Sensores minúsculos beneficiam aplicativos de detecção de corrente

Hoje, várias técnicas capazes de converter um campo magnético em uma tensão proporcional estão disponíveis. Os sensores magnéticos têm sido usados ​​em diferentes aplicações em uma variedade de setores, incluindo codificadores magnéticos, bússolas eletrônicas, sensores de ângulo absoluto, chaves liga / desliga simples e detecção de corrente.

O efeito Hall, descoberto por Edwin Hall em 1879, tem sido amplamente utilizado e com sucesso por muitos anos para construir sensores magnéticos de estado sólido. No entanto, atingiu algumas limitações que estão forçando os projetistas de sistemas a desenvolver novas tecnologias capazes de atingir os requisitos desejados, como baixo consumo de energia, alta sensibilidade e precisão e custo acessível.

As novas tecnologias capazes de atender a esses requisitos baseiam-se no efeito da magnetorresistência (MR), que é a propriedade de um material (como ferro, níquel e cobalto) de alterar seu valor elétrico sob um campo magnético. Mudar a magnetização de um material altera a forma como os elétrons viajam dentro dele, resultando em uma mudança na resistência elétrica do dispositivo. O efeito MR tem características diferentes dependendo de como o interior do material magnético foi magnetizado.

Uma nova tecnologia derivada do MR é o efeito da magnetorresistência túnel (TMR), descoberto pelo professor Terunobu Miyazaki na década de 1990. Conforme mostrado na Figura 1, um elemento sensor TMR é composto de uma camada de isolamento não magnético de nível nanométrico extremamente fina, ensanduichada entre duas camadas ferromagnéticas. Os elétrons passam por uma camada isolante de uma camada ferromagnética para a outra. Este é um exemplo de mecânica quântica em ação. Quando as direções de magnetização dos dois materiais ferromagnéticos são paralelas, a resistência diminui, ao passo que, quando são antiparalelas, a resistência aumenta.

Figura 1:Uma junção TMR composta por dois ferromagnetos e uma camada de túnel (Fonte:Crocus Technology)

Tecnologia Crocus

A Crocus Technology oferece uma ampla seleção de sensores magnéticos com base em sua tecnologia patenteada XtremeSense TMR em aplicações eletrônicas industriais e de consumo. A tecnologia XtremeSense TMR está no centro da família de sensores magnéticos Crocus, que inclui interruptores magnéticos integrados e sensores de corrente.

De acordo com a Crocus, as principais vantagens oferecidas pela tecnologia XtremeSense TMR são:

• SNR alto (resolução de 5 mA em sensores de corrente)
• Baixo consumo de energia (110 nA em interruptores)
• Estabilidade de temperatura (menos de 40ppm / ° C)

“A demanda por detecção de corrente continua a aumentar, especialmente para arquiteturas que precisam rodar mais rápido, ser mais precisas e ter menos latência - é aí que realmente vemos a introdução dos dispositivos Crocus”, disse Tim Kaske, vice-presidente de vendas e marketing na Crocus Technology.

O TMR oferece diversas características que permitem seu uso como sensor de corrente. Devido ao efeito TMR, a resistência de um sensor TMR muda de acordo com o campo magnético externo. Quando combinados com circuitos CMOS de última geração, os sensores baseados em TMR podem ser usados ​​como sensores de alta SNR com excelente linearidade e desempenho térmico. Essas características dos sensores TMR permitem seu uso como sensor de corrente com contato ou sem contato.

Caso de uso do sensor TMR

Uma aplicação chave que precisa de soluções de detecção de corrente precisas e confiáveis ​​é a correção do fator de potência (PFC), um circuito que se tornou obrigatório em muitas aplicações de energia (como fontes de alimentação) para aumentar a eficiência e, pelo mesmo motivo, é necessário por regulamentações internacionais, como EN61000-3-2 na Europa. Uma fonte de alimentação incluindo um estágio PFC pode fornecer correntes de carga de saída mais altas do que aquelas sem correção do fator de potência. O PFC pode reduzir significativamente os harmônicos da corrente CA, deixando quase apenas a frequência da corrente “fundamental”, que está em fase com a forma de onda da tensão.

“Nós realmente vemos como um dos principais aplicativos de foco para o qual estamos nos movendo é o PFC totem-pole CCM com GaN MOSFETs”, disse Kaske. “Eu diria que o estágio PFC não teve muitas atualizações nos últimos 10 anos, mas agora, com a arquitetura totem-pole e novos controladores capazes de suportá-lo, novas oportunidades se abrem, como EV on-board e off - carregadores de placa, computação e data centers. ”

Soluções de detecção de corrente padrão, como aquelas baseadas em resistores shunt, amplificadores e isoladores digitais, estão mostrando várias limitações que podem ser superadas usando sensores TMR, reduzindo a pegada no PCB em 2 × a 5 ×.

“Outros engenheiros, que têm usado um sensor baseado em Hall para detecção de corrente, agora estão vendo que podemos oferecer uma vantagem significativa para seu sistema em precisão, largura de banda, latência e eficiência geral”, disse Kaske.

O diagrama de blocos de um PFC ativo típico é mostrado na Figura 2. A ponte de diodo converte a tensão CA de entrada em uma tensão CC, enquanto o estágio do PFC é inserido entre a linha e o conversor principal. Ele atua como um pré-conversor (normalmente um conversor boost), extraindo uma corrente senoidal da rede elétrica e fornecendo na saída uma tensão CC.

Figura 2:Diagrama de um estágio PFC ativo típico (Fonte:Crocus Technology)

O PFC totem-pole CCM, mostrado na Figura 3, usa dois MOSFETs GaN, S1 e S2, configurados como uma meia-ponte de alta frequência. S3 e S4 são led de frequência de linha com MOSFETs síncronos. Os principais benefícios decorrentes da adoção dessa solução são alta eficiência, baixas perdas de energia e número reduzido de componentes. As soluções de comutação suave de frequência mais alta requerem um sensor de corrente que pode detectar transientes rápidos para evitar possíveis falhas em cascata. Este circuito usa apenas um sensor de corrente bidirecional (i _L ) para detecção de corrente em meio-ciclo positivo e meio-ciclo negativo.

Figura 3:PFC totem-pole CCM (Fonte:Crocus Technology)

De acordo com a Crocus, um sensor XtremeSense TMR é a solução ideal para esta aplicação, pois fornece:

• SNR alto e sinal limpo para o controlador
• Baixa perda de energia através do condutor de corrente
• Largura de banda de 1 MHz com baixo atraso de fase e tempo de resposta de saída rápido (300 ns) para medições
• Detecção de sobrecorrente programável e pino de falha para fornecer informações atuais ao MCU
• Medida de corrente positiva e negativa com detecção bidirecional
• Isolamento de alta tensão (5 kV) para garantir a segurança

“Outro mercado onde vemos grandes oportunidades é a energia solar, um setor onde os transformadores de corrente, com alta segurança e bom isolamento, são amplamente utilizados”, disse Kaske. “Achamos que é um mercado onde podemos competir com sensores de corrente sem contato, oferecendo o mesmo ou melhor isolamento e maior precisão.”

>> Este artigo foi publicado originalmente em nosso site irmão, Power Electronics News.

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