Pequeños sensores benefician a las aplicaciones de detección de corriente

Hoy en día, se encuentran disponibles varias técnicas capaces de convertir un campo magnético en un voltaje proporcional. Los sensores magnéticos se han utilizado en diferentes aplicaciones en una variedad de sectores, incluidos codificadores magnéticos, brújulas electrónicas, sensores de ángulo absoluto, interruptores de encendido / apagado simples y detección de corriente.

El efecto Hall, descubierto por primera vez por Edwin Hall en 1879, se ha utilizado ampliamente y con éxito durante muchos años para construir sensores magnéticos de estado sólido. Sin embargo, ha alcanzado algunas limitaciones que están obligando a los diseñadores de sistemas a desarrollar nuevas tecnologías capaces de alcanzar los requisitos objetivo, como bajo consumo de energía, alta sensibilidad y precisión y un costo asequible.

Las nuevas tecnologías capaces de cumplir con esos requisitos se basan en el efecto de magnetorresistencia (MR), que es la propiedad de un material (como el hierro, el níquel y el cobalto) de cambiar su valor eléctrico bajo un campo magnético. Cambiar la magnetización de un material altera la forma en que los electrones viajan dentro de él, lo que resulta en un cambio en la resistencia eléctrica del dispositivo. El efecto MR tiene diferentes características dependiendo de cómo se magnetizó el interior del material magnético.

Una nueva tecnología derivada de la RM es el efecto de magnetorresistencia de túnel (TMR), descubierto por el profesor Terunobu Miyazaki en la década de 1990. Como se muestra en la Figura 1, un elemento sensor TMR está formado por una capa de aislamiento no magnético de nivel nanométrico extremadamente delgada, intercalada entre dos capas ferromagnéticas. Los electrones atraviesan una capa aislante de una capa ferromagnética a la otra. Este es un ejemplo de mecánica cuántica en acción. Cuando las direcciones de magnetización de los dos materiales ferromagnéticos son paralelas, la resistencia disminuye, mientras que cuando son antiparalelas, la resistencia aumenta.

Figura 1:Un cruce TMR compuesto por dos ferromagnetos y una capa de túnel (Fuente:Crocus Technology)

Tecnología Crocus

Crocus Technology ofrece una amplia selección de sensores magnéticos basados ​​en su tecnología patentada XtremeSense TMR en aplicaciones industriales y de electrónica de consumo. La tecnología XtremeSense TMR es el núcleo de la familia de sensores magnéticos Crocus, que incluye interruptores magnéticos integrados y sensores de corriente.

Según Crocus, las principales ventajas que ofrece la tecnología XtremeSense TMR son:

• Alta SNR (resolución de 5 mA en sensores de corriente)
• Bajo consumo de energía (110 nA en conmutadores)
• Estabilidad de temperatura (menos de 40 ppm / ° C)

"La demanda de detección actual sigue aumentando, especialmente para las arquitecturas que necesitan ejecutarse más rápido, ser más precisas y tener menos latencia; ahí es donde realmente vemos la introducción de los dispositivos Crocus", dijo Tim Kaske, vicepresidente de ventas y marketing. en Crocus Technology.

TMR ofrece varias características que permiten su uso como sensor de corriente. Debido al efecto TMR, la resistencia de un sensor TMR cambia según el campo magnético externo. Cuando se combinan con circuitos CMOS de última generación, los sensores basados ​​en TMR se pueden usar como sensores de alta SNR con excelente linealidad y rendimiento térmico. Estas características de los sensores TMR permiten su uso como sensor de corriente con o sin contacto.

Caso de uso del sensor TMR

Una aplicación clave que necesita soluciones de detección de corriente precisas y confiables es la corrección del factor de potencia (PFC), un circuito que se ha vuelto obligatorio en muchas aplicaciones de energía (como las fuentes de alimentación) para aumentar la eficiencia y, por la misma razón, se requiere según las normativas internacionales, como EN61000-3-2 en Europa. Una fuente de alimentación que incluya una etapa PFC puede suministrar corrientes de carga de salida más altas que aquellas sin corrección del factor de potencia. PFC puede reducir significativamente los armónicos de corriente CA, dejando casi solo la frecuencia de corriente "fundamental", que está en fase con la forma de onda de voltaje.

“Realmente vemos cómo una de las aplicaciones de enfoque clave a las que nos estamos moviendo es el PFC de tótem CCM con MOSFET de GaN”, dijo Kaske. “Yo diría que el escenario PFC no ha tenido muchas actualizaciones en los últimos 10 años, pero ahora, con la arquitectura de tótem y los nuevos controladores capaces de soportarlo, se están abriendo nuevas oportunidades, como los vehículos eléctricos a bordo y fuera de ella. -Cargadores de placa, computación y centros de datos ”.

Las soluciones estándar de detección de corriente, como las que se basan en resistencias en derivación, amplificadores y aisladores digitales, muestran varias limitaciones que pueden superarse mediante el uso de sensores TMR, reduciendo la huella en la PCB de 2 × a 5 ×.

"Otros ingenieros, que han estado usando un sensor de Hall para la detección de corriente, ahora están viendo que podemos ofrecer una ventaja significativa para su sistema en precisión, ancho de banda, latencia y eficiencia general", dijo Kaske.

El diagrama de bloques de un PFC activo típico se muestra en la Figura 2. El puente de diodos convierte el voltaje de CA de entrada en un voltaje de CC, mientras que la etapa PFC se inserta entre la línea y el convertidor principal. Actúa como un preconvertidor (normalmente un convertidor elevador), extrayendo una corriente sinusoidal de la red y proporcionando en la salida un voltaje de CC.

Figura 2:Diagrama de una etapa PFC activa típica (Fuente:Crocus Technology)

El PFC de tótem de CCM, que se muestra en la Figura 3, utiliza dos MOSFET de GaN, S1 y S2, configurados como medio puente de alta frecuencia. S3 y S4 son LED de frecuencia de línea con MOSFET síncronos. Los principales beneficios que se derivan de la adopción de esta solución son una alta eficiencia, bajas pérdidas de energía y un número reducido de componentes. Las soluciones de conmutación suave de alta frecuencia requieren un sensor de corriente que pueda detectar transitorios rápidos para evitar posibles fallas en cascada. Este circuito usa solo un sensor de corriente bidireccional (i _L ) para detectar corriente en semiciclo positivo y semiciclo negativo.

Figura 3:CCM Totem-pole PFC (Fuente:Crocus Technology)

Según Crocus, un sensor XtremeSense TMR es la solución ideal para esta aplicación, ya que proporciona:

• SNR alto y señal limpia al controlador
• Baja pérdida de energía a través del conductor portador de corriente
• Ancho de banda de 1 MHz con retardo de fase bajo y tiempo de respuesta de salida rápido (300 ns) para mediciones
• Detección de sobrecorriente programable y pin de falla para proporcionar información actual a la MCU
• Medida de corriente tanto positiva como negativa con detección bidireccional
• Aislamiento de alto voltaje (5 kV) para garantizar la seguridad

“Otro mercado donde vemos grandes oportunidades es la energía solar, un sector donde los transformadores de corriente, que brindan alta seguridad y buen aislamiento, son ampliamente utilizados”, dijo Kaske. "Creemos que es un mercado en el que podemos competir con los sensores de corriente sin contacto, que ofrecen el mismo o mejor aislamiento y mayor precisión".

>> Este artículo se publicó originalmente en nuestro sitio hermano, Power Electronics News.

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