先進的系統需要準確、高效率且可靠的感測器,以取得適當的回饋資訊來調節系統運作。不久前《Power Electronics News》(編按:EE Times出版集團ASPENCORE旗下刊物)與美商ACEINNA副總裁John Newton、技術長Mike Horton一起討論了電流感測問題。ACEINNA是一家MEMS感測技術開發商,特別關注終端產品和設備的可靠性、成本、功能和性能等議題。

Newton表示,電流感測是一種應用廣泛的技術,幾乎在所有類型的電子產品中都可以找到;目前主流的電流感測方法主要有三種,其中最常見的是使用具備運算放大器的分流電阻(shunt resistor)進行訊號調節;利用分流電阻,只需測量電阻上的壓降就可以得到電流值。

第二種方式是使用電流變壓器,實際上很像是變流器(current transformer),基本上是兩條導線繞組(windings of wire),一次繞組的電流磁耦合到二次繞組;Newton指出:「這樣做的好處是,它本身是隔離的,這意味著正在測量的電流與輸出訊號之間沒有任何電氣連結,但目前的變流器往往體積比較龐大。另一個缺點是它不會一直回應DC,因此只能用它來測量AC電流。」

第三種常用方式是使用磁感測器,通常是霍爾(Hall)元件,用於測量電流產生的磁場。這種方法的好處在於它本身是隔離的,尺寸可以很小,而且可以一直回應DC;其缺點是不夠準確,頻寬也有限,通常在100KHz或更小的範圍內。

Newton指出,使用感測電阻有幾個缺點:「第一,為了測量電流就必須降低電壓。因此,測量大電流時功耗就比較大。如果想測量具有一定動態範圍的電流,那就更成問題了。因為現在必須調整電阻的大小,以便在小電流水準下有足夠的電壓降,使之仍能達到想要的精度。這意味著當處於電流範圍的較高端時,I2R損耗甚至更大;」另一個問題是需要很多外部元件,特別是如果想做隔離電流感測的話,因為現在必須有一整套額外的電路來創建隔離層。

針對以上感測電阻的兩個缺點,ACEINNA的方法是使用新技術來感測電流;它也是磁性的,但採用異相磁阻(anisotropic magnetoresistance)原理,簡稱AMR,而非霍爾元件。Newton表示,這種AMR技術的優勢在於它更靈敏、雜訊更低,而且頻寬更高,因此它是一種可以解決電流感測問題的高性能磁性感測器技術。

AMR還有另一個優點。以霍爾效應為基礎的電流感測元件對z方向的磁場敏感,如果將這種元件安裝在電路板上,它會與電路板本身垂直;因此,如果系統中有另一個電流流經這種霍爾元件,它會感應到該電流,因為磁場會與感測器所在的電路板垂直。AMR元件在x軸上是敏感的,與PCB表面平行,因此系統中橫向定位的任何雜散電流都會產生一個不在敏感軸上的磁場,所以對外部干擾的抵抗能力比霍爾元件更強。

Newton指出,AMR感測器的結構是一個電阻電橋(resistive bridge),所以真正發生的是電橋電阻隨著所施加的磁場而變化;電橋結構本質上是非常對稱的,與霍爾元件的拓撲結構完全不同。Horton補充指出,AMR元件並不只是拓撲結構的改變,而是精度、速度和成本的改變;因為元件材料,感測器精確度更高,霍爾元件則非常不敏感。

Horton進一步指出,如Newton所言,首先霍爾元件的敏感軸不對,所以必須用一些方法來解決;但更重要的是,霍爾只是一種低靈敏度非常低的磁感測技術:「霍爾元件能以二進位方式測量真正的大電流,例如在編碼器中,或者對電流進行粗略的量測,但不是高解析度、如16位元超高解析度感測器,它的雜訊比較大。因此從純粹的精度和頻寬的角度來看,可以說AMR材料更好,具備更好的物理特性。」

根據Horton的說法,除了採用AMR技術,還需要有先進的材料以及獨特的電路設計,才能夠發揮其優勢;AMR的基本物理特性使之具有高頻寬,以及比霍爾元件更好的靈敏度。因此在高性能羅盤中看不到霍爾感測器,因為它的靈敏度不夠高,無法測量微弱的微高斯水準地球磁場;AMR感測器能夠以高解析度和高頻寬來感測這類非常小的電流,以及很大的電流,而這是霍爾感測器做不到的。

ACEINNA的電流感測器鎖定要求高頻寬、高速度、良好隔離、良好的動態範圍和準確性;因此Newton指出,伺服器或電信設備電源模組中的高性能電源是一個很好的應用場合。此外,高電壓、高頻寬和大動態範圍的應用亦是目標市場,如逆變器、不斷電系統(UPS)、馬達驅動器,以及高性能電動馬達等,對性能以及電流感測有更嚴格要求的應用。

本文同步刊登於電子工程專輯雜誌2019年3月刊

(參考原文:Talking current sensing with John Newton and Mike Horton of ACEINNA,by Alix Paultre;Power Electronics News為EE Times姊妹刊,ASPENCORE旗下網站)