自集成電路誕生以來(lái)，嵌入式電子開發(fā)社區(qū)目前正在經(jīng)歷我們行業(yè)中最大的變化。從人工智能等新的面向軟件的解決方案到新的硬件拓?fù)?，再到新?a target="_blank">半導(dǎo)體材料，我們正處于需求增長(zhǎng)的顛覆性時(shí)期。

其中大部分進(jìn)步都與用戶功能有關(guān)，例如依賴下一代射頻技術(shù)的基于云的物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 解決方案。其他快速涌現(xiàn)的電流傳感應(yīng)用包括電動(dòng)汽車 (EV) 及其高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 和自動(dòng)駕駛需求，以及基于碳化硅 (SiC) 和/或氮化鎵 (GaN) 半導(dǎo)體的寬帶隙電源開關(guān)。這些領(lǐng)域的一些最重要的進(jìn)步是性能和效率，使下一代電子解決方案能夠應(yīng)對(duì)用戶和市場(chǎng)的挑戰(zhàn)和需求。

個(gè)人電子產(chǎn)品的最新趨勢(shì)給嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了很大壓力。對(duì)于消費(fèi)類和醫(yī)療可穿戴設(shè)備、先進(jìn)的個(gè)人電子產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)，越小、功能越多、使用壽命越長(zhǎng)越好。同樣，工業(yè)和汽車應(yīng)用正在突破界限，以實(shí)現(xiàn)更小、更高效、可靠和穩(wěn)健的解決方案。所有這些方面的顯著改進(jìn)包括減少部件數(shù)量、簡(jiǎn)化電路和提高操作效率。

電流傳感技術(shù)是創(chuàng)建小型精密控制和保護(hù)電子電路的關(guān)鍵，這些電路使未來(lái)的設(shè)備能夠高效、經(jīng)濟(jì)地為應(yīng)用服務(wù)。沒(méi)有反饋就沒(méi)有精度，電流感測(cè)可以提供嵌入式智能系統(tǒng)管理自身所需的關(guān)鍵性能信息。電流感應(yīng)解決方案的尺寸、精度和速度將直接影響所有這些方面（圖 1）。

圖 1：現(xiàn)代電流傳感技術(shù)可用于廣泛的應(yīng)用——從電動(dòng)汽車和 ADAS 系統(tǒng)到家用電器、電信和服務(wù)器群。

AMR 電流感應(yīng)

單芯片解決方案，基于 ACEINNA 各向異性磁阻 (AMR) 技術(shù)，隔離式電流傳感器不需要除去耦電容器之外的其他組件。與其他電流感應(yīng)方法相比，AMR 傳感器提供了一種緊湊且高性能的解決方案。例如，使用分流電阻器的問(wèn)題在于它本質(zhì)上不是隔離的。電流互感器比基于 AMR 的電流傳感器體積更大，并且只能使用交流電。與使用霍爾效應(yīng)傳感器相比，AMR 技術(shù)提供 1.5 MHz 的帶寬，并且具有更低的偏移和噪聲（圖 2）

圖 2：基于 AMR 的電流感測(cè)與其他類型的電流感測(cè)技術(shù)相比的優(yōu)勢(shì)

AMR 技術(shù)提供比分流寄存器或變壓器更好的性能，可以響應(yīng)直流和交流雙向電流，帶寬為 1.5 兆赫茲，偏移和噪聲比基于霍爾效應(yīng)的解決方案更低?；?AMR 的電流傳感器提供更好的精度、更高的帶寬、更低的相移和非?？斓妮敵鲭A躍響應(yīng)，是保護(hù)和控制電源系統(tǒng)的非常關(guān)鍵的測(cè)量的精確而緊湊的解決方案（圖 3）。

圖 3：ACEINNA 電流傳感器使用帶有兩個(gè) AMR 傳感器的 U 形彎曲來(lái)抵消外部場(chǎng)

在傳感器內(nèi)，電流流過(guò)引線框架中的 U 形彎頭，在該處產(chǎn)生由器件中的兩個(gè)電流傳感器測(cè)量的正向或反向場(chǎng)。通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)電流方向的磁場(chǎng)，該設(shè)備抵消了可能存在的外部磁場(chǎng)和磁異常。這允許水平感應(yīng) AMR 芯片忽略由板上其他附近組件產(chǎn)生的外部場(chǎng)。

電動(dòng)汽車

目前，電動(dòng)汽車受到了極大的關(guān)注。大部分重點(diǎn)是提高動(dòng)力總成、電機(jī)和車載/非車載充電系統(tǒng)的效率以及電池組的性能，因?yàn)樗鼈兌寂c車輛的續(xù)航里程和充電效率直接相關(guān)。在這些應(yīng)用領(lǐng)域正確應(yīng)用電流傳感技術(shù)可以帶來(lái)顯著的優(yōu)勢(shì)。

由于電機(jī)是消耗功率的地方，因此任何改進(jìn)都會(huì)在整個(gè)系統(tǒng)中產(chǎn)生級(jí)聯(lián)效應(yīng)，從增加電動(dòng)汽車的續(xù)航里程到減少熱管理需求。在驅(qū)動(dòng)電機(jī)方面，開關(guān)頻率和控制機(jī)制至關(guān)重要。

有效的電機(jī)控制需要準(zhǔn)確的性能測(cè)量，為此，您需要有效的電流傳感器。對(duì)于用于預(yù)測(cè)性維護(hù)的電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，快速電流傳感器有助于測(cè)量和監(jiān)測(cè)電機(jī)紋波電流，以確定壽命和性能參數(shù)。在保護(hù)方面，電流傳感器通過(guò)提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制、精度和可靠性來(lái)幫助支持安全。

許多電動(dòng)汽車電力電子和充電系統(tǒng)正在遷移到先進(jìn)的寬帶隙半導(dǎo)體，如碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)，因?yàn)樗峁┑暮锰幇ǜ叩男屎驮黾娱_關(guān)頻率的能力。更快開關(guān)的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是能夠縮小電路中無(wú)源器件和磁性器件的尺寸，直接帶來(lái)尺寸和重量?jī)?yōu)勢(shì)。

然而，當(dāng)電路切換速度更快時(shí)，測(cè)量性能參數(shù)的能力必須能夠跟上，要求來(lái)自快速準(zhǔn)確的電流傳感器的實(shí)時(shí)信息。實(shí)時(shí)監(jiān)控電路可實(shí)現(xiàn)高級(jí)功能，如電源開關(guān)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)頻率的動(dòng)態(tài)控制，以及可靠和快速的故障檢測(cè)。

在電動(dòng)火車、工業(yè)機(jī)械、牽引和機(jī)器人技術(shù)的相關(guān)領(lǐng)域，我們開始看到磁阻電機(jī)的使用，這是一種通過(guò)磁阻產(chǎn)生扭矩的無(wú)繞組設(shè)計(jì)。磁阻電機(jī)提供同步、可變、開關(guān)和可變步進(jìn)配置，可以以低成本提供高功率密度。

磁阻電機(jī)的問(wèn)題包括低速時(shí)的高轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和由此產(chǎn)生的噪音。此外，由于涉及極高的溫度，磁阻電機(jī)通常配備單獨(dú)的線束和控制系統(tǒng)。使用寬帶隙 SiC 半導(dǎo)體和高帶寬 AMR 傳感器的高級(jí)解決方案可以吸收更多熱量，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的尺寸、重量和復(fù)雜性，提供級(jí)聯(lián)優(yōu)勢(shì)（圖 4）。

圖 4：可變開關(guān)磁阻電機(jī)可以提供高功率密度。

由于轉(zhuǎn)子中沒(méi)有銅線圈，磁阻電機(jī)比同類電動(dòng)機(jī)更輕。但是，所需的控制系統(tǒng)非常復(fù)雜，因?yàn)槿绻粶?zhǔn)確控制與扭矩相關(guān)的電流，則會(huì)出現(xiàn)扭矩紋波并產(chǎn)生噪聲問(wèn)題。先進(jìn)的快速電流檢測(cè)改進(jìn)了紋波電流的控制，從而提供了更低的噪聲和更可靠的解決方案。

再次啟動(dòng)保護(hù)端很重要，因?yàn)樵诟吖β氏到y(tǒng)中，您可能希望在 1.5 微秒內(nèi)關(guān)閉整個(gè)功率級(jí)。如果您查看關(guān)閉時(shí)間預(yù)算，您的階躍響應(yīng)需要小于 500 納秒，隨著我們遷移到更高的功率和頻率水平，這將變得更加嚴(yán)格。

功率因數(shù)校正

功率因數(shù)校正 (PFC)用于降低感性負(fù)載的滯后功率因數(shù)，補(bǔ)償電壓和電流之間的相位差，因?yàn)楫?dāng)功率因數(shù)下降時(shí)，系統(tǒng)效率會(huì)降低。

要以 0.2 的功率因數(shù)獲得 1 kW 的有功功率，需要傳輸 5 kVA 的視在功率（1 kW ÷ 0.2 = 5 kVA）。這顯然會(huì)嚴(yán)重影響電感負(fù)載的性能，例如電機(jī)、冰箱和 HVAC 系統(tǒng)、逆變器、不間斷電源 (UPS) 和類似應(yīng)用空間。

寬帶隙 SiC 和基于 GaN 的電源開關(guān)的快速開啟和關(guān)閉時(shí)間、快速反向恢復(fù)和較低的導(dǎo)通電阻允許有效使用圖騰柱架構(gòu)來(lái)提高 PFC 的效率并減少使用的組件數(shù)量。這些優(yōu)勢(shì)有助于電力系統(tǒng)獲得更高的效率 80 多項(xiàng)金牌和鈦金認(rèn)證。

例如，當(dāng)涉及到圖騰柱 PFC 中的紋波電流時(shí)，要逐周期測(cè)量電流以計(jì)算脈寬調(diào)制 (PWM) 占空比，您需要具有高帶寬才能匹配電路的開關(guān)頻率。假設(shè)您的 PFC 開關(guān)頻率被推到 65、140、200、300 kHz，理想情況下，您需要電流傳感器開關(guān)頻率帶寬的 10 倍。

智能制造

當(dāng)談到智能制造和智能工廠時(shí)，它實(shí)際上是關(guān)于自動(dòng)化和數(shù)據(jù)交換。在用電設(shè)備連接到智能基礎(chǔ)設(shè)施和互聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)中，您還需要電源轉(zhuǎn)換。電源監(jiān)控和管理對(duì)于智能裝配過(guò)程的最佳運(yùn)行至關(guān)重要，所有內(nèi)容都可以實(shí)時(shí)測(cè)量。

自動(dòng)化系統(tǒng)中有多個(gè)位置可以部署 AMR 電流傳感器，以利用其精度、帶寬和階躍響應(yīng)。如果您擁有高精度傳感器，那么您就可以優(yōu)化您的流程并提高效率和生產(chǎn)力。

通過(guò)使用 AMR 電流感應(yīng)來(lái)確定處理器的使用量，可以進(jìn)一步利用這種性能優(yōu)勢(shì)，特別是對(duì)于涉及 AI、云和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的應(yīng)用程序。AMR 電流傳感器還可以使用功率跟蹤來(lái)進(jìn)行性能監(jiān)控、優(yōu)化處理器負(fù)載和熱管理。

期待

無(wú)論是高級(jí)電動(dòng)汽車、整個(gè)智能工廠、UPS、逆變器還是電機(jī)驅(qū)動(dòng)，高效且具有成本效益的電源管理都是實(shí)現(xiàn)最佳性能的關(guān)鍵。在驅(qū)動(dòng)電機(jī)或?yàn)?5G 電信供電的應(yīng)用中，您希望更快、更有效地運(yùn)行。先進(jìn)的電流檢測(cè)可在更高的頻率和溫度下以更高的效率實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的控制。

下一代嵌入式設(shè)備必須能夠以最高效、最具成本效益的方式服務(wù)于最新的應(yīng)用空間。使用基于 AMR 的電流傳感解決方案來(lái)確保電子設(shè)備處于最佳狀態(tài)，這將在整個(gè)系統(tǒng)中帶來(lái)級(jí)聯(lián)收益。

沒(méi)有反饋就沒(méi)有精度。精確的快速電流反饋可在高級(jí)供電電路中實(shí)現(xiàn)最高水平的高效和安全操作。

審核編輯：劉清