微小TMRセンサーが電流検知を変革：高精度・低消費電力・小型設計を実現

今日、磁場を比例電圧に変換する多様な技術が存在し、磁気エンコーダーから電流検知まで多彩なアプリケーションを可能にしています。

1879年にEdwin Hallが発見したホール効果は、長らく固体磁気センサーを支えてきました。しかし、消費電力の高さ、感度の限界、コストといった制約が、より効率的な代替技術の探求を促してきました。

そこで登場したのが磁気抵抗（MR）効果です。材料の電気抵抗が磁場下で変化する現象で、材料の内部磁化に応じてMR効果が変化し、センサー設計に新たな道を開きました。

MRの画期的な派生技術がトンネル磁気抵抗（TMR）です。1990年代に宮崎輝信教授によって発見されたTMRセンサーは、ナノメートル級の薄い絶縁障壁で隔てられた2つの強磁性層で構成されます。層の磁化方向が平行なら抵抗が下がり、反平行なら上がるという、エレガントな量子力学的効果です。

図1：2つの強磁性体とトンネル層で構成されるTMR接合（出典：Crocus Technology）

Crocus Technology

Crocus Technologyは、特許取得済みのXtremeSense TMRプラットフォームを活用し、産業用および民生用電子機器向け磁気センサーを提供しています。XtremeSenseファミリーには、性能とフットプリントで優れた集積スイッチと電流センサーが含まれます。

XtremeSense TMRの主な利点：

• 卓越した信号対雑音比：電流検知で5mA分解能
• 超低消費電力：スイッチモードで110nA
• 堅牢な温度安定性：<40ppm/℃

「高速・高精度・低レイテンシな電流検知への需要が高まっており、特にパワーエレクトロニクスアーキテクチャで顕著です」とCrocusのセールス・マーケティング担当VP、Tim Kaske氏は語ります。

TMRセンサーは電流センサーの役割に自然に適合します。周囲の磁場に応じて抵抗が変化し、最新のCMOS回路と組み合わせることで、高SNR、リニア、熱的に安定した測定を実現し、接触・非接触の両アプリケーションに最適です。

TMRセンサーのユースケース

力率改善（PFC）は電源装置における重要技術で、EN 61000-3-2などの規格で義務付けられています。PFC段は負荷電流能力を向上させながらAC高調波を抑制し、クリーンで位相の合った電流を生み出します。

Kaske氏は、「CCMトーテムポールPFCとGaN MOSFETの組み合わせをターゲットとしている。このアーキテクチャは10年間ほとんど進化がなかったが、新しいコントローラーが対応し、EV充電器、コンピューティング、データセンターへの道を開いている」と説明します。

従来のシャントベース電流検知には、サイズ、電力損失、帯域幅制約といった限界があります。TMRソリューションはPCBフットプリントを半分または4分の1に削減しつつ、優れた精度、帯域幅、レイテンシを提供します。

「ホールセンサーに頼ってきたエンジニアは、精度、帯域幅、効率の全面でTMRが飛躍的な性能向上をもたらすことを実感するでしょう」とKaske氏は付け加えます。

標準的なアクティブPFCのブロック図を図2に示します。ダイオードブリッジがAC入力をDCに変換し、プリコンバーター（通常はブースト）が商用電源から正弦波電流を取り込み、DC出力を供給します。

図2：典型的なアクティブPFC段の図（出典：Crocus Technology）

図3に示すCCMトーテムポールPFCは、高周波ハーフブリッジで2つのGaN MOSFET（S1、S2）を使用し、S3とS4が商用周波数で同期スイッチングを行います。高効率、低損失、部品点数削減というメリットにより、最新パワーシステムで魅力的です。この設計では、連鎖的故障を防ぐため高速過渡を捉える電流センサーが必要で、単一の双方向センサーで半サイクル両方を監視します。

図3：CCMトーテムポールPFC（出典：Crocus Technology）

Crocusによれば、XtremeSense TMRセンサーはこの用途に最適で、以下を提供します：

• 高SNRとコントローラーへのクリーンな出力
• 最小限の導通損失
• 1MHz帯域幅、低位相遅延、300ns立ち上がり時間による高速測定
• プログラマブル過電流検出とMCU連携用フォルトピン
• 正負電流の双方向検知
• 安全性のための5kV絶縁

「太陽光発電も有望な分野です」とKaske氏。「電流トランスは絶縁と安全性を提供しますが、TMRは同等の絶縁でより高い精度を実現できます。」

> この記事は元々、姉妹サイトのPower Electronics Newsで公開されました。

---

関連コンテンツ

• デジタル磁気センサーの基礎
• 3D磁気センシングが自動車制御を支援
• InfineonがTMR技術ベースの磁気センサーを初発表
• ホール効果センサーがリアルタイム産業アプリケーションをサポート
• 電池駆動医療機器の確実な電源投入
• ホールセンサーが安全クリティカルな自動車システムをターゲットに

より多くのEmbeddedコンテンツをお求めの方は、Embeddedの週刊メールニュースレターをご購読ください。