基于AMR的新型電流傳感技術(shù)

嵌入式電子社區(qū)的電源系統(tǒng)開發(fā)人員認(rèn)識(shí)到對(duì)更高效率和更好系統(tǒng)性能的迫切需求。

這是由多種因素造成的——從 熱管理問題到增加的功率密度，再到電池壽命等等。對(duì)更好技術(shù)的持續(xù)壓力要求在這些領(lǐng)域不停地發(fā)展。今天，這種關(guān)注主要集中在高級(jí)材料、拓?fù)浜透呒?jí)軟件定義架構(gòu)上。

追求提高效率的另一個(gè)關(guān)鍵因素是準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的反饋。工程師對(duì)系統(tǒng)性能了解得越多，他們就能更好地管理它。

工程師可以將最好的半導(dǎo)體集成到最新的電路設(shè)計(jì)中，由最先進(jìn)的軟件驅(qū)動(dòng)，除非他們確切地知道系統(tǒng)在做什么，否則他們無法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。沒有反饋就沒有精度，數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確，系統(tǒng)就越精確。

高性能計(jì)算最關(guān)鍵的方面之一是如何管理電源——要么優(yōu)化性能，要么監(jiān)控處理器工作負(fù)載?？梢宰鳛榇頊y(cè)量流入系統(tǒng)的當(dāng)前流量，以查看它是否以最佳水平運(yùn)行，或者您可以將更多計(jì)算或工作負(fù)載加載到處理器上。

除了優(yōu)化之外，準(zhǔn)確的電流感應(yīng)還可以從服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生收入，根據(jù)實(shí)際工作負(fù)載或使用的計(jì)算能力向客戶端收費(fèi)。

電流感應(yīng)

電路中的電流檢測(cè)是獲得精確性能反饋的重要方式，可讓您深入了解系統(tǒng)的運(yùn)行效率。電流傳感器用于控制、保護(hù)和測(cè)量電路，可測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)的功率流，通常用于動(dòng)態(tài)控制開關(guān)頻率以最大限度地減少損耗。準(zhǔn)確和快速的電流測(cè)量是減少零電流和零電壓開關(guān)系統(tǒng)損耗的關(guān)鍵，因?yàn)樵陂_關(guān)階段，開關(guān)晶體管上的任何電流或電壓都是浪費(fèi)能源。

圖 1：電流傳感器廣泛用于控制、保護(hù)和測(cè)量電路，以測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)的功率流。

AMR技術(shù)

各向異性磁阻 (AMR) 隔離式電流傳感器在小型 SMT 封裝中提供高精度和帶寬。與感測(cè)電阻器、霍爾效應(yīng)器件和電流互感器相比，基于 AMR 的電流傳感器(如ACIENNA的那些)是由 NiFe 薄膜制成的插入式器件，對(duì)電流具有非常高的靈敏度和高帶寬響應(yīng)。磁場(chǎng)。

圖 2：與感應(yīng)電阻器、霍爾效應(yīng)器件和電流互感器相比，基于 AMR 的電流傳感器對(duì)磁場(chǎng)具有非常高的靈敏度和高帶寬響應(yīng)。

與傳統(tǒng)方法相比，由于其結(jié)構(gòu)，基于 AMR 的傳感器對(duì)于需要隔離的應(yīng)用尤其有價(jià)值。例如，管理電流的最簡(jiǎn)單方法之一是使用分流電阻器，測(cè)量其兩端的電壓降，但這種解決方案本質(zhì)上不是隔離的。如果您需要增加隔離，這是更高電壓和/或電流應(yīng)用的情況，組件數(shù)量會(huì)增加，增加成本以及與板上組件數(shù)量增加相關(guān)的所有問題。

另一種方法是使用電流互感器，但該解決方案可能體積龐大。此外，電流互感器僅適用于交流電。電流互感器也有飽和效應(yīng)。第三種方法是在間隙中放置一個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器，并用它來測(cè)量通過導(dǎo)線的電流。由于有多種測(cè)量電流的方法，您在電源設(shè)計(jì)中指定的傳感器類型將影響您的成本、尺寸和效率。

ACEINNA 的 AMR 技術(shù)是一種緊湊的單芯片解決方案。與分流寄存器相比，AMR 技術(shù)使用絕緣基板，具有 4.8KV 隔離，并且除了去耦電容器之外不需要額外的組件。與變壓器相比，不僅僅是尺寸，AMR 技術(shù)可以同時(shí)響應(yīng)直流和交流雙向電流。與基于霍爾效應(yīng)的解決方案相比，AMR 技術(shù)提供 1.5 兆赫的帶寬，并且具有更低的偏移和噪聲，從而帶來更好的精度和更低的相移。這與 AMR 技術(shù)非?？斓妮敵鲭A躍響應(yīng)相結(jié)合，提供了一種準(zhǔn)確而緊湊的解決方案，可以為電力系統(tǒng)的保護(hù)和控制執(zhí)行關(guān)鍵測(cè)量。

怎么運(yùn)行的

在 ACIENNA 傳感器中，四個(gè)引腳從一側(cè)接收電流，在同一側(cè)，電流通過另外四個(gè)引腳返回。當(dāng)電流流過引線框架時(shí)，它以 U 形彎曲流過器件，電流沿一個(gè)方向流動(dòng)并在彎曲處返回。當(dāng)電流流過引線框架時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生要測(cè)量的場(chǎng)。當(dāng)電流反向時(shí)，它具有反向場(chǎng)。設(shè)備中有兩個(gè)獨(dú)立的 AMR 電流傳感器，可從兩個(gè)電流方向測(cè)量場(chǎng)，抵消可能存在的外部場(chǎng)和偏移。

圖 3：為確保高精度，兩個(gè)(綠色)AMR 電流傳感器從兩個(gè)電流方向測(cè)量場(chǎng)，基本上抵消了外部磁場(chǎng)

這種雙傳感器配置使 AMR 傳感器能夠忽略與電流垂直的外部場(chǎng)，從而能夠忽略板上的其他組件。AMR 傳感器僅對(duì)硅中的水平場(chǎng)敏感。然而，如果您使用霍爾效應(yīng)傳感器，它們也會(huì)感應(yīng)垂直于硅的場(chǎng)。這種基于 AMR 的設(shè)計(jì)對(duì)雜散磁場(chǎng)的抵抗力為開發(fā)人員在基于 AMR 的系統(tǒng)中放置組件提供了更大的靈活性。

ACIENNA AMR 傳感器的雙傳感器結(jié)構(gòu)、高集成度和所用材料不僅提供了高精度和帶寬，還實(shí)現(xiàn)了高階躍響應(yīng)，即傳感器能夠快速響應(yīng)變化的能力它正在測(cè)量的磁場(chǎng)。這種高精度降低了信號(hào)中的相位差，以及緩慢和不準(zhǔn)確測(cè)量的其他偽影。

AMR 傳感器特點(diǎn)

當(dāng)涉及服務(wù)器和電信中的電源等應(yīng)用中的功率流時(shí)，您有一個(gè)前端 AC-DC PFC 轉(zhuǎn)換器為 DC-DC 總線轉(zhuǎn)換器供電，驅(qū)動(dòng)板上的 DC-DC 負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器， AMR傳感器是最佳選擇。

例如，ACIENNA 最近發(fā)布的用于工業(yè)和電源應(yīng)用的 MCx1101 系列 ±5A、±20A 和 ±50A 電流傳感器是完全集成的雙向電流傳感器，(±20A)典型精度為 ±0.6% ，以及 ±60mA 或 FSR(最大值)±0.3% 的溫度偏移，確保在非常寬的電流范圍內(nèi)準(zhǔn)確運(yùn)行。

基于 AMR 的集成單芯片解決方案的其他優(yōu)勢(shì)包括降低了失調(diào)電壓，這種不良電壓代表了各種條件下實(shí)際輸出與指定值之間的差異，影響了測(cè)量的準(zhǔn)確性。由于高度集成，噪聲也更少，這會(huì)影響任何系統(tǒng)的精度。高度準(zhǔn)確的傳感器可以幫助優(yōu)化處理器的使用量，特別是對(duì)于涉及 AI 和云的應(yīng)用程序，使用功率跟蹤進(jìn)行性能監(jiān)控。

應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

了解每個(gè)代理服務(wù)器使用了多少能量可以幫助確定是否還有更多能量的空間，因此他們可以將更多的數(shù)字運(yùn)算放入系統(tǒng)中，或者確定它是否已經(jīng)達(dá)到極限。了解電量消耗情況的另一方面是，您可以根據(jù)使用的處理器時(shí)間或處理能力向客戶收費(fèi)。因此，準(zhǔn)確的電流測(cè)量可以增強(qiáng)(雙關(guān)語)系統(tǒng)性能。

除了電源和數(shù)據(jù)中心之外，還有無數(shù)其他應(yīng)用可以從 AMR 感測(cè)中受益，例如電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和逆變器。逆變器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是非常相似的電路，但負(fù)載末端不是電機(jī)，而是與逆變器連接的電網(wǎng)。另一個(gè)可以受益的應(yīng)用是不間斷電源 (UPS)，從前端 AC-DC 轉(zhuǎn)換器到電池管理，再到最后一級(jí) DC-AC 逆變器，以及連接到電網(wǎng)的地方。

在輸出端，您將合成連接到網(wǎng)格的正弦波。在功率因數(shù)校正方面，如果您使用圖騰柱型，AMR 傳感器將為您提供電流測(cè)量值，用于控制和保護(hù)。在電池管理方面，中間是充放電電流管理。還有其他應(yīng)用，如家用電器，尤其是那些帶有電機(jī)的應(yīng)用，如冰箱和洗碗機(jī)。

期待

在為電源、可變電機(jī)控制逆變器、UPS 和電動(dòng)汽車指定電流傳感和管理系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)和電源工程師有很多技術(shù)選擇。

與其他電流傳感技術(shù)相比，基于 AMR 的傳感器通常是涉及電力傳輸或電機(jī)控制應(yīng)用的最佳選擇。由于使用的結(jié)構(gòu)和材料，這些傳感器具有固有的高靈敏度、快速響應(yīng)和寬帶寬。出于多種原因，這表明基于 AMR 的電流傳感器是下一代電源系統(tǒng)中高級(jí)電源管理的最合乎邏輯的選擇。
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