电流传感应对先进嵌入式系统的挑战

自集成电路诞生以来，嵌入式电子开发社区目前正在经历我们行业中最大的变化。从人工智能等新的面向软件的解决方案到新的硬件拓扑，再到新的半导体材料，我们正处于需求增长的颠覆性时期。

其中大部分进步都与用户功能有关，例如依赖下一代射频技术的基于云的物联网 (IoT) 解决方案。其他快速涌现的电流传感应用包括电动汽车 (EV) 及其高级驾驶辅助系统 (ADAS) 和自动驾驶需求，以及基于碳化硅 (SiC) 和/或氮化镓 (GaN) 半导体的宽带隙电源开关。这些领域的一些最重要的进步是性能和效率，使下一代电子解决方案能够应对用户和市场的挑战和需求。

个人电子产品的最新趋势给嵌入式系统设计人员带来了很大压力。对于消费类和医疗可穿戴设备、先进的个人电子产品和物联网，越小、功能越多、使用寿命越长越好。同样，工业和汽车应用正在突破界限，以实现更小、更高效、可靠和稳健的解决方案。所有这些方面的显着改进包括减少部件数量、简化电路和提高操作效率。

电流传感技术是创建小型精密控制和保护电子电路的关键，这些电路使未来的设备能够高效、经济地为应用服务。没有反馈就没有精度，电流感测可以提供嵌入式智能系统管理自身所需的关键性能信息。电流感应解决方案的尺寸、精度和速度将直接影响所有这些方面（图 1）。

图 1：现代电流传感技术可用于广泛的应用——从电动汽车和 ADAS 系统到家用电器、电信和服务器群。

AMR 电流感应

单芯片解决方案，基于 ACEINNA 各向异性磁阻 (AMR) 技术，隔离式电流传感器不需要除去耦电容器之外的其他组件。与其他电流感应方法相比，AMR 传感器提供了一种紧凑且高性能的解决方案。例如，使用分流电阻器的问题在于它本质上不是隔离的。电流互感器比基于 AMR 的电流传感器体积更大，并且只能使用交流电。与使用霍尔效应传感器相比，AMR 技术提供 1.5 MHz 的带宽，并且具有更低的偏移和噪声（图 2）

图 2：基于 AMR 的电流感测与其他类型的电流感测技术相比的优势

AMR 技术提供比分流寄存器或变压器更好的性能，可以响应直流和交流双向电流，带宽为 1.5 兆赫兹，偏移和噪声比基于霍尔效应的解决方案更低。基于 AMR 的电流传感器提供更好的精度、更高的带宽、更低的相移和非常快的输出阶跃响应，是保护和控制电源系统的非常关键的测量的精确而紧凑的解决方案（图 3）。

图 3：ACEINNA 电流传感器使用带有两个 AMR 传感器的 U 形弯曲来抵消外部场

在传感器内，电流流过引线框架中的 U 形弯头，在该处产生由器件中的两个电流传感器测量的正向或反向场。通过测量两个电流方向的磁场，该设备抵消了可能存在的外部磁场和磁异常。这允许水平感应 AMR 芯片忽略由板上其他附近组件产生的外部场。

电动汽车

目前，电动汽车受到了极大的关注。大部分重点是提高动力总成、电机和车载/非车载充电系统的效率以及电池组的性能，因为它们都与车辆的续航里程和充电效率直接相关。在这些应用领域正确应用电流传感技术可以带来显着的优势。

由于电机是消耗功率的地方，因此任何改进都会在整个系统中产生级联效应，从增加电动汽车的续航里程到减少热管理需求。在驱动电机方面，开关频率和控制机制至关重要。

有效的电机控制需要准确的性能测量，为此，您需要有效的电流传感器。对于用于预测性维护的电机状态监测，快速电流传感器有助于测量和监测电机纹波电流，以确定寿命和性能参数。在保护方面，电流传感器通过提高电机驱动器的控制、精度和可靠性来帮助支持安全。

许多电动汽车电力电子和充电系统正在迁移到先进的宽带隙半导体，如碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN)，因为所提供的好处包括更高的效率和增加开关频率的能力。更快开关的一个显着优势是能够缩小电路中无源器件和磁性器件的尺寸，直接带来尺寸和重量优势。

然而，当电路切换速度更快时，测量性能参数的能力必须能够跟上，要求来自快速准确的电流传感器的实时信息。实时监控电路可实现高级功能，如电源开关和电机驱动频率的动态控制，以及可靠和快速的故障检测。

在电动火车、工业机械、牵引和机器人技术的相关领域，我们开始看到磁阻电机的使用，这是一种通过磁阻产生扭矩的无绕组设计。磁阻电机提供同步、可变、开关和可变步进配置，可以以低成本提供高功率密度。

磁阻电机的问题包括低速时的高转矩脉动和由此产生的噪音。此外，由于涉及极高的温度，磁阻电机通常配备单独的线束和控制系统。使用宽带隙 SiC 半导体和高带宽 AMR 传感器的高级解决方案可以吸收更多热量，从而降低整个系统的尺寸、重量和复杂性，提供级联优势（图 4）。

图 4：可变开关磁阻电机可以提供高功率密度。

由于转子中没有铜线圈，磁阻电机比同类电动机更轻。但是，所需的控制系统非常复杂，因为如果您不准确控制与扭矩相关的电流，则会出现扭矩纹波并产生噪声问题。先进的快速电流检测改进了纹波电流的控制，从而提供了更低的噪声和更可靠的解决方案。

再次启动保护端很重要，因为在高功率系统中，您可能希望在 1.5 微秒内关闭整个功率级。如果您查看关闭时间预算，您的阶跃响应需要小于 500 纳秒，随着我们迁移到更高的功率和频率水平，这将变得更加严格。

功率因数校正

功率因数校正 (PFC)用于降低感性负载的滞后功率因数，补偿电压和电流之间的相位差，因为当功率因数下降时，系统效率会降低。

要以 0.2 的功率因数获得 1 kW 的有功功率，需要传输 5 kVA 的视在功率（1 kW ÷ 0.2 = 5 kVA）。这显然会严重影响电感负载的性能，例如电机、冰箱和 HVAC 系统、逆变器、不间断电源 (UPS) 和类似应用空间。

宽带隙 SiC 和基于 GaN 的电源开关的快速开启和关闭时间、快速反向恢复和较低的导通电阻允许有效使用图腾柱架构来提高 PFC 的效率并减少使用的组件数量。这些优势有助于电力系统获得更高的效率 80 多项金牌和钛金认证。

例如，当涉及到图腾柱 PFC 中的纹波电流时，要逐周期测量电流以计算脉宽调制 (PWM) 占空比，您需要具有高带宽才能匹配电路的开关频率。假设您的 PFC 开关频率被推到 65、140、200、300 kHz，理想情况下，您需要电流传感器开关频率带宽的 10 倍。

智能制造

当谈到智能制造和智能工厂时，它实际上是关于自动化和数据交换。在用电设备连接到智能基础设施和互联网的系统中，您还需要电源转换。电源监控和管理对于智能装配过程的最佳运行至关重要，所有内容都可以实时测量。

自动化系统中有多个位置可以部署 AMR 电流传感器，以利用其精度、带宽和阶跃响应。如果您拥有高精度传感器，那么您就可以优化您的流程并提高效率和生产力。

通过使用 AMR 电流感应来确定处理器的使用量，可以进一步利用这种性能优势，特别是对于涉及 AI、云和数据存储的应用程序。AMR 电流传感器还可以使用功率跟踪来进行性能监控、优化处理器负载和热管理。

期待

无论是高级电动汽车、整个智能工厂、UPS、逆变器还是电机驱动，高效且具有成本效益的电源管理都是实现最佳性能的关键。在驱动电机或为 5G 电信供电的应用中，您希望更快、更有效地运行。先进的电流检测可在更高的频率和温度下以更高的效率实现更高级别的控制。

下一代嵌入式设备必须能够以最高效、最具成本效益的方式服务于最新的应用空间。使用基于 AMR 的电流传感解决方案来确保电子设备处于最佳状态，这将在整个系统中带来级联收益。

没有反馈就没有精度。精确的快速电流反馈可在高级供电电路中实现最高水平的高效和安全操作。

审核编辑：刘清