晶元級電流感測器方案在新能源汽車上的應用

來自專欄汽車電子設計

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電動汽車上需要檢測電流的地方很多，比如BMS, MCU, PDU，車載充電器，DC-DC等

目前行業內對電流的檢測和監控，除了一些高端車型會採用精度更高、響應速度更快的HALL閉環電流感測器，普遍用的都是HALL開環方案。

HALL電流感測器

雖然HALL開環電流感測器的精度、線性度、響應速度、溫漂特性等性能方面均不如HALL閉環方案，但是汽車電氣工程師普遍更在乎其能滿足一般工作要求情況的經濟性（4-10美金），當下國產的HALL開環方案市場價更是有朝3美金方向走的趨勢。

HALL開環電流感測器的確有一定的經濟性，但是其較肥大的體積，要佔用很大空間也越來越受到工程師的詬病。尤其是在電動汽車行業，動力模塊的小型化是各家車廠都競相研究的方向。

本文介紹一種電動汽車晶元級的檢測方案----TMR（穿隧磁阻效應），這種方案可實現級小體積的晶元來精確檢測銅排或者導線上電流，其精度、線性度、響應速度和溫漂特性可以媲美HALL閉環方案，而且該方案的成本甚至比HALL開環方案還有優勢。之前網上資料都反應說TMR（穿隧磁阻效應）技術很高端很強大，但是成本高，大家用不起。然而隨著技術的突破， TMR技術用在電流感測器晶元在2016年就市場化了，而且價格相當的親咱們工程師。

首先簡單介紹一下TMR概念

穿隧磁阻效應(Tunnel Magnetoresistance,TMR)

穿隧磁阻效應是指在鐵磁-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方向變化的效應。此效應首先於1975年由MichelJulliere在鐵磁材料(Fe)與絕緣體材料(Ge)發現；室溫穿隧磁阻效應則於1995年，由TerunobuMiyazaki與Moodera分別發現。此效應更是磁性隨機存取內存(magneticrandomaccessmemory,MRAM)與硬碟中的磁性讀寫頭(readsensors)的科學基礎。

TMR技術最初是用在硬碟中磁性讀寫頭上的，因此其對磁場檢測的精度、準確度以及壽命可靠性在硬碟中經過了幾十年的市場檢驗。在檢測汽車動力電流時是通過檢測銅排和導線上電流所產生的磁場，再通過晶元一定的運算來得到電流大小的。

上圖比較理論化，就是說明TMR技術很牛逼，直接跳過。下圖是TMR晶元方案的應用圖

上圖可以了解到實際應用中：

• 檢測母排上電流，TMR晶元方案是沒有電流限制的
• 檢測導電銅柱上的電流，TMR晶元方案可到KA級別
• 檢測PCB板級的電流時，TMR晶元方案量程在100A以內
• 檢測銅柱/導線上採用TMR晶元陣列方案，量程無限制，只需套在銅柱或者導線上，無需固定----這也太方便了吧？

TMR晶元方案是不需要磁芯輔助聚磁的，這個是與HALL電流感測器的本質區別。省去了磁芯的成本，封裝磁芯的成本，其價格自然就比HALL電流感測器有優勢。工程師只需要在廠家指導下設計放大電路就可以，非常簡單。因為不用磁芯了，其體積比HALL電流感測器方案要大大減小，為工程師省下大量空間，這才是TMR最大的優勢。

另外TMR晶元電流檢測方案還有一個非常大優勢就是帶寬高，響應時間快。這個有什麼用呢？

電動汽車電氣工程師都知道電驅動功率模塊（IGBT/MOSFET）的趨勢很快會從硅基晶元朝SiC （碳化硅）或者GaN(氮化鎵)轉化。為什麼呢？因為SiC/GaN 功率模塊更適合高壓大電流、功率損耗極低（發熱量小、對冷卻要去低）、外圍電路更簡單，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IGBT要高10倍以上，可達1MHZ。相應的對電流感測器的響應速度要求就非常高，要達到0.01微秒級別。這個時候HALL電流感測器是達不到的了，只能採用TMR電流檢測方案才能跟上。作為優秀的汽車電氣工程師做相應的技術儲備，多了解TMR電流檢測方案，才能輕鬆應對技術升級。

那麼TMR晶元電流感測器是如何保證全溫區電流檢測精度的呢？

1 TMR 電流感測器沒有磁芯，磁芯所帶來的磁滯效應、溫漂等影響就避免了

2 TMR 電流感測器的獨特布局可以抵抗外部電磁干擾，這裡主要指檢測的磁場與檢測晶元平行的布局----有點太理論了，哈哈。

3 TMR 電流感測器採用梯度差分結構監測磁場，進一步提高精度

目前國外各大電流感測器廠家都在競相研發基於TMR技術的晶元，但是這方面最成熟，而且能市場化量產的無疑就是XXXX公司，我們眾所周知的LEM, MELEXIS,ALLEGRO, INFINEON, HONEYWELL的TMR晶元技術都是他們家支持的呢，畢竟要市場化量產TMR晶元是有門檻的。我們知道硬碟界兩大巨頭希捷和西部數據是掌握了TMR技術的，但是人家硬碟界的巨頭看不上電流感測器的市場，也就沒往這方面發展。

國內已經有比亞迪和陽光電源採用了TMR晶元電流檢測方案，畢竟新技術只有行業龍頭才有實力驗證其可靠性，然而這種新技術也給這些龍頭在提高性能的同時節約了大量成本，嘗到了甜頭。可以預計未來電動汽車電流檢測技術一定是TMR的天下了。

本人因為工作原因，對TMR電流感測器技術了解一點，寫出一點心得供大家交流。如果錯漏之處還請各位大蝦指正。