1. November 2021, von Maurizio Di Paolo Emilio
Ein TMR-Sensorelement besteht aus einer extrem dünnen, nichtmagnetischen Isolationsschicht im Nanometerbereich, die zwischen zwei ferromagnetischen Schichten eingebettet ist.
Heutzutage gibt es mehrere Verfahren, um ein Magnetfeld in eine proportionale Spannung umzuwandeln. Magnetsensoren werden in vielen Sektoren für verschiedene Anwendungen eingesetzt, darunter magnetische Encoder, E-Kompasse, absolute Winkelsensoren, einfache Ein/Aus-Schalter und Sensoren zur Stromerfassung.
Der Hall-Effekt, erstmals 1879 von Edwin Hall entdeckt, ist seit vielen Jahren in der Herstellung von Festkörper-Magnetsensoren weit verbreitet. Einige Einschränkungen machen jedoch die Entwicklung neuer Technologien erforderlich, die in der Lage sind, bestimmte Anforderungen zu erfüllen, z. B. geringer Stromverbrauch, hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit sowie erschwingliche Kosten.
Neue Technologien, die diesen Anforderungen gerecht werden, basieren auf dem Effekt des Magnetowiderstands (MR). Dabei handelt es sich um die Eigenschaft bestimmter Materialien (wie Eisen, Nickel und Kobalt), den elektrischen Widerstand unter Einfluss eines Magnetfelds zu ändern. Wenn sich die Magnetisierung eines Materials ändert, ändert sich auch die Verteilung der Elektronen in diesem Material, wodurch sich wiederum der elektrische Widerstand der Komponente ändert. Je nach Magnetisierung im Innern des magnetischen Materials wirkt sich der MR-Effekt unterschiedlich aus.
Eine neuartige Technologie, die aus dem MR hervorgegangen ist, ist der Effekt des Tunnelmagnetowiderstands, der in den 1990er Jahren von Professor Terunobu Miyazaki entdeckt wurde. Wie in Abbildung 1 dargestellt, besteht ein TMR-Sensorelement aus einer extrem dünnen, nichtmagnetischen Isolationsschicht im Nanometerbereich, die zwischen zwei ferromagnetischen Schichten eingebettet ist. Elektronen passieren die Isolationsschicht von einer ferromagnetischen Schicht zur anderen. Dies ist ein Beispiel für Quantenmechanik in Aktion. Wenn die Magnetisierungsrichtungen der beiden ferromagnetischen Materialien parallel verlaufen, nimmt der Widerstand ab; sind sie nicht parallel, steigt er.
Abbildung 1: Eine TMR-Sperrschicht aus zwei Ferromagneten und einer Tunnelschicht (Quelle: Crocus Technology)
Crocus XtremeSense-TMR-technology
Crocus Technology bietet für Industrieanwendungen und Unterhaltungselektronik eine große Auswahl an Magnetsensoren, die auf seiner patentierten XtremeSense-TMR-technology basieren. Die XtremeSense-TMR-technology bildet das Herzstück der Magnetsensor-Produktlinie von Crocus, die integrierte Magnetschalter und Stromsensoren umfasst.
Crocus zufolge bietet die XtremeSense-TMR-technology vor allem folgende Vorteile:
- Hoher SNR-Wert (Auflösung von 5 mA bei Stromsensoren)
- Geringer Stromverbrauch (110 nA bei Schaltern)
- Temperaturstabilität (weniger als 40 ppm/°C)
„Die Nachfrage nach Sensoren zur Stromerfassung nimmt weiter zu, insbesondere für Architekturen, die bei weniger Latenz schneller und genauer sein sollen. Hier sehen wir einen Markt für unsere Produkte“, so Tim Kaske, Vice President für Vertrieb und Marketing bei Crocus Technology.
Mehrere seiner Eigenschaften empfehlen TMR als Stromsensor. Aufgrund des TMR-Effekts ändert sich der Widerstand eines TMR-Sensors entsprechend dem äußeren Magnetfeld. In Kombination mit modernster CMOS-Schaltungstechnik können TMR-basierte Sensoren einen hohen SNR-Wert sowie eine ausgezeichnete Linearität und thermische Leistung bieten. Diese Eigenschaften von TMR-Sensoren ermöglichen ihre Verwendung sowohl als kontaktbasierte wie auch als berührungslose Stromsensoren.
Einsatzbereich für TMR-Sensoren
Eine wichtige Anwendung, die genaue und zuverlässige Stromerfassungslösungen erfordert, ist die Leistungsfaktorkorrektur (PFC). Diese Schaltung ist mittlerweile in vielen Stromanwendungen (z. B. Spannungsversorgungen) obligatorisch, um den Wirkungsgrad zu erhöhen. Aus demselben Grund wird sie auch von internationalen Vorschriften wie EN61000-3-2 in Europa vorgeschrieben. Eine Spannungsversorgung mit PFC-Stufe kann höhere Ausgangslastströme liefern als Spannungsversorgungen ohne Leistungsfaktorkorrektur. PFC kann die Oberwellen des Wechselstroms erheblich reduzieren, sodass fast nur die „grundlegende“ Stromfrequenz übrig bleibt, die mit der Spannungswellenform in Phase ist.
„Für uns ist eine der wichtigsten Anwendungen in der Zukunft die CCM-Totempfahl-PFC mit GaN-MOSFETs“, erklärt Kaske. „Die PFC-Stufe hat in den letzten zehn Jahren nicht viele Aktualisierungen erfahren. Aber jetzt, mit der Totem-Pole-Architektur und neuen Controllern, die sie unterstützen, ergeben sich auch neue Möglichkeiten, z. B. EV-Ladegeräte innerhalb und außerhalb des Fahrzeugs, Computing und Rechenzentren.“
Die Einschränkungen von Standardlösungen zur Stromerfassung, die beispielsweise auf Shunt-Widerständen, Verstärkern und Digitalisolatoren basieren, werden durch TMR-Sensoren überwunden, da der Platzbedarf auf der Leiterplatte um das Zwei- bis Fünffache geringer ist.
„Andere Ingenieure, die einen Hall-basierten Sensor zur Stromerfassung verwenden, stellen fest, dass wir Genauigkeit, Bandbreite, Latenz und Gesamteffizienz ihres Systems erheblich verbessern können“, fährt Kaske fort.
Das Blockdiagramm einer typischen aktiven PFC ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Diodenbrücke wandelt die Eingangswechselspannung in Gleichspannung um, während die PFC-Stufe zwischen Netz und Hauptwandler eingefügt wird. Sie fungiert als Vorwandler (normalerweise ein Aufwärtswandler), der sinusförmigen Strom aus dem Netz bezieht und am Ausgang Gleichspannung liefert.
Abbildung 2: Diagramm einer typischen aktiven PFC-Stufe (Quelle: Crocus Technology)
Die in Abbildung 3 dargestellte CCM-Totempfahl-PFC verwendet zwei GaN-MOSFETs, S1 und S2, die als Hochfrequenz-Halbbrücke konfiguriert sind. S3 und S4 sind netzfrequenzgeführt mit synchronen MOSFETs. Die wichtigsten Vorteile dieser Lösung sind ein hoher Wirkungsgrad, geringe Leistungsverluste sowie weniger Komponenten. Die höherfrequenten Soft-Switching-Lösungen erfordern einen Stromsensor, der schnelle Transienten erkennt, um potenzielle Kaskadenausfälle zu verhindern. Diese Schaltung verwendet nur einen bidirektionalen Stromsensor (iL) zum Erfassen von Strom bei positivem und negativem Halbzyklus.
Abbildung 3: CCM-Totempfahl-PFC (Quelle: Crocus Technology)
Abbildung 4: TMR-Sensor und Hall-basierter Sensor im Vergleich (Quelle: Crocus Technology)
Laut Crocus ist ein XtremeSense-TMR-Sensor die ideale Lösung für diese Anwendung, da er folgende Vorteile bietet:
- Hoher SNR-Wert und deutliches Signal an den Controller
- Geringer Leistungsverlust durch den stromführenden Leiter
- 1-MHz-Bandbreite mit geringer Phasenverzögerung und schneller Ausgangsantwortzeit (300 ns) für Messungen
- Programmierbare Überstromerkennung und Fehler-Pin zur Bereitstellung von Strominformationen an die MCU
- Messung sowohl des positiven als auch des negativen Stroms mit bidirektionaler Erfassung
- Hochspannungsisolation (5 kV) zur Gewährleistung der Sicherheit
„Ein weiterer Markt, in dem wir große Chancen sehen, ist die Solarenergie. In diesem Sektor sind Stromwandler mit hoher Sicherheit und guter Isolation weit verbreitet“, erläutert Kaske. „Wir glauben, dass dies ein Markt ist, auf dem wir mit berührungslosen Stromsensoren konkurrieren können, die die gleiche oder bessere Isolation und eine höhere Genauigkeit bieten.“
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