芯耀
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電動(dòng)汽車(chē)上需要檢測(cè)電流的地方很多，比如 BMS, MCU, PDU，車(chē)載充電器，DC-DC 等目前行業(yè)內(nèi)對(duì)電流的檢測(cè)和監(jiān)控，除了一些高端車(chē)型會(huì)采用精度更高、響應(yīng)速度更快的 HALL 閉環(huán)電流傳感器，普遍用的都是 HALL 開(kāi)環(huán)方案。
HALL 電流傳感器雖然 HALL 開(kāi)環(huán)電流傳感器的精度、線(xiàn)性度、響應(yīng)速度、溫漂特性等性能方面均不如 HALL 閉環(huán)方案，但是汽車(chē)電氣工程師普遍更在乎其能滿(mǎn)足一般工作要求情況的經(jīng)濟(jì)性（4-10 美金），當(dāng)下國(guó)產(chǎn)的 HALL 開(kāi)環(huán)方案市場(chǎng)價(jià)更是有朝 3 美金方向走的趨勢(shì)。
HALL 開(kāi)環(huán)方案
HALL 閉環(huán)方案
HALL 開(kāi)環(huán)電流傳感器的確有一定的經(jīng)濟(jì)性，但是其較肥大的體積，要占用很大空間也越來(lái)越受到工程師的詬病。尤其是在電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)，動(dòng)力模塊的小型化是各家車(chē)廠(chǎng)都競(jìng)相研究的方向。
本文介紹一種電動(dòng)汽車(chē)芯片級(jí)的檢測(cè)方案 ----TMR（穿隧磁阻效應(yīng)），這種方案可實(shí)現(xiàn)級(jí)小體積的芯片來(lái)精確檢測(cè)銅排或者導(dǎo)線(xiàn)上電流，其精度、線(xiàn)性度、響應(yīng)速度和溫漂特性可以媲美 HALL 閉環(huán)方案，而且該方案的成本甚至比 HALL 開(kāi)環(huán)方案還有優(yōu)勢(shì)。
之前網(wǎng)上資料都反應(yīng)說(shuō) TMR（穿隧磁阻效應(yīng)）技術(shù)很高端很強(qiáng)大，但是成本高，大家用不起。然而隨著技術(shù)的突破， TMR 技術(shù)用在電流傳感器芯片在 2016 年就市場(chǎng)化了，而且價(jià)格相當(dāng)?shù)挠H咱們工程師。
首先簡(jiǎn)單介紹一下 TMR 概念穿隧磁阻效應(yīng)(Tunnel Magnetoresistance,TMR)穿隧磁阻效應(yīng)是指在鐵磁 - 絕緣體薄膜(約 1 納米)- 鐵磁材料中，其穿隧電阻大小隨兩邊鐵磁材料相對(duì)方向變化的效應(yīng)。此效應(yīng)首先于 1975 年由 MichelJulliere 在鐵磁材料(Fe)與絕緣體材料(Ge)發(fā)現(xiàn)；室溫穿隧磁阻效應(yīng)則于 1995 年，由 TerunobuMiyazaki 與 Moodera 分別發(fā)現(xiàn)。此效應(yīng)更是磁性隨機(jī)存取內(nèi)存
(magneticrandomaccessmemory,MRAM)與硬盤(pán)中的磁性讀寫(xiě)頭(readsensors)的科學(xué)基礎(chǔ)。 TMR 技術(shù)最初是用在硬盤(pán)中磁性讀寫(xiě)頭上的，因此其對(duì)磁場(chǎng)檢測(cè)的精度、準(zhǔn)確度以及壽命可靠性在硬盤(pán)中經(jīng)過(guò)了幾十年的市場(chǎng)檢驗(yàn)。在檢測(cè)汽車(chē)動(dòng)力電流時(shí)是通過(guò)檢測(cè)銅排和導(dǎo)線(xiàn)上電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，再通過(guò)芯片一定的運(yùn)算來(lái)得到電流大小的。
上圖比較理論化，就是說(shuō)明 TMR 技術(shù)很牛逼，直接跳過(guò)。下圖是 TMR 芯片方案的應(yīng)用圖上圖可以了解到實(shí)際應(yīng)用中：
1）檢測(cè)母排上電流，TMR 芯片方案是沒(méi)有電流限制的
2）檢測(cè)導(dǎo)電銅柱上的電流，TMR 芯片方案可到 KA 級(jí)別
3）檢測(cè) PCB 板級(jí)的電流時(shí)，TMR 芯片方案量程在 100A 以?xún)?nèi)
4）檢測(cè)銅柱 / 導(dǎo)線(xiàn)上采用 TMR 芯片陣列方案，量程無(wú)限制，只需套在銅柱或者導(dǎo)線(xiàn)上，無(wú)需固定 ---- 這也太方便了吧？
TMR 芯片方案是不需要磁芯輔助聚磁的，這個(gè)是與 HALL 電流傳感器的本質(zhì)區(qū)別。省去了磁芯的成本，封裝磁芯的成本，其價(jià)格自然就比 HALL 電流傳感器有優(yōu)勢(shì)。工程師只需要在廠(chǎng)家指導(dǎo)下設(shè)計(jì)放大電路就可以，非常簡(jiǎn)單。因?yàn)椴挥么判玖?，其體積比 HALL 電流傳感器方案要大大減小，為工程師省下大量空間，這才是 TMR 最大的優(yōu)勢(shì)。
另外 TMR 芯片電流檢測(cè)方案還有一個(gè)非常大優(yōu)勢(shì)就是帶寬高，響應(yīng)時(shí)間快。這個(gè)有什么用呢？
電動(dòng)汽車(chē)電氣工程師都知道電驅(qū)動(dòng)功率模塊（IGBT/MOSFET）的趨勢(shì)很快會(huì)從硅基芯片朝 SiC （碳化硅）或者 GaN(氮化鎵)轉(zhuǎn)化。為什么呢？因?yàn)?SiC/GaN 功率模塊更適合高壓大電流、功率損耗極低（發(fā)熱量小、對(duì)冷卻要去低）、外圍電路更簡(jiǎn)單，功率總成的體積比 IGBT/MOSFET 要小 30%以上，吸引力巨大呀。但是 SiC/GaN 功率模塊工作帶寬比傳統(tǒng) IGBT 要高 10 倍以上，可達(dá) 1MHZ。相應(yīng)的對(duì)電流傳感器的響應(yīng)速度要求就非常高，要達(dá)到 0.01 微秒級(jí)別。這個(gè)時(shí)候 HALL 電流傳感器是達(dá)不到的了，只能采用 TMR 電流檢測(cè)方案才能跟上。作為優(yōu)秀的汽車(chē)電氣工程師做相應(yīng)的技術(shù)儲(chǔ)備，多了解 TMR 電流檢測(cè)方案，才能輕松應(yīng)對(duì)技術(shù)升級(jí)。
那么 TMR 芯片電流傳感器是如何保證全溫區(qū)電流檢測(cè)精度的呢？
1 TMR 電流傳感器沒(méi)有磁芯，磁芯所帶來(lái)的磁滯效應(yīng)、溫漂等影響就避免了
2 TMR 電流傳感器的獨(dú)特布局可以抵抗外部電磁干擾，這里主要指檢測(cè)的磁場(chǎng)與檢測(cè)芯片平行的布局 ---- 有點(diǎn)太理論了，哈哈。
3 TMR 電流傳感器采用梯度差分結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)，進(jìn)一步提高精度
目前國(guó)外各大電流傳感器廠(chǎng)家都在競(jìng)相研發(fā)基于 TMR 技術(shù)的芯片，但是這方面最成熟，而且能市場(chǎng)化量產(chǎn)的無(wú)疑就是 XXXX 公司，我們眾所周知的 LEM, MELEXIS,ALLEGRO, INFINEON, HONEYWELL 的 TMR 芯片技術(shù)都是他們家支持的呢，畢竟要市場(chǎng)化量產(chǎn) TMR 芯片是有門(mén)檻的。我們知道硬盤(pán)界兩大巨頭希捷和西部數(shù)據(jù)是掌握了 TMR 技術(shù)的，但是人家硬盤(pán)界的巨頭看不上電流傳感器的市場(chǎng)，也就沒(méi)往這方面發(fā)展。
國(guó)內(nèi)已經(jīng)有比亞迪和陽(yáng)光電源采用了 TMR 芯片電流檢測(cè)方案，畢竟新技術(shù)只有行業(yè)龍頭才有實(shí)力驗(yàn)證其可靠性，然而這種新技術(shù)也給這些龍頭在提高性能的同時(shí)節(jié)約了大量成本，嘗到了甜頭。可以預(yù)計(jì)未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)電流檢測(cè)技術(shù)一定是 TMR 的天下了。本人因?yàn)楣ぷ髟?，?duì) TMR 電流傳感器技術(shù)了解一點(diǎn)，寫(xiě)出一點(diǎn)心得供大家交流。如果錯(cuò)漏之處還請(qǐng)各位大蝦指正。
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