电流传感器的种类繁多，本章从产品原理出发，通过不同技术路线的参数对比、不同产品的精度计算，在突显集成化优势的同时让读者对于第四代磁传感器TMR技术有一定的认识与理解。

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磁阻效应原理

磁阻效应：是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。金属或半导体的载流子在磁场中运动时，由于受到电磁场的变化产生的洛伦兹力作用，产生了磁阻效应。

磁阻效应主要分为：常磁阻，巨磁阻，超巨磁阻，异向磁阻，穿隧磁阻效应等。

隧道磁阻(TMR)效应：铁磁薄片的磁化方向可以在外磁场的控制下被独立的切换。如果极化方向平行，那么电子隧穿过绝缘层的可能性会更大，其宏观表现为电阻小；如果极化方向反平行，那么电子隧穿过绝缘层的可能性较小，其宏观表现是电阻极大。因此，这种结可以在两种电阻状态中切换，即高阻态和低阻态。

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发展背景

早在1975年,Julliere就在Co/Ge/Fe磁性隧道结(MagneticTunnelJunctions，MTJs)（注：MTJs的一般结构为铁磁层/非磁绝缘层/铁磁层(FM/I/FM)的三明治结构）中观察到了TMR效应。但是，这一发现当时并没有引起人们的重视。在这之后的十几年内，TMR效应的研究进展十分缓慢。（注：TMR效应产生机理是自旋相关的隧穿效应）

1988年,巴西学者Baibich在法国巴黎大学物理系Fert教授领导的科研组中工作时，首先在Fe/Cr多层膜中发现了巨磁电阻(GMR)效应。TMR效应和GMR效应的发现导致了凝聚态物理学中新的学科分支——磁电子学的产生。20年来，GMR效应的研究发展非常迅速，并且基础研究和应用研究几乎齐头并进，已成为基础研究快速转化为商业应用的国际典范。

随着GMR效应研究的深入，TMR效应开始引起人们的重视。尽管金属多层膜可以产生很高的GMR值，但强的反铁磁耦合效应导致饱和场很高，磁场灵敏度很小，从而限制了GMR效应的实际应用。MTJs中两铁磁层间不存在或基本不存在层间耦合，只需要一个很小的外磁场即可将其中一个铁磁层的磁化方向反向，从而实现隧穿电阻的巨大变化，故MTJs较金属多层膜具有高得多的磁场灵敏度。同时，MTJs这种结构本身电阻率很高、能耗小、性能稳定。因此，MTJs无论是作为读出磁头、各类传感器，还是作为磁随机存储器(MRAM)，都具有无与伦比的优点，其应用前景十分看好，引起世界各研究小组的高度重视。

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不同技术路线对比

对于磁传感器而言，霍尔技术是最成熟也是应用最广的，因此本次对比以霍尔为参考，从下表可以看出磁阻传感器具有灵敏度高、响应速度快的优点，而TMR多了功耗低、工作温度范围宽、温度稳定性高的优点。

基于AMR的磁传感不少大厂都有在做，在车规级的角度传感器上AMR传感有着不可忽视的重要作用。掌握GMR传感的厂商相比于AMR来说少了很多。TMR技术属于这几种技术中门槛最高的，其灵敏度、磁阻效应也是最为领先的。Crocus的TMR传感代表了TMR技术在世界范围的技术风向。

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电流传感器等效威廉希尔官方网站

霍尔电流传感器分为开环与闭环，从结构上来说，开环霍尔传感器由磁芯、霍尔芯片、信号处理回路构成。其中霍尔芯片感应磁场变化产生电动势，该电压信号通过运放处理转换为输出的电压信号，开环威廉希尔官方网站 等效威廉希尔官方网站 如下。

众所周知，小型化、轻型化、集成化一直是电力电子发展的主旋律，通过集成化不止可以降低产品成本，还可以提高产品的可靠性与一致性，因此也有了开环专用集成威廉希尔官方网站 ASIC，如下黑色方框为集成芯片。

闭环威廉希尔官方网站 可以提高产品的精度与稳定性，电流传感器也是一样道理，如下图所示，运放回路与开环一样，其输出连接图腾柱进行电流放大，图腾柱输出给副边线圈供电，此线圈绕制于磁芯上，在原边有电流流过时，副边线路电流产生的补偿磁通与原边电流Ip产生的磁通大小相等，方向相反，使得磁芯中磁通总量为零。霍尔器件和辅助威廉希尔官方网站 产生的副边补偿电流准确反映了原边电流的大小，原副边电流大小为线圈匝比关系，通过输出端口串联电阻的方式就可以采样到所需的电压信号。

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精度计算比对

电流传感器最核心的参数即电流检测精度，电流精度主要考虑线性度、零点以及零点温漂，闭环产品增加一个增益误差，因为零点误差可以通过软件矫正，这里精度计算去除零点误差。

开环非ASIC产品精度计算：

开环ASIC产品精度计算：

闭环产品精度计算：

霍尔产品精度计算

以LEM HX系列为例，其中霍尔芯片为非ASIC，线性误差1%，输出温漂系数0.1%/K，额定输出4V，零点输出温漂1.5mV/K。

HXS系列其中霍尔芯片为ASIC，线性误差0.5%，增益误差0.5%，增益温漂系数0.05%/K，额定输出0.625V，零点输出温漂0.15mV/K。

GO系列为贴片式ASIC产品，线性误差0.3%，增益误差0.4%，增益温漂系数0.015%/K，额定输出0.8V，零点输出温漂0.075mV/K。

假设额定电流20A，环境温度85°C，计算10%额定电流2A时的精度误差：

经过计算，其中HX20-P误差为38.5%，而HXS20-NP误差为22.9%，GO20-SME误差为9.925%。

可见同样是模块式产品，ASIC系列精度要比非ASIC要高，同样是ASIC产品，贴片式要比模块式精度高，也就是集成度越高的产品其小电流精度与稳定性越好。另外也可以看到电流传感器通常定义为额定电流以及常温状态下，考虑温度漂移引起的误差，以及小电流分母为实际输出值，高温小电流的误差会比额定标称要高不少，这也是设计人员需要注意的点。

TMR产品精度计算

以Crocus CT415系列为例，其中CT415-xSN850MR为50A产品，该50A为最大值，等效于霍尔20A额定值。CT415-xSN850MR线性误差为0.1%，另外从前面不同技术的参数对比也可以看出TMR温度稳定性要好很多，因此如下规格给出全温度范围增益误差为0.5%，全温度范围零点误差0.3%，可见影响其精度的最大因素为线性误差，在85°C时，同样是电流2A，其精度误差主要为线性误差，计算得出为2.5%。

TMR技术具有功耗低、尺寸小、响应速度快、温度稳定性好、精度高的优点，是电流传感领域潜力股，其优异性能将逐步得到关注以及广泛使用。

如下Crocus产品系列作为参考，除了精度以外，其带宽达到1MHz，是高频开关电源的另一大福音。