電流傳感器的種類繁多，本章從產品原理出發，通過不同技術路線的參數對比、不同產品的精度計算，在突顯集成化優勢的同時讓讀者對于第四代磁傳感器TMR技術有一定的認識與理解。

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磁阻效應原理

磁阻效應：是指某些金屬或半導體的電阻值隨外加磁場變化而變化的現象。金屬或半導體的載流子在磁場中運動時，由于受到電磁場的變化產生的洛倫茲力作用，產生了磁阻效應。

磁阻效應主要分為：常磁阻，巨磁阻，超巨磁阻，異向磁阻，穿隧磁阻效應等。

隧道磁阻(TMR)效應：鐵磁薄片的磁化方向可以在外磁場的控制下被獨立的切換。如果極化方向平行，那么電子隧穿過絕緣層的可能性會更大，其宏觀表現為電阻小；如果極化方向反平行，那么電子隧穿過絕緣層的可能性較小，其宏觀表現是電阻極大。因此，這種結可以在兩種電阻狀態中切換，即高阻態和低阻態。

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發展背景

早在1975年,Julliere就在Co/Ge/Fe磁性隧道結(MagneticTunnelJunctions，MTJs)（注：MTJs的一般結構為鐵磁層/非磁絕緣層/鐵磁層(FM/I/FM)的三明治結構）中觀察到了TMR效應。但是，這一發現當時并沒有引起人們的重視。在這之后的十幾年內，TMR效應的研究進展十分緩慢。（注：TMR效應產生機理是自旋相關的隧穿效應）

1988年,巴西學者Baibich在法國巴黎大學物理系Fert教授領導的科研組中工作時，首先在Fe/Cr多層膜中發現了巨磁電阻(GMR)效應。TMR效應和GMR效應的發現導致了凝聚態物理學中新的學科分支——磁電子學的產生。20年來，GMR效應的研究發展非常迅速，并且基礎研究和應用研究幾乎齊頭并進，已成為基礎研究快速轉化為商業應用的國際典范。

隨著GMR效應研究的深入，TMR效應開始引起人們的重視。盡管金屬多層膜可以產生很高的GMR值，但強的反鐵磁耦合效應導致飽和場很高，磁場靈敏度很小，從而限制了GMR效應的實際應用。MTJs中兩鐵磁層間不存在或基本不存在層間耦合，只需要一個很小的外磁場即可將其中一個鐵磁層的磁化方向反向，從而實現隧穿電阻的巨大變化，故MTJs較金屬多層膜具有高得多的磁場靈敏度。同時，MTJs這種結構本身電阻率很高、能耗小、性能穩定。因此，MTJs無論是作為讀出磁頭、各類傳感器，還是作為磁隨機存儲器(MRAM)，都具有無與倫比的優點，其應用前景十分看好，引起世界各研究小組的高度重視。

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不同技術路線對比

對于磁傳感器而言，霍爾技術是最成熟也是應用最廣的，因此本次對比以霍爾為參考，從下表可以看出磁阻傳感器具有靈敏度高、響應速度快的優點，而TMR多了功耗低、工作溫度范圍寬、溫度穩定性高的優點。

基于AMR的磁傳感不少大廠都有在做，在車規級的角度傳感器上AMR傳感有著不可忽視的重要作用。掌握GMR傳感的廠商相比于AMR來說少了很多。TMR技術屬于這幾種技術中門檻最高的，其靈敏度、磁阻效應也是最為領先的。Crocus的TMR傳感代表了TMR技術在世界范圍的技術風向。

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電流傳感器等效電路

霍爾電流傳感器分為開環與閉環，從結構上來說，開環霍爾傳感器由磁芯、霍爾芯片、信號處理回路構成。其中霍爾芯片感應磁場變化產生電動勢，該電壓信號通過運放處理轉換為輸出的電壓信號，開環電路等效電路如下。

眾所周知，小型化、輕型化、集成化一直是電力電子發展的主旋律，通過集成化不止可以降低產品成本，還可以提高產品的可靠性與一致性，因此也有了開環專用集成電路ASIC，如下黑色方框為集成芯片。

閉環電路可以提高產品的精度與穩定性，電流傳感器也是一樣道理，如下圖所示，運放回路與開環一樣，其輸出連接圖騰柱進行電流放大，圖騰柱輸出給副邊線圈供電，此線圈繞制于磁芯上，在原邊有電流流過時，副邊線路電流產生的補償磁通與原邊電流Ip產生的磁通大小相等，方向相反，使得磁芯中磁通總量為零。霍爾器件和輔助電路產生的副邊補償電流準確反映了原邊電流的大小，原副邊電流大小為線圈匝比關系，通過輸出端口串聯電阻的方式就可以采樣到所需的電壓信號。

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精度計算比對

電流傳感器最核心的參數即電流檢測精度，電流精度主要考慮線性度、零點以及零點溫漂，閉環產品增加一個增益誤差，因為零點誤差可以通過軟件矯正，這里精度計算去除零點誤差。

開環非ASIC產品精度計算：

開環ASIC產品精度計算：

閉環產品精度計算：

霍爾產品精度計算

以LEM HX系列為例，其中霍爾芯片為非ASIC，線性誤差1%，輸出溫漂系數0.1%/K，額定輸出4V，零點輸出溫漂1.5mV/K。

HXS系列其中霍爾芯片為ASIC，線性誤差0.5%，增益誤差0.5%，增益溫漂系數0.05%/K，額定輸出0.625V，零點輸出溫漂0.15mV/K。

GO系列為貼片式ASIC產品，線性誤差0.3%，增益誤差0.4%，增益溫漂系數0.015%/K，額定輸出0.8V，零點輸出溫漂0.075mV/K。

假設額定電流20A，環境溫度85°C，計算10%額定電流2A時的精度誤差：

經過計算，其中HX20-P誤差為38.5%，而HXS20-NP誤差為22.9%，GO20-SME誤差為9.925%。

可見同樣是模塊式產品，ASIC系列精度要比非ASIC要高，同樣是ASIC產品，貼片式要比模塊式精度高，也就是集成度越高的產品其小電流精度與穩定性越好。另外也可以看到電流傳感器通常定義為額定電流以及常溫狀態下，考慮溫度漂移引起的誤差，以及小電流分母為實際輸出值，高溫小電流的誤差會比額定標稱要高不少，這也是設計人員需要注意的點。

TMR產品精度計算

以Crocus CT415系列為例，其中CT415-xSN850MR為50A產品，該50A為最大值，等效于霍爾20A額定值。CT415-xSN850MR線性誤差為0.1%，另外從前面不同技術的參數對比也可以看出TMR溫度穩定性要好很多，因此如下規格給出全溫度范圍增益誤差為0.5%，全溫度范圍零點誤差0.3%，可見影響其精度的最大因素為線性誤差，在85°C時，同樣是電流2A，其精度誤差主要為線性誤差，計算得出為2.5%。

TMR技術具有功耗低、尺寸小、響應速度快、溫度穩定性好、精度高的優點，是電流傳感領域潛力股，其優異性能將逐步得到關注以及廣泛使用。

如下Crocus產品系列作為參考，除了精度以外，其帶寬達到1MHz，是高頻開關電源的另一大福音。