎么应对呢?

John Newton:ACEINNA的方法是使用新技术来感测电流。它也是磁性的,但采用各向异性磁阻(简称AMR)原理,而不是霍尔器件。这种AMR技术的优势在于它更灵敏、噪音更低,而且带宽更高,因此它是一种可以解决电流感应问题的高性能磁传感技术。ubCEETC-电子工程专辑

AMR还有另一个优点。基于霍尔效应的电流传感器件对z方向的磁场敏感,如果将这种器件安装在电路板上,它就垂直于电路板本身。因此,如果系统中有另一个电流流过这种霍尔器件,它会对这一电流产生感应,因为磁场将垂直于电路板。ubCEETC-电子工程专辑

AMR器件在x轴上是敏感的,这与PCB表面平行,因此系统中横向定位的任何杂散电流都会产生一个不在我们敏感轴上的磁场。因此,它对外部干扰的抵抗能力比霍尔器件更强。ubCEETC-电子工程专辑

除敏感轴外,拓扑结构有何不同?只是改变轴和器件的焦点,还是还有其他核心技术或在拓扑方面有所不同?

John Newton:AMR传感器的结构是一个电阻桥,所以真正发生的是桥电阻随着所施加的磁场而变化。桥结构本质上是非常对称的,它与霍尔器件的拓扑结构完全不同。ubCEETC-电子工程专辑

Mike Horton:拓扑还不是能真正表达其意义的词。改变的不是拓扑结构,而是精度、速度和成本。由于其元件材料的原因,传感器本身更精确,而霍尔器件非常不敏感。首先,敏感轴在错误的轴上,所以必须做一些处理,正如John指出的。但更重要的是,霍尔只是一种非常低灵敏度的磁感应技术。ubCEETC-电子工程专辑

霍尔器件可以以二进制方式测量真正的大电流,比如在编码器中,或者对电流进行粗略的测量,但它不是高分辨率、高16位超分辨率传感器,它的噪声比较大。因此,从纯粹的精度和带宽的角度来看,可以说AMR材料更好,它有更好的物理特性。ubCEETC-电子工程专辑

那么这是材料上的先进性?

Mike Horton:这既是材料的先进特性,同时也是因为我们的独特技术,才能够发挥其优势。除了使用AMR之外,还需要很多其它努力。AMR的基本物理特性使之具有这么高的带宽,以及比霍尔器件更好的灵敏度。ubCEETC-电子工程专辑

因此在高性能罗盘中看不到霍尔传感器,因为它的灵敏度不够高,无法测量微弱的微高斯水平地球磁场。我们能够以高分辨率和高带宽来感应这类非常小的电流,以及很大的电流,而这是霍尔传感器做不到的。ubCEETC-电子工程专辑

那ACEINNA电流传感器适合哪些应用场合呢?

John Newton:最初,我们希望寻找这样的应用和领域,即要求高带宽、高速度、良好隔离、良好的动态范围和准确性。因此,服务器或电信设备电源模块中的高性能电源是一个很好的应用场合。ubCEETC-电子工程专辑

此外,高电压、高带宽和大动态范围的应用是我们最适合的目标应用,比如逆变器、UPS、电机驱动器,以及高性能电动机等。因此,我们产品适合的应用范围非常广泛,但通常是更高性能,对电流感应有更严格要求的应用。ubCEETC-电子工程专辑

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图1:John NewtonubCEETC-电子工程专辑

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图2:ACEINNA公司首席技术官Mike Horton。ubCEETC-电子工程专辑

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