CN103226165A - Tmr自校零数字电流传感器及其自校零方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种TMR自校零数字电流传感器及其自校零方法。通过TMR电桥芯片、放大器和模数转换器将被测电流信号转换成电压信号，经过放大和模数转换生成测量数据；TMR电桥芯片的噪声数据被数字信号处理器分析后，运算得到激励线圈所需激励电压，通过数模转化器及驱动器施加到激励线圈，产生垂直于TMR灵敏度方向的激励磁场，对TMR电桥芯片进行降低噪声；再采集和分析噪声情况，最终实现TMR零点的自动校准。本发明可以有效地测量电流信号，测量结果精度高动态大，能够有效降低系统的成本。

Description

TMR自校零数字电流传感器及其自校零方法

技术领域

本发明属于集成电路的硬件实现方法，尤其涉及一种基于TMR（Tunnelingmagneto Resistive，隧穿磁电阻）技术的具有自动校准零点功能的数字式电流传感器的硬件设计。

背景技术

TMR用于电流测量时能够非常好地满足动态和精度的要求，而且可以从直流一直测量到很高的频率电流，但是其自身特有的噪声特性对整个实现方案提出了零点校准的要求。

一旦将零点变化或者说噪声所引起的TMR输出的变化校准掉，那么TMR电流传感器的动态和精度都将得到大大提高，这个电流传感器就能满足绝大部分电流测量的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单，TMR输出的噪声得到校准、动态较大、精度较高的TMR自校零电流传感器，可以有效地测量电流信号，测量结果精度高动态大，并能有效降低系统的成本。本发明还提供相应的自校零方法。

本发明的技术方案如下：

一种TMR自校零数字电流传感器，包括TMR电桥芯片、激励线圈、放大器、驱动器、模数转换器、数模转换器以及数字信号处理器；TMR电桥芯片将被测电流信号转换成电压信号，其输出与放大器的输入相连接；放大器的输入与TMR电桥芯片的输出相连接，提供TMR电桥芯片输出的放大；放大器输出与模数转换器的输入相连接；模数转换器的输入与放大器的输出相连接，将TMR电桥芯片的输出信号进行模数转换成数字信号；模数转换器的输出与数字信号处理器的输入相连接；数字信号处理器的输入与模数转换器的输出相连接，对TMR电桥芯片采集来的数据进行分析，得到噪声当量；根据激励和噪声当量之间的函数关系计算得到激励；数字信号处理器的输出与数模转换器的输入相连接；数模转换器的输入与数字信号处理器的输出相连接，将数模转换器的输出信号进行数模转换成激励所需的电压模拟信号；数模转换器的输出与驱动器的输入相连接；驱动器的输入与数模转换器的输出相连接，提供数模转换器输出的放大；驱动器的输出与激励线圈相连接；激励线圈与驱动器相连接，产生垂直于TMR电桥芯片灵敏度方向的激励磁场。

其进一步的技术方案为：还包括数据存储器；所述数据存储器与数字信号处理器相连接，用于记录激励电压值。

其进一步的技术方案为：所述放大器、驱动器、模数转换器、数模转换器、数字信号处理器及数据存储器集成在一个基片上，生产成第一裸片；所述TMR电桥芯片生产成第二裸片；所述激励线圈生产成线圈裸片；所述第一裸片、第二裸片和线圈裸片封装在一个芯片内。

其进一步的技术方案为：所述放大器、驱动器、模数转换器、数模转换器、数字信号处理器及数据存储器集成在一个基片上，生产成第一裸片；所述TMR电桥芯片生产成第二裸片；所述第一裸片和第二裸片封装在一个芯片内；所述激励线圈采用单独的外部印刷电路实现。

其进一步的技术方案为：所述芯片与电流导线相连接。

本发明还提供一种TMR数字电流传感器的自校零方法，包括以下步骤：

步骤一，在没有外部电流输入的情况下，测量TMR电桥芯片的输出信号；

步骤二，将TMR电桥芯片的输出放大并转换成数字信号；

步骤三，对TMR电桥芯片采集来的数据进行分析，得到噪声的当量V_Noise；根据激励和噪声的当量V_Noise之间的函数关系计算得到激励V_ex；

步骤四，将激励V_ex转换成激励所需的电压并驱动激励线圈，产生垂直于测量敏感场的激励磁力线；

步骤五，将激励值记录在数据存储器中，以便每次上电时读取并产生激励V_ex。

本发明的有益技术效果是：

本发明采用多芯片集成电路的设计结构，通过驱动放大、模数转换、数模转换及数字信号处理和数据存储的电路具体实现。TMR电桥芯片、放大器和模数转换器将被测电流信号转换成电压信号，经过放大和模数转换生成测量数据。TMR电桥芯片的噪声数据被数字信号处理器分析后，运算得到激励线圈所需激励电压，通过数模转化器及驱动器施加到激励线圈，产生垂直于TMR灵敏度方向的激励磁场，对TMR电桥芯片进行降低噪声，再采集和分析噪声情况，最终实现TMR零点的自动校准。

本发明附加的优点将在下面具体实施方式部分的描述中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是本发明的电路模块结构框图。

图2是本发明的机械模块结构框图。

图3是本发明采用内部组合的实施例的原理框图。

图4是本发明采用外部组合的实施例的原理框图。

图5是TMR元件的结构原理图。

图6是TMR元件的理想响应曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

图1示出了本发明的电路原理图。如图1所示，本发明包括以下电路模块：TMR电桥芯片、激励线圈A、放大器B、驱动器C、模数转换器（ADC）D、数模转换器（DAC）E、数字信号处理器（DSP）F以及数据存储器（EEPROM）G。

如图1所示，TMR电桥芯片的输出与放大器B的输入相连接；放大器B输出与模数转换器D的输入相连接；模数转换器D的输出与数字信号处理器F的输入相连接；数字信号处理器F的输出与数模转换器E的输入相连接；数模转换器E的输出与驱动器C的输入相连接；驱动器C的输出与激励线圈A相连接；数据存储器G与数字信号处理器F相连接。

结合图1和图2，本发明的自校零过程如下：

在没有外部电流输入的情况下，测量TMR电桥芯片的输出信号，放大器B提供TMR电桥芯片输出的放大，模数转换器D将TMR电桥芯片的输出信号进行模数转换成数字信号，数字信号处理器F将对TMR电桥芯片采集来的数据进行分析，得到噪声的当量V_Noise。数字信号处理器F根据激励和V_Noise之间的函数关系计算得到激励V_ex，然后通过数模转换器E将激励V_ex转换成激励所需的电压并经驱动器C输出去驱动激励线圈A来产生垂直于测量敏感场的激励磁力线，由此来降低TMR电桥芯片的噪底。此时还可以再采用计算一次生成最终的激励值，并且记录在数据存储器G中，以便每次上电时读取并产生激励V_ex。

如图3所示，放大器B、驱动器C、模数转换器D、数模转换器E、数字信号处理器F及数据存储器G采用CMOS工艺设计，集成在一个基片上，生产成第一裸片Die1。TMR电桥芯片则生产成第二裸片Die2。激励线圈A采用MEMS（微机电技术）设计和制造成小型的线圈裸片。最后将第一裸片Die1、第二裸片Die2和线圈裸片封装在一个芯片内，组成本发明的芯片部分。

如图4所示，也可以将放大器B、驱动器C、模数转换器D、数模转换器E、数字信号处理器F及数据存储器G集成在第一裸片Die1上。TMR电桥芯片生产成第二裸片Die2。将第一裸片Die1和第二裸片Die2封装在一个芯片内，组成本发明的芯片部分。而激励线圈A采用单独的外部印刷电路实现。

如图1、图3、图4所示，还需要在本发明的芯片部分的外部加入引导电流流过的电流导线I。本发明的芯片部分可以粘贴在电流导线I上，或者采用机械安装结构来固定本发明的芯片部分和电流导线I的位置。

以下为本发明的两个实施例。

实施例一：

图3是本发明采用内部组合（片内集成）的原理框图。如图3所示，TMR电桥芯片检测到电流信号后经放大器B放大，并由模数转换器D转换成数字信号，然后由数字信号处理器F对噪声进行分析，计算出激励所需的电压，然后通过数模转换器E及驱动器C来驱动激励线圈A。激励线圈A产生的磁场将和TMR电桥芯片灵敏度方向垂直。此时可以再对TMR电桥芯片的输出进行采样分析，通过调节激励电压来得到最小的噪声。然后将此激励电压值记录到数据存储器G中，以后每次上电工作时，将从数据存储器G中调取此电压值，然后去激励线圈，以此实现电流检测的零点自动校准。

实施例二：

图4是本发明采用外部组合的原理框图。如图4所示，TMR电桥芯片检测到电流信号后经放大器B放大，并由模数转换器D转换成数字信号，然后由数字信号处理器F对噪声进行分析，计算出激励所需的电压，然后通过数模转换器E及驱动器C来驱动外部PCB上的激励线圈A。激励线圈A产生的磁场将和TMR电桥芯片灵敏度方向垂直。此时可以再对TMR电桥芯片的输出进行采样分析，通过调节激励电压来得到最小的噪声。然后将此激励电压值记录到数据存储器G中，以后每次上电工作时，将从数据存储器G中调取此电压值，然后去激励线圈，实现电流检测的零点自动校准。

本发明所提供的TMR自校零数字电流传感器可与其他类似传感器相组合再结合电能计量算法和通讯处理功能的微处理器（MCU）以形成一个完整的电能表，实现三相或者单相供电系统的电能消耗量的计量测量。

以下通过对TMR元件的结构及特点的说明来阐述来本发明的实现原理：

图5所示的是一个TMR元件的结构原理图。如图5所示，TMR元件包括钉扎层（Pinning Layer）、隧道势垒层（Tunnel Barrier）、自由层（Free Layer）。其中，钉扎层由铁磁层（被钉扎层，Pinned Layer）和反铁磁层（AFM Layer）构成。铁磁层和反铁磁层之间的交换耦合作用决定了铁磁层的磁矩方向。隧道势垒层通常由MgO或Al₂O₃构成，位于铁磁层的上部。铁磁层位于隧道势垒层的下部。图5中的箭头分别代表被钉扎层和自由层的磁矩方向。被钉扎层的磁矩在一定大小的磁场作用下是相对固定的，自由层的磁矩相对于被钉扎层的磁矩是相对自由且可旋转的，随外场的变化而发生翻转。

图6所示的是在理想情况下的TMR元件的响应曲线。如图6所示，在理想状态下，磁电阻R随外场H的变化是完美的线性关系，同时没有磁滞（在实际情况下，磁电阻的响应曲线随外场变化具有滞后的现象，称之为磁滞。磁电阻的响应曲线为一个回路，通常作为应用的磁电阻材料的磁滞很小，在实际使用中可以看做一个完美的线性曲线）。在现实应用的传感器领域，由于磁传感设计的制约以及材料的缺陷，这条曲线会更弯曲。R-H曲线具有低阻态R_L和高阻态R_H。其高灵敏度的区域是在零场附近，传感器的工作区间位于零场附近，约为饱和场之间1/3的区域。响应曲线的斜率和传感器的灵敏度成正比。零场切线和低场切线以及高场切线相交于点（-H_s+H_o）和点（H_s+H_o），可以看出，响应曲线不是沿H=0的点对称的。H_o是典型的偏移场。H_o值通常被称为“橘子皮效应（Orange-peel Coupling）”或“奈尔耦合（Néel Coupling）”，其典型值为1到40Oe。其与磁电阻元件中铁磁性薄膜的结构和平整度有关，依赖于材料和制造工艺。H_s被定量地定义为线性区域的切线与正负饱和曲线的切线的交点对应的值，该值是在响应曲线相对于H_o点的不对称性消除的情况下所取的。图6中，白色箭头代表自由层磁矩方向，黑色箭头代表钉扎层磁矩方向，磁电阻响应曲线随自由层磁矩和被钉扎层磁矩之间角度的变化而变化：当自由层磁矩与钉扎层磁矩反平行时，曲线对应高阻态R_H；当自由层磁矩与钉扎层磁矩平行时，曲线对应低阻态R_L；当自由层磁矩与钉扎层磁矩垂直时，阻值是位于R_L和R_H之间的中间值，该区域是理想的线性磁传感器的“工作点”。

TMR元件的特点中具有噪声就来源于上述部分工艺造成的，因此，由外部磁场来强制校准可以实现噪声的降低。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的基本构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种TMR自校零数字电流传感器，其特征在于：包括TMR电桥芯片、激励线圈、放大器、驱动器、模数转换器、数模转换器以及数字信号处理器；

TMR电桥芯片将被测电流信号转换成电压信号，其输出与放大器的输入相连接；

放大器的输入与TMR电桥芯片的输出相连接，提供TMR电桥芯片输出的放大；放大器输出与模数转换器的输入相连接；

模数转换器的输入与放大器的输出相连接，将TMR电桥芯片的输出信号进行模数转换成数字信号；模数转换器的输出与数字信号处理器的输入相连接；

数字信号处理器的输入与模数转换器的输出相连接，对TMR电桥芯片采集来的数据进行分析，得到噪声当量；根据激励和噪声当量之间的函数关系计算得到激励；数字信号处理器的输出与数模转换器的输入相连接；

数模转换器的输入与数字信号处理器的输出相连接，将数模转换器的输出信号进行数模转换成激励所需的电压模拟信号；数模转换器的输出与驱动器的输入相连接；

驱动器的输入与数模转换器的输出相连接，提供数模转换器输出的放大；驱动器的输出与激励线圈相连接；

激励线圈与驱动器相连接，产生垂直于TMR电桥芯片灵敏度方向的激励磁场。

2.根据权利要求1所述TMR自校零数字电流传感器，其特征在于：还包括数据存储器；所述数据存储器与数字信号处理器相连接，用于记录激励电压值。

3.根据权利要求2所述TMR自校零数字电流传感器，其特征在于：所述放大器、驱动器、模数转换器、数模转换器、数字信号处理器及数据存储器集成在一个基片上，生产成第一裸片；所述TMR电桥芯片生产成第二裸片；所述激励线圈生产成线圈裸片；所述第一裸片、第二裸片和线圈裸片封装在一个芯片内。

4.根据权利要求2所述TMR自校零数字电流传感器，其特征在于：所述放大器、驱动器、模数转换器、数模转换器、数字信号处理器及数据存储器集成在一个基片上，生产成第一裸片；所述TMR电桥芯片生产成第二裸片；所述第一裸片和第二裸片封装在一个芯片内；所述激励线圈采用单独的外部印刷电路实现。

5.根据权利要求3或4所述TMR自校零数字电流传感器，其特征在于：所述芯片与电流导线相连接。

6.一种TMR数字电流传感器的自校零方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，在没有外部电流输入的情况下，测量TMR电桥芯片的输出信号；

步骤二，将TMR电桥芯片的输出放大并转换成数字信号；

步骤三，对TMR电桥芯片采集来的数据进行分析，得到噪声的当量V_Noise；根据激励和噪声的当量V_Noise之间的函数关系计算得到激励V_ex；

步骤四，将激励V_ex转换成激励所需的电压并驱动激励线圈，产生垂直于测量敏感场的激励磁力线；

步骤五，将激励值记录在数据存储器中，以便每次上电时读取并产生激励V_ex。

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