TMR电流传感器介绍

电流传感器的种类繁多，本章从产品原理出发，通过不同技术路线的参数对比、不同产品的精度计算，在突显集成化优势的同时让读者对于第四代磁传感器TMR技术有一定的认识与理解。

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磁阻效应原理

磁阻效应：是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。金属或半导体的载流子在磁场中运动时，由于受到电磁场的变化产生的洛伦兹力作用，产生了磁阻效应。

磁阻效应主要分为：常磁阻，巨磁阻，超巨磁阻，异向磁阻，穿隧磁阻效应等。

隧道磁阻(TMR)效应：铁磁薄片的磁化方向可以在外磁场的控制下被独立的切换。如果极化方向平行，那么电子隧穿过绝缘层的可能性会更大，其宏观表现为电阻小；如果极化方向反平行，那么电子隧穿过绝缘层的可能性较小，其宏观表现是电阻极大。因此，这种结可以在两种电阻状态中切换，即高阻态和低阻态。

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发展背景

早在1975年,Julliere就在Co/Ge/Fe磁性隧道结(MagneticTunnelJunctions，MTJs)（注：MTJs的一般结构为铁磁层/非磁绝缘层/铁磁层(FM/I/FM)的三明治结构）中观察到了TMR效应。但是，这一发现当时并没有引起人们的重视。在这之后的十几年内，TMR效应的研究进展十分缓慢。（注：TMR效应产生机理是自旋相关的隧穿效应）

1988年,巴西学者Baibich在法国巴黎大学物理系Fert教授领导的科研组中工作时，首先在Fe/Cr多层膜中发现了巨磁电阻(GMR)效应。TMR效应和GMR效应的发现导致了凝聚态物理学中新的学科分支——磁电子学的产生。20年来，GMR效应的研究发展非常迅速，并且基础研究和应用研究几乎齐头并进，已成为基础研究快速转化为商业应用的国际典范。

随着GMR效应研究的深入，TMR效应开始引起人们的重视。尽管金属多层膜可以产生很高的GMR值，但强的反铁磁耦合效应导致饱和场很高，磁场灵敏度很小，从而限制了GMR效应的实际应用。MTJs中两铁磁层间不存在或基本不存在层间耦合，只需要一个很小的外磁场即可将其中一个铁磁层的磁化方向反向，从而实现隧穿电阻的巨大变化，故MTJs较金属多层膜具有高得多的磁场灵敏度。同时，MTJs这种结构本身电阻率很高、能耗小、性能稳定。因此，MTJs无论是作为读出磁头、各类传感器，还是作为磁随机存储器(MRAM)，都具有无与伦比的优点，其应用前景十分看好，引起世界各研究小组的高度重视。

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不同技术路线对比

对于磁传感器而言，霍尔技术是最成熟也是应用最广的，因此本次对比以霍尔为参考，从下表可以看出磁阻传感器具有灵敏度高、响应速度快的优点，而TMR多了功耗低、工作温度范围宽、温度稳定性高的优点。

基于AMR的磁传感不少大厂都有在做，在车规级的角度传感器上AMR传感有着不可忽视的重要作用。掌握GMR传感的厂商相比于AMR来说少了很多。TMR技术属于这几种技术中门槛最高的，其灵敏度、磁阻效应也是最为领先的。Crocus的TMR传感代表了TMR技术在世界范围的技术风向。

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电流传感器等效电路

霍尔电流传感器分为开环与闭环，从结构上来说，开环霍尔传感器由磁芯、霍尔芯片、信号处理回路构成。其中霍尔芯片感应磁场变化产生电动势，该电压信号通过运放处理转换为输出的电压信号，开环电路等效电路如下。

众所周知，小型化、轻型化、集成化一直是电力电子发展的主旋律，通过集成化不止可以降低产品成本，还可以提高产品的可靠性与一致性，因此也有了开环专用集成电路ASIC，如下黑色方框为集成芯片。

闭环电路可以提高产品的精度与稳定性，电流传感器也是一样道理，如下图所示，运放回路与开环一样，其输出连接图腾柱进行电流放大，图腾柱输出给副边线圈供电，此线圈绕制于磁芯上，在原边有电流流过时，副边线路电流产生的补偿磁通与原边电流Ip产生的磁通大小相等，方向相反，使得磁芯中磁通总量为零。霍尔器件和辅助电路产生的副边补偿电流准确反映了原边电流的大小，原副边电流大小为线圈匝比关系，通过输出端口串联电阻的方式就可以采样到所需的电压信号。

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精度计算比对

电流传感器最核心的参数即电流检测精度，电流精度主要考虑线性度、零点以及零点温漂，闭环产品增加一个增益误差，因为零点误差可以通过软件矫正，这里精度计算去除零点误差。

开环非ASIC产品精度计算：

开环ASIC产品精度计算：

闭环产品精度计算：

霍尔产品精度计算

以LEM HX系列为例，其中霍尔芯片为非ASIC，线性误差1%，输出温漂系数0.1%/K，额定输出4V，零点输出温漂1.5mV/K。

HXS系列其中霍尔芯片为ASIC，线性误差0.5%，增益误差0.5%，增益温漂系数0.05%/K，额定输出0.625V，零点输出温漂0.15mV/K。

GO系列为贴片式ASIC产品，线性误差0.3%，增益误差0.4%，增益温漂系数0.015%/K，额定输出0.8V，零点输出温漂0.075mV/K。

假设额定电流20A，环境温度85°C，计算10%额定电流2A时的精度误差：

经过计算，其中HX20-P误差为38.5%，而HXS20-NP误差为22.9%，GO20-SME误差为9.925%。

可见同样是模块式产品，ASIC系列精度要比非ASIC要高，同样是ASIC产品，贴片式要比模块式精度高，也就是集成度越高的产品其小电流精度与稳定性越好。另外也可以看到电流传感器通常定义为额定电流以及常温状态下，考虑温度漂移引起的误差，以及小电流分母为实际输出值，高温小电流的误差会比额定标称要高不少，这也是设计人员需要注意的点。

TMR产品精度计算

以Crocus CT415系列为例，其中CT415-xSN850MR为50A产品，该50A为最大值，等效于霍尔20A额定值。CT415-xSN850MR线性误差为0.1%，另外从前面不同技术的参数对比也可以看出TMR温度稳定性要好很多，因此如下规格给出全温度范围增益误差为0.5%，全温度范围零点误差0.3%，可见影响其精度的最大因素为线性误差，在85°C时，同样是电流2A，其精度误差主要为线性误差，计算得出为2.5%。

TMR技术具有功耗低、尺寸小、响应速度快、温度稳定性好、精度高的优点，是电流传感领域潜力股，其优异性能将逐步得到关注以及广泛使用。

如下Crocus产品系列作为参考，除了精度以外，其带宽达到1MHz，是高频开关电源的另一大福音。