초소형 TMR 센서, 전류 센싱 혁신: 고정밀·저전력·컴팩트 설계

오늘날 자기장을 비례 전압으로 변환하는 다양한 기술이 자기 인코더부터 전류 센싱까지 다양한 애플리케이션을 가능케 합니다.

홀 효과의 한계와 MR/TMR의 등장

1879년 Edwin Hall이 발견한 홀 효과는 오랫동안 고체 자기 센서의 동력이었습니다. 하지만 높은 전력 소모, 제한된 감도, 비용 등의 한계가 더 효율적인 대안 탐색을 자극했습니다.

자기장 하에서 물질의 전기 저항이 변하는 자기저항(MR) 현상이 새로운 센서 설계 경로를 열었습니다. MR 효과는 물질의 내부 자화에 따라 달라집니다.

MR의 혁신적 파생 기술이 터널 자기저항(TMR)입니다. 1990년대 Terunobu Miyazaki 교수가 발견한 TMR 센서는 나노미터 두께의 절연 장벽으로 분리된 두 강자성 층으로 구성됩니다. 층들의 자화가 정렬되면 저항이 떨어지고, 반대면 저항이 상승하는 우아한 양자 역학적 효과입니다.

Crocus Technology의 XtremeSense TMR 플랫폼

Crocus Technology는 특허받은 XtremeSense TMR 플랫폼을 활용해 산업용과 가전용 자기 센서를 제공합니다. XtremeSense 제품군에는 성능과 풋프린트에서 뛰어난 통합 스위치와 전류 센서가 포함됩니다.

XtremeSense TMR의 주요 장점

• 탁월한 신호 대 잡음비 - 전류 센싱에서 5mA 해상도
• 초저전력 - 스위치 모드에서 110nA
• 강건한 온도 안정성 - < 40ppm/°C

"고속, 정확, 저지연 전류 센싱 수요가 증가하고 있습니다. 특히 파워 일렉트로닉스 아키텍처에서 그렇습니다."라고 Crocus의 영업 및 마케팅 부사장 Tim Kaske는 말합니다.

TMR 센서는 전류 센서 역할에 자연스럽게 부합합니다. 저항이 주변 자기장에 따라 변하고, 현대 CMOS 회로와 결합하면 고 SNR, 선형성, 열적 안정성을 가진 측정값을 제공해 접촉 및 비접촉 애플리케이션 모두에 이상적입니다.

활용 사례: 역률 보정(PFC)

역률 보정(PFC)은 EN 61000-3-2 같은 표준으로 의무화된 파워 서플라이의 핵심 기술입니다. PFC 단계는 부하 전류 능력을 높이고 AC 고조파를 억제해 깨끗한 위상 일치 전류를 만듭니다.

Kaske는 "CCM 토템폴 PFC에 GaN MOSFET을 적용하는 분야를 타겟팅합니다. 이 영역은 10년간 큰 진화가 없었습니다. 새로운 컨트롤러가 이 아키텍처를 지원하면서 EV 충전기, 컴퓨팅, 데이터센터로 문이 열리고 있습니다."라고 설명합니다.

기존 션트 기반 전류 센싱은 크기, 전력 손실, 대역폭 제약 등의 한계가 있습니다. TMR 솔루션은 PCB 풋프린트를 절반 또는 1/4로 줄이면서 우수한 정확도, 대역폭, 지연 시간을 제공합니다.

"홀 센서에 의존하던 엔지니어들은 이제 TMR이 정확도, 대역폭, 효율 전반에서 성능 도약을 제공함을 알게 되었습니다."라고 Kaske는 덧붙입니다.

표준 액티브 PFC의 블록 다이어그램은 그림 2와 같습니다. 다이오드 브리지가 AC 입력을 DC로 변환하고, 프리 컨버터(일반적으로 부스트)가 메인스에서 정현파 전류를 끌어와 DC 출력을 전달합니다.

그림 3의 CCM 토템폴 PFC는 두 개의 GaN MOSFET(S1, S2)을 고주파 하프 브리지에, S3와 S4를 라인 주파수 동기 스위칭에 사용합니다. 높은 효율, 낮은 손실, 부품 수 감소로 현대 파워 시스템에 매력적입니다. 이 설계는 연쇄 고장을 방지하기 위해 빠른 과도 현상을 포착할 수 있는 전류 센서가 필요하며, 단일 양방향 센서로 주기의 양쪽 절반을 모니터링합니다.

Crocus에 따르면 XtremeSense TMR 센서는 이 애플리케이션에 이상적인 선택으로 다음을 제공합니다.

• 컨트롤러로 깨끗한 출력을 위한 고 SNR
• 최소 전도 손실
• 1MHz 대역폭, 낮은 위상 지연, 300ns 상승 시간으로 빠른 측정
• 프로그래머블 과전류 탐지와 MCU 통합용 폴트 핀
• 양/음 전류 양방향 센싱
• 안전을 위한 5kV 절연

"태양광 발전도 또 다른 비옥한 분야입니다."라고 Kaske는 말합니다. "전류 변압기가 절연과 안전을 제공하지만, TMR은 더 높은 정확도로 비교 가능한 절연을 제공하며 경쟁할 수 있습니다."

> 이 기사는 자매 사이트 Power Electronics News에 처음 게재되었습니다.

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