Magnetic Interference Suppression of Tunnel Magnetoresistance Current Sensor in Power Converters
作者：Hui CHEN, Weicong LIN, Shuai SHAO, and Junming ZHANG
DOI: 10.24295/CPSSTPEA.2023.00041
引用信息：
H. Chen, W. Lin, S. Shao, and J. Zhang, “Magnetic Interference Suppression of Tunnel Magnetoresistance Current Sensor in Power Converters,” in CPSS Transactions on Power Electronics and Applications, vol. 8, no. 4, pp. 437-446, Dec. 2023.
· 研究背景 ·
电流是功率转换器中用于控制、诊断和保护的重要参数，对于其中的电流传感器要求带宽大，功率损耗低，同时体积小。近年来，磁阻因其高灵敏度和较小的体积，已成为一种前景广阔的电流传感技术，包括各向异磁阻、巨磁阻、隧道磁阻等。隧道磁阻在温度稳定性、灵敏度、功耗、线性度和频率响应等多个方面都有一定的优势，是功率转换器中电流检测的热门选择。然而，在实际应用中，由于功率转换器产品的电路环境非常复杂，如何减少外围导体的干扰并提高隧道磁阻电流检测的精度是一个不可忽视的问题。
· 重点内容 ·
1、相邻并行PCB轨道上电流的干扰抑制
通过讨论两条平行的PCB轨道，分析并联电流靠近时对隧道磁阻传感器的干扰情况，模型如图1所示。由于最佳安装位置的对称性，隧道磁阻传感器一般安装在远离平行干扰电流的一侧，因此，为了简化模型，可以忽略干扰PCB轨道的宽度，干扰电流视为理想电流。
图1 平行轨道分析。(a)平行轨道干扰的三维模型，(b)两条平行轨道的截面图
通过理论计算可得，为确保干扰比小于临界值，两条PCB轨道之间的距离必须大于dmin，如下式所示。该公式可作为实际轨道设计距离时的参考，这也适用于其它基于磁阻的电流传感器。
2、基于隧道磁阻单向灵敏度的干扰抑制
2.1 隧道磁阻的单向灵敏度
隧道磁阻的单向灵敏度是指隧道磁阻只对某一方向的磁场灵敏，如本研究中的x方向。隧道磁阻的电阻只随敏感方向的磁场变化而变化，通过使干扰磁场的方向与隧道磁阻敏感方向垂直，可将干扰磁场的影响降至最低。
2.2 交叉PCB轨道上电流的干扰抑制
将并联的PCB轨道改为垂直，可显著抑制扰动电流的干扰，且无需水平间隔。如图2所示，考虑双层印刷电路板中的两条交叉轨道，I1是顶层的待测电流，I2是底层与I1成β角的交叉干扰电流。I1和I2与隧道磁阻传感器的垂直距离分别为h1和h2。
图2 交叉轨道分析。(a)轨道三维模型，(b)底层干扰轨道俯视图
在隧道磁阻对单一方向（本文中x方向）敏感的前提下，只测量I2在敏感方向上的磁场分量B2x，如图3所示。图中显示了调整角每变化10°时的理论曲线（红色）和模拟结果（蓝色）。随着交叉角度的增大，敏感方向上的磁场分量减小，当角度为90°时，磁场分量降至0。
图3 不同交叉角度下隧道磁阻的理论值和模拟值
2.3 磁性元件的干扰抑制
与PCB轨道相比，电感器和变压器等磁性元件的干扰要大得多，仅增加空间距离是不现实的，这种情况下也可以利用单向灵敏度来避免磁性元件的干扰。空芯电感器没有磁芯，工作时漏磁最多，对PCB轨道周围磁场的影响也最严重。图4展示了隧道磁阻传感器的灵敏方向垂直于干扰磁场的两种备选布局。在布局a中，隧道磁阻传感器沿空芯电感器的中心轴放置，在布局b中，隧道磁阻传感器位于空芯电感器的外部。
图4 空芯电感布局图
表I显示了a布局中隧道磁阻传感器的内部芯片偏离中心线不同距离时的仿真结果，随着偏移距离增大，干扰磁场也迅速增大。考虑实际应用中不可避免的偏差，此布局很难满足精度要求。图5显示了b布局中不同距离处的模拟干扰磁场，随着位置向中间靠近，磁场x分量逐渐减小，在电感器的中间平面处为0，因此，将隧道磁阻传感器放置在电感器外的中间平面，磁场干扰最小，可以获得良好的测量结果。
表I 布局a的干扰情况
图5 布局b中不同位置的磁场x分量
3、仿真结果
搭建桥梁结构样机原型，原理图如图6，并使用该样机验证了平行轨道、交叉轨道和磁性元素的影响。图7显示了不同布局的干扰效果，I1（测量电流）位于PCB的顶层，I2（干扰电流）位于PCB的底层。隧道磁阻的安装使其敏感方向与I1的电流方向一致。图7(a)为I2 位于I1正下方且与电流方向相同时的测量结果，图7(b)为将I2旋转45°时的测量结果，图7(c)为两条PCB轨道完全垂直时的测量结果。仿真结果表明，90°垂直布局可有效抑制外围线路对隧道磁阻传感器的干扰。
图7 干扰轨道放置在不同交叉角度时隧道磁阻传感器的检测结果。(a)平行，(b)45°交叉，(c)垂直交叉。
· 结论 ·
隧道磁阻传感器可实现无创测量且体积小，是一种可用于电流传感的新型传感器，然而，PCB轨道和周边磁性元件产生的磁场会影响隧道磁阻传感器的检测精度。本文分析了并联和交叉PCB轨道电流以及电源转换器中的磁性元件对隧道磁阻传感器测量结果的影响，并提出了抑制磁场干扰的方法。对于平行的PCB轨道，采用间距设计来减少干扰，并给出了最小间距的计算方法。对于距离较近的PCB轨道，建议将干扰轨道与被测轨道垂直布局。对于磁性元件的强磁干扰，建议将隧道磁阻传感器放置在电感器外的中间平面。
