전류 감지 애플리케이션에 도움이 되는 작은 센서

오늘날 자기장을 비례 전압으로 변환할 수 있는 여러 기술을 사용할 수 있습니다. 자기 센서는 자기 인코더, 전자 나침반, 절대 각도 센서, 간단한 켜기/끄기 스위치 및 전류 감지를 비롯한 다양한 분야의 다양한 응용 분야에서 사용되었습니다.

1879년 Edwin Hall이 처음 발견한 홀 효과는 고체 자기 센서를 구축하는 데 수년 동안 성공적으로 널리 사용되었습니다. 그러나 시스템 설계자가 낮은 전력 소비, 높은 감도 및 정확도, 저렴한 비용과 같은 목표 요구 사항을 달성할 수 있는 새로운 기술을 개발해야 하는 몇 가지 제한 사항에 도달했습니다.

이러한 요구 사항을 충족할 수 있는 새로운 기술은 자기 저항(MR) 효과를 기반으로 합니다. 이 효과는 자기장 하에서 전기 값을 변경하는 재료(예:철, 니켈 및 코발트)의 특성입니다. 재료의 자화를 변경하면 전자가 내부에서 이동하는 방식이 변경되어 장치의 전기 저항이 변경됩니다. MR 효과는 자성체 내부가 어떻게 자화되었는지에 따라 다른 특성을 보입니다.

MR에서 파생된 새로운 기술은 1990년대 미야자키 테루노부 교수가 발견한 터널 자기저항(TMR) 효과입니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 TMR 센서 소자는 두 개의 강자성 층 사이에 끼워진 매우 얇은 나노미터 수준의 비자성 절연 층으로 구성됩니다. 전자는 한 강자성 층에서 다른 층으로 절연 층을 통과합니다. 이것은 작동 중인 양자 역학의 예입니다. 두 강자성체의 자화 방향이 평행하면 저항이 감소하고 반평행일 때는 저항이 증가합니다.

그림 1:두 개의 강자성체와 하나의 터널 레이어로 구성된 TMR 접합(출처:Crocus Technology)

크로커스 기술

Crocus Technology는 산업 및 소비자 전자 제품 애플리케이션에서 특허받은 XtremeSense TMR 기술을 기반으로 하는 다양한 자기 센서를 제공합니다. XtremeSense TMR 기술은 통합 자기 스위치와 전류 센서를 포함하는 Crocus 자기 센서 제품군의 핵심입니다.

Crocus에 따르면 XtremeSense TMR 기술이 제공하는 주요 이점은 다음과 같습니다.

• 높은 SNR(전류 센서의 5mA 분해능)
• 낮은 전력 소비(스위치에서 110nA)
• 온도 안정성(40ppm/°C 미만)

팀 카스케(Tim Kaske) 영업 및 마케팅 부사장은 “전류 감지에 대한 수요는 계속해서 증가하고 있으며, 특히 더 빠르고 정확하며 지연 시간이 짧아야 하는 아키텍처에 대한 수요가 계속해서 증가하고 있습니다. 바로 이것이 바로 Crocus 장치의 도입을 실제로 보게 되는 이유입니다.”라고 말했습니다. Crocus Technology에서.

TMR은 전류 센서로 사용할 수 있는 몇 가지 특성을 제공합니다. TMR 효과로 인해 TMR 센서의 저항은 외부 자기장에 따라 변합니다. 최첨단 CMOS 회로와 결합하면 TMR 기반 센서를 선형성과 열 성능이 우수한 높은 SNR 센서로 사용할 수 있습니다. TMR 센서의 이러한 특성으로 인해 접촉식 또는 비접촉식 전류 센서로 사용할 수 있습니다.

TMR 센서 사용 사례

정확하고 신뢰할 수 있는 전류 감지 솔루션이 필요한 핵심 애플리케이션은 PFC(역률 보정)로, 효율성을 높이기 위해 많은 전력 애플리케이션(예:전원 공급 장치)에서 필수가 되었으며 동일한 이유로 요구되는 회로입니다. 유럽의 EN61000-3-2와 같은 국제 규정에 따라 PFC 스테이지를 포함하는 전원 공급 장치는 역률 보정이 없는 것보다 더 높은 출력 부하 전류를 공급할 수 있습니다. PFC는 AC 전류 고조파를 크게 줄여 전압 파형과 동위상인 "기본" 전류 주파수만 거의 남길 수 있습니다.

Kaske는 "우리가 이동하고 있는 핵심 초점 응용 프로그램 중 하나가 GaN MOSFET을 사용하는 CCM 토템폴 PFC라는 것을 실제로 보고 있습니다."라고 말했습니다. "PFC 단계는 지난 10년 동안 많은 업데이트가 없었지만 지금은 토템폴 아키텍처와 이를 지원할 수 있는 새로운 컨트롤러로 인해 EV 온보드 및 오프와 같은 새로운 기회가 열리고 있습니다. -보드 충전기, 컴퓨팅 및 데이터 센터.”

션트 저항기, 증폭기 및 디지털 절연기를 기반으로 하는 것과 같은 표준 전류 감지 솔루션은 TMR 센서를 사용하여 극복할 수 있는 몇 가지 한계를 보여주고 있어 PCB의 실장 면적을 2배에서 5배까지 축소합니다.

Kaske는 "전류 감지에 홀 기반 센서를 사용해 온 다른 엔지니어들은 이제 우리가 정확도, 대역폭, 대기 시간 및 전반적인 효율성 측면에서 시스템에 상당한 이점을 제공할 수 있음을 보고 있습니다."라고 말했습니다.

일반적인 능동 PFC의 블록 다이어그램은 그림 2에 나와 있습니다. 다이오드 브리지는 입력 AC 전압을 DC 전압으로 변환하는 반면 PFC 스테이지는 라인과 메인 컨버터 사이에 삽입됩니다. 이것은 프리컨버터(보통 부스트 컨버터)의 역할을 하여 주전원에서 사인파 전류를 끌어오고 출력에 DC 전압을 제공합니다.

그림 2:일반적인 활성 PFC 단계의 다이어그램(출처:Crocus Technology)

그림 3에 표시된 CCM 토템폴 PFC는 고주파 하프 브리지로 구성된 2개의 GaN MOSFET S1 및 S2를 사용합니다. S3 및 S4는 동기식 MOSFET을 사용하는 라인 주파수 주도입니다. 이 솔루션의 채택으로 인해 발생하는 주요 이점은 고효율, 낮은 전력 손실 및 부품 수 감소입니다. 고주파수 소프트 스위칭 솔루션에는 잠재적인 연쇄 오류를 방지하기 위해 빠른 과도 현상을 감지할 수 있는 전류 센서가 필요합니다. 이 회로는 단 하나의 양방향 전류 센서(i _L ) 양의 반주기 및 음의 반주기에서 전류를 감지하기 위한 것입니다.

그림 3:CCM 토템폴 PFC(출처:Crocus Technology)

Crocus에 따르면 XtremeSense TMR 센서는 다음을 제공하므로 이 애플리케이션에 이상적인 솔루션입니다.

• 컨트롤러에 대한 높은 SNR 및 깨끗한 신호
• 전류가 흐르는 도체를 통한 낮은 전력 손실
• 측정을 위한 낮은 위상 지연 및 빠른 출력 응답 시간(300ns)의 1MHz 대역폭
• MCU에 전류 정보를 제공하는 프로그래밍 가능한 과전류 감지 및 오류 핀
• 양방향 감지로 양 및 음의 전류 모두 측정
• 안전을 위한 고전압 절연(5kV)

Kaske는 "큰 기회가 있는 또 다른 시장은 높은 안전성과 우수한 절연성을 제공하는 변류기가 널리 사용되는 분야인 태양광 발전입니다."라고 말했습니다. "비접촉식 전류 센서와 경쟁할 수 있는 시장이라고 생각합니다. 동일하거나 더 나은 절연과 더 높은 정확도를 제공합니다."

>> 이 기사는 원래 자매 사이트인 Power Electronics News에 게시되었습니다.

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