Giant magneto-resistive sensing macht bessere Strom- und Magnetfeldsensoren

Das erste Produkt ist ein 5A 1MHz isolierter Stromsensor.

Basierend auf GMR - dem gigantischen magnetoresistiven Effekt - wurde die Technologie als "xMR" bezeichnet und kombiniert monolithisch magnetoresistive Sensorelemente und BiCMOS-Schaltungen.

"Die Einführung ist der Höhepunkt von mehr als fünf Jahren Forschung und Entwicklung, eine beträchtliche Investition, die Allegros Auftrag unterstützt, ein Portfolio von Magnetsensor-ICs in den Automobil- und Industriemärkten zu schaffen", sagte das Unternehmen. "Die meisten anderen Lösungen sind nicht monolithisch. Die Verpflichtung, diese Plattform zu entwickeln, wurde durch umfangreiche Investitionen in Präzisions-Dünnschicht-Abscheidungswerkzeuge und -ausrüstungen in eine hochmoderne BCD-Waferfertigungsanlage erweitert, in der die Massenproduktion im Gange ist. "

Für den Einsatz in Kraftfahrzeugen kann die Technologie auch bei großen Magnetfeldern thermisch bis über 150 ° C stabil sein.

"Halleffekt-Technologie erfüllt die Anforderungen vieler Anwendungen in den Zielmärkten von Allegro, aber es gibt bestimmte Anwendungen, insbesondere in den Bereichen ADAS und hocheffiziente Fahrzeuge, wo die xMR-Technologie elegantere Lösungen im Vergleich zur Hall-Technologie bietet", sagte vp business development Michael Doogue. "In diesen Anwendungen liefern xMR-ICs genauere Messdaten, ermöglichen eine günstigere mechanische Platzierung eines Sensor-ICs in einem mechanischen System oder erstellen Lösungen mit kleinerem Formfaktor."

Dem Unternehmen zufolge liefert es bereits einen xMR-Ringmagnet-Drehzahlsensor-IC zusammen mit Signalverarbeitungsalgorithmen an einen Tier-1-Automobilzulieferer für Raddrehzahlsensoren. "Die GMR-Technologie ermöglicht Messungen mit niedriger Jitter-Drehzahl, die mit Hall-Effekt-ICs nicht möglich sind", heißt es. Der Ringgeschwindigkeitssensor wird in diesem White Paper diskutiert, die auch eine weitere GMR-Hintergrundlesung beinhaltet.

Darüber hinaus werden monolithische, rückwärts vorgespannte GMR-Sensoren für Motormanagement- und Getriebe-Drehzahl-Messanwendungen entwickelt, "bei denen die gleichen geringen Jitter-Messungen und die große Luftspaltleistung für den fortschrittlichen Betrieb des Antriebsstrangsystems unerlässlich sind".

Der erste breit verfügbare xMR-Chip ist jedoch der ACS70331 5A 1MHz-Stromsensor, der Ströme unter 1 mA auflösen kann - und der erste in einer Reihe von GMR-Stromsensoren.

Der integrierte isolierte Stromableiter hat dabei einen Serienwiderstand von nur 1 mΩ und die QFN-Gehäuseversion sitzt auf einem 3 x 3 mm großen Footprint - es gibt auch eine SOIC8-Version.

Die GMR-Elemente innerhalb des ACS70331 arbeiten anders als die Hall-Effekt-Sensoren.

"Der Hauptvorteil von GMR ist, dass es viel empfindlicher ist als der Hall-Effekt, wodurch es ideal für die Messung kleiner Ströme ist. Dies ermöglicht dem ACS70331 ein über 25-fach geringeres Eingangsrauschen als Allegros Hall-Effekt-Stromsensoren mit dem geringsten Rauschen ", so das Unternehmen.

Es ist dieser Geräuschpegel, der das Unternehmen zu einer 25-fachen Empfindlichkeit im Vergleich zu Hall-Geräten führt.

Rauschen im Gerät ist 6mArms bei 1MHz - die maximale Bandbreite. Sensing Reaktionszeit ist <550ns.

Ein subtiler Unterschied bei der GMR-Erfassung besteht darin, dass neue mechanische Anordnungen erforderlich sind, da das angelegte Feld parallel zur Oberfläche des Sensors statt senkrecht zur Sensorebene verlaufen muss, wie es bei planaren Hall-Sensoren erforderlich ist.

GMR-Elemente sind im Wesentlichen Widerstände, die den Widerstand mit angelegtem Feld ändern. Eine typische repräsentative Antwortkurve für eines der vier GMR-Elemente im ACS70331 ist in der Grafik gezeigt.

Die Gleichung jedes Magnetwiderstandes ist: R (B) = 1000 (1 - 0,04 sin (tan-1 (B / 100))).

Die grundlegenden 1000Ω erhöhen und verringern sich mit dem Feld und die Sättigung begrenzt die Brauchbarkeit bei hohen Feldern - die linearen Grenzen der ACS70331 Sensorelemente liegen bei ± 50G. Die Überlastfähigkeit ist durch die Stromschleife begrenzt, die bis zu +/- 10A aushalten kann.

Um die magnetische Ebene in der gleichen Ebene wie die Widerstände zu halten, befindet sich der Chip oberhalb des primären Strompfads (siehe Gehäuseschema), elektrisch isoliert für Felder bis zu 100 V.

Um eine differentielle Messung des erfassten Stroms zu ermöglichen, während externe (streuende) Felder zurückgewiesen werden, erfassen die GMR-Elemente 1 und 2 (siehe Schaltungsdigital) das Feld in der + X-Richtung für den positiven Stromfluss und die GMR-Elemente 3 und 4 das Feld in der - X-Richtung für positiven Stromfluss.

Die vier GMR-Elemente sind in einer Wheatstone-Brückenkonfiguration angeordnet, so dass die Ausgabe der Brücke proportional zu dem von den vier Elementen erfassten Differenzfeld ist und gemeinsame Felder zurückweist.

"Theoretisch wird die Brückenkonfiguration alle externen Gleichtaktfelder, die den Sensor stören könnten, vollständig löschen; Die Performance ist jedoch durch Nicht-Ideale wie Fehlabstimmung begrenzt ", sagt Allegro.

In der Praxis ist das Gerät am empfindlichsten für externe Felder entlang der X-Achse, wo 20G einen Empfindlichkeitsfehler von +/- 4,2% und einen Offset von +/- 76 mA verursacht, aber völlig unempfindlich gegenüber Feldern entlang der Z-Achse und irgendwo dazwischen für andere Ausrichtungen.

Die Stromversorgung für den Chip erfolgt über eine einzige 3,3-4,5 V-Schiene, die aufgrund der hohen Stromversorgungsunterdrückung nicht reguliert werden muss. Dieser Teil arbeitet über -40 bis 85 ° C.

Es gibt vier aktuelle Bereichsoptionen: 0-2,5 A (800 mV / A), +/- 2,5 A (400 mV / A), 0-5 A (400 mV / A) und +/- 5A (200 mV / A), in beiden SOIC und QFN-Pakete.