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让电流检测更精确的AMR技术

时间:2019-03-20 作者:Alix Paultre 阅读:
ACEINNA是一家MEMS传感技术开发商,特别关注终端产品和设备的可靠性、成本、功能和性能等议题。

先进的系统需要准确、高效率且可靠的传感器,以取得适当的回馈信息来调节系统运作。不久前《Power Electronics News》(编按:EE Times出版集团ASPENCORE旗下刊物)与美商ACEINNA副总裁John Newton、技术长Mike Horton一起讨论了电流检测问题。ACEINNA是一家MEMS传感技术开发商,特别关注终端产品和设备的可靠性、成本、功能和性能等议题。o4yEETC-电子工程专辑

Newton表示,电流检测是一种应用广泛的技术,几乎在所有类型的电子产品中都可以找到;目前主流的电流检测方法主要有三种,其中最常见的是使用具备运算放大器的分流电阻(shunt resistor)进行信号调节;利用分流电阻,只需测量电阻上的压降就可以得到电流值。o4yEETC-电子工程专辑

第二种方式是使用电流变压器,实际上很像是变流器(current transformer),基本上是两条导线绕组(windings of wire),一次绕组的电流磁耦合到二次绕组;Newton指出:“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结,但目前的变流器往往体积比较庞大。另一个缺点是它不会一直响应DC,因此只能用它来测量AC电流。”o4yEETC-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(Hall)组件,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,而且可以一直响应DC;其缺点是不够准确,带宽也有限,通常在100KHz或更小的范围内。o4yEETC-电子工程专辑

Newton指出,使用检测电阻有几个缺点:“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;”另一个问题是需要很多外部组件,特别是如果想做隔离电流检测的话,因为现在必须有一整套额外的电路来创建隔离层。o4yEETC-电子工程专辑

针对以上检测电阻的两个缺点,ACEINNA的方法是使用新技术来检测电流;它也是磁性的,但采用异相磁阻(anisotropic magnetoresistance)原理,简称AMR,而非霍尔组件。Newton表示,这种AMR技术的优势在于它更灵敏、噪声更低,而且带宽更高,因此它是一种可以解决电流检测问题的高性能磁性传感器技术。o4yEETC-电子工程专辑

AMR还有另一个优点。以霍尔效应为基础的电流检测组件对z方向的磁场敏感,如果将这种组件安装在电路板上,它会与电路板本身垂直;因此,如果系统中有另一个电流流经这种霍尔组件,它会感应到该电流,因为磁场会与传感器所在的电路板垂直。AMR组件在x轴上是敏感的,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敏感轴上的磁场,所以对外部干扰的抵抗能力比霍尔组件更强。o4yEETC-电子工程专辑

Newton指出,AMR传感器的结构是一个电阻电桥(resistive bridge),所以真正发生的是电桥电阻随着所施加的磁场而变化;电桥结构本质上是非常对称的,与霍尔组件的拓扑结构完全不同。Horton补充指出,AMR组件并不只是拓扑结构的改变,而是精度、速度和成本的改变;因为组件材料,传感器精确度更高,霍尔组件则非常不敏感。o4yEETC-电子工程专辑

Horton进一步指出,如Newton所言,首先霍尔组件的敏感轴不对,所以必须用一些方法来解决;但更重要的是,霍尔只是一种低灵敏度非常低的磁传感技术:“霍尔组件能以二进制方式测量真正的大电流,例如在编码器中,或者对电流进行粗略的量测,但不是高分辨率、如16位超高分辨率传感器,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,具备更好的物理特性。”o4yEETC-电子工程专辑

根据Horton的说法,除了采用AMR技术,还需要有先进的材料以及独特的电路设计,才能够发挥其优势;AMR的基本物理特性使之具有高带宽,以及比霍尔组件更好的灵敏度。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;AMR传感器能够以高分辨率和高带宽来检测这类非常小的电流,以及很大的电流,而这是霍尔传感器做不到的。o4yEETC-电子工程专辑

ACEINNA的电流传感器锁定要求高带宽、高速度、良好隔离、良好的动态范围和准确性;因此Newton指出,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。此外,高电压、高带宽和大动态范围的应用亦是目标市场,如逆变器、不断电系统(UPS)、马达驱动器,以及高性能电动马达等,对性能以及电流检测有更严格要求的应用。o4yEETC-电子工程专辑

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Alix Paultre
EE Times欧洲记者,ASPENCORE电源行业编辑。Alix Paultre是EE Times欧洲的记者,他也为Power Electronics News撰写电源技术方面的稿件。 他是位于德国的自由撰稿人。
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