新能源领域，怎样提高霍尔传感器的采样精度？

我们正在经历着一场能源转型，这场转型将彻底地改变我们获取存储和使用能源的方式。在今后的十年内，可以预见的是太阳能将会成为全球大部分地区最重要的能量来源。

国家能源局最新数据显示，截至2023年上半年，全国可再生能源装机突破13亿千瓦，达到13.22亿千瓦，同比增长18.2%，历史性超过煤电，约占我国总装机的48.8%，其中，水电装机4.18亿千瓦，风电装机3.89亿千瓦，光伏发电装机4.7亿千瓦，生物质发电装机0.43亿千瓦。

虽然可再生能源发展迅猛，但也是一个充满挑战的行业。随着可再生能源的需求日益提高，能源基础设施需要变得更加智能、更加高效、更加可及。

9月19日，德州仪器可再生能源半导体技术创新峰会上，德州仪器携合作伙伴共同分享了关于新能源的观点，同时也发布新款霍尔效应传感器TMCS1123与全新光耦仿真器产品。

机遇与挑战并存

TI在光伏领域还有不少独特的技术，是什么驱动了德州仪器不断在可再生能源里投资？

德州仪器深圳区的郑越认为，在清洁能源里，光伏因为其经济性、技术性等，光伏+储能成为热门的赛道。对于半导体行业来说，越来越多的光伏基站以及逆变器、储能的部署，给了上游芯片行业带来很多机会。传统火电、煤电基本用不到芯片，但光伏储能对于上游半导体芯片需求量达到了井喷式的发展。同样也可以倒推，上游芯片企业针对储能、光伏、充电桩领域的技术创新，设计出更好的、适用这个领域的产品，更有性价比的产品，推动行业进一步发展。

在可再生能源里，随着电气化和储能产品发展，电动汽车、新能源、OBC电气化等应用场合需要更多电流检测。随着工业自动化发展，需要更多能够实时检测、实时诊断，能够给更多物联网提供丰富信息，可再生能源高速发展的领域也驱动了市场的蓬勃发展，这些都会是TI的机会。

机遇之下，一定伴随着诸多挑战，这些是芯片厂商所必须要面对的。

特来电副总经理黄建宾认为，可再生能源的挑战共有三点：一是间歇性较大，长时间稳定使用比较有压力，且分布式能源与现有网络连接是有挑战的问题；二是成本，虽然现在的成本比传统能源有所降低，但成本依然非常高；三是人才，世界还是需要大量技术人才输出支撑起这样的市场。

新能安储能研发总监苏志高认为，能源转型大背景下，电化学储能作为主要能源存储载体，成本占比较大，从用户角度来看，有两个痛点：一是长循环的寿命、安全的可靠性、长期的安全可靠性是长期的痛点，市场愈发希望电池和光储同寿，达到15年~20年；二是安全，包括高安全可靠性的电池管理系统和智能算法，诸如虚拟预测、电池内短路的预测、热失控提前预警的策略，并结合物联网的技术，建立大数据云端平台，做到云端协同。

古瑞瓦特储能产品线总监王飞飞认为，新能源的接入会给传统电网带来挑战，很多地方有弃光弃电，怎样对新能源做管理会是很大的挑战。对于光伏来说最关键的是发电量，除了提升面板转换效率外，光伏逆变器也对发电量提升做了很多工作，包括MPPT效率追踪、转转效率等，这就需要搭配更好的芯片。

解决工程师难题的新产品

在新能源领域里，尤其在高压领域里，是行业公认的挑战。

随着产品越来越高的可靠性要求，业界对于器件层级的可靠性和要求越来越高。在传统高压领域涉及电流传感器，考虑到安全和可靠性因素，都会添加很多元器件、隔离电源，这些因素都增加了工程师在设计高可靠性电流采样的难度。怎么平衡成本、系统、复杂程度间的平衡，也是TI的需求方向。

目前，霍尔传感器已经在新能源领域有广泛的应用，但怎样提高霍尔传感器的采样精度是一个困难。

为了应对以上挑战，TI推出两款霍尔效应传感器，即一款超高性能的霍尔传感器TMCS1123和全新隔离产品光耦仿真器ISOM8系列。

TMCS1123的硬参数极为强大，具有1100VDC的更高增强型隔离工作电压，其最大灵敏度误差为±0.75%，在整个温度范围内的漂移为50ppm/°C，在整个生命周期内的漂移为±0.5%。TI在TMCS1123这款产品的设计和工艺上都有创新，所以最后能得出这样的强大的性能。

需要强调的是，TMCS1123没有使用光耦技术，与光耦不同，本质上是一个霍尔效应电流传感器。如果一定要给TMCS1123安排一个相关的隔离技术，可能它会更偏向于磁耦技术，因为它不同于传统数字隔离器以及隔离ADC，实质上是模拟信号的传输，而通用来看，光耦、磁耦和容耦传递的大部分都是数字信号。当然光耦和磁耦也有一定的传输模拟信号的能力，但是它们在设计上是完全不同的。

TI推出的光耦器件也称作模拟光耦器件，与传统的光耦技术对比，最根本的不同点是真正实现隔离的手段是不同的。光耦虽然成本相对适中，但是从性能、寿命、功耗和可靠性来说，这些都是相对被业界诟病。但是TI新款霍尔效应电流传感器TMCS1123能够做到与光耦兼容，在整个生命周期和温度范围内具有业内出色的增强型隔离和高精度，能够兼顾高可靠性、长寿命和低成本的特点。

TMCS1123是TI的第二代产品，此前是TMCS1110。

如果我们对这两款产品进行比较，会发现它们的封装是不一样的，前一代TMCS1100产品的封装更小，TMCS1123的封装比较大一些，这取决于TI对于隔离等级的考虑。

在高压系统里，为满足系统对于隔离等级的要求，需要芯片满足一定爬电距离的要求，TMCS1123能够支持中级爬电距离和绝缘要求的，而那对于前一代产品来说，它只是支持基础绝缘要求，也称作基础隔离。

根据这两种隔离等级的要求，对于封装也是有特定的要求的。比如，基础绝缘只要求爬电距离是4.1毫米，但是增强绝缘需要翻倍，大约需要8.1毫米的爬电距离。所以这就是TI两代产品在封装上带来差异的最主要的原因。

根据德州仪器技术经理付杨的介绍，设计TMCS1123这款产品的初衷是为了在市场上能够体现这个产品的价值，同时关注了行业的痛点。在行业里，大家普遍的反馈是相比于分流器的方案来说，霍尔效应电流传感器的精度比较低。所以TI在这个方面花了很大的精力，比如采样的误差、温度的漂移、长时间工作寿命，以及使用寿命上的漂移，在这些干扰项上TI都做了优化。

此外，隔离的等级也是一方面。在长期隔离产品的技术积累上，TI能够解决像绿色能源这一类行业里面遇到的问题，并进行产品创新和技术突破。行业的挑战包括对于精度的高要求，对于隔离等级不断提升的要求，以及对于产品可靠性不断提升的要求。“目前我们在客户端相对比较快的一些项目上看到的都是正面的反馈。”

另一款信号隔离半导体技术的全新光耦仿真器产品系列是TI第一款与业内常见的光耦合器引脚对引脚兼容的光耦仿真器，可无缝集成到现有设计中，同时能充分发挥基于二氧化硅 (SiO2) 的隔离技术的独特优势。型号包括ISOM8711、ISOM8110、ISOM8710等。

过去工程师常用选择集成LED来隔离信号，但光耦合器需要预先进行超裕度设计，用于补偿LED不可避免的老化效应。TI的光耦仿真器使用SiO2隔离栅无需进行超裕度设计，可完全消除LED的老化效应。

从参数来看，SiO2隔离栅具有500VRMS/μm高介电强度，新器件产品系列可为终端产品设计提供长达40多年的保护。光耦仿真器还能提供高达3750VRMS 的隔离保护，同时降低高达80%的功耗。此外，该产品系列可耐受–55°C ~ 125°C的宽工作温度范围，可提供比光耦合器高多达10倍的共模瞬态抗扰度。

付杨强调，可以看到TI的新产品重点强调器件的寿命、温漂及初始采样精度，这些都是TI花了很大的精力，运用不同设计提高的，所以新品相比于同类型的电流采样产品极具优势。

不止如此，新产品使用非常简单，不需要使用分流器加芯片的方案，一颗芯片既集成了不需要隔离的工件，又不需要加上数字隔离器以及分流器，所以整体使用非常便捷，整体系统设计非常简洁。所以这也是为什么它可能之前看起来精度会比较低，但是大家还是会愿意使用的原因。

写在最后

在绿色能源领域，为了进一步减小方案尺寸，使系统更加紧凑，提高能源变换效率，目前趋势还是尝试使用第三代宽禁带半导体来实现更高的开关频率，由此带动尺寸缩减、功率密度提升、电源动态效果提升，开关的频率越高，整个环路的带宽就会越高。

霍尔效应电流传感之前比较常见的缺点是它的精度、长时间工作带来的漂移以及温漂会相比于分流器的采样方式更低一些，这是公认的缺点，而新产品就是为了解决这些缺点而引入新技术。

“我们目前在官网上有销售的渠道，但是这个产品并没有任何改变我们任何的销售策略。我们非常欢迎各种类型的客户通过TI所支持的各种渠道来下单和购买。”付杨如是说。