本文原作者：Marc Biehn（英飞凌科技工业与消费类磁感测产品组主管）；Sebastian Maerz（英飞凌科技磁感测业务开发经理），发表时间为2026年6月9日，点击文末阅读原文即可跳转原页面
在现代电子系统中，磁感测正变得愈发重要。特别是在运动控制、功率转换和保护应用中，位置和电流的非接触式测量不可或缺。
这些测量信号直接影响着控制质量、系统效率以及保护机制的响应速度。
在消费、工业和汽车领域，系统设计正朝着更小巧的外形、更快的开关与控制环路，以及更高的精度要求迈进。
然而，这些趋势也带来了新的挑战。随着系统体积不断缩小，可用的磁信号变得越来越微弱。更快的运行速度增加了系统对电气噪声的敏感度，而更为严苛的性能目标则进一步压缩了容错空间。
隧道磁阻（TMR）技术凭借高灵敏度、低噪声以及强大的固有信号输出等优势应对了这些挑战，即便在严苛条件下也能实现可靠感测。
本文将介绍TMR感测的基础知识，并展示英飞凌如何将该技术应用于实际解决方案中，从而实现精准且稳健的磁场测量。
应用示例包括：紧凑型用户界面中的位置感测、用于功率转换和电机驱动的无芯隔离电流感测，以及高压固态系统中的超快过流保护。 这些示例充分证明了，英飞凌基于TMR产品组合的XENSIV™磁传感器能够跨越消费、工业和安全相关应用领域，提供可扩展的高性能感测解决方案。
1. 现代系统中磁感测技术的发展动因
现代电子系统中的磁感测技术能够实现对运动（位置或角度）及电负载（电流）的非接触式测量。
在紧凑型设计、电气化与快速电子控制相融合的各个领域，该技术正发挥着越来越重要的作用。
在游戏配件和可穿戴设备等消费类电子产品中，磁传感器不仅能提供精准且一致的用户输入反馈（例如应用于操纵杆、扳机键和按键开关），还能支持低功耗运行。
此外，它们还支持更节能的系统机制，例如通过检测设备的静止状态并将其切换至低功耗模式，从而有效延长电池续航。
在工业和电力应用领域（包括电动工具、无人机和储能系统），磁感测能够对快速变化的电流进行准确的非接触式测量。这优化了电机控制性能，并提升了功率转换系统的效率。
在固态继电器、智能断路器和电池管理系统等保护系统中，电流感测能够快速检测出异常情况，使系统得以及时响应并防止设备受损。
在汽车及其他对安全要求极高的运动控制系统中，磁传感器被广泛应用于位置和角度测量，以支持可靠的闭环控制，并实现能够增强系统安全性的诊断功能。
2. 解析系统设计中的磁感测技术
2.1 磁测量原理概述
磁阻技术主要包括各向异性磁阻（AMR）、巨磁阻（GMR）和隧道磁阻（TMR），这类技术能够将磁场变化转化为电阻变化，从而实现更高的灵敏度和更优的分辨率。
其中，TMR技术能够提供尤为强劲的信号输出和卓越的信噪比（SNR）。
在器件层面，TMR传感器的核心结构由两个铁磁层及夹在其间的薄绝缘层组成。
外部磁场的变化会改变自由层与参考层之间磁化方向的相对排列，进而产生可测量的电阻变化。
在系统层面，这种更强的固有信号与更低的噪声构成了关键优势。它们不仅减少了对外部放大和滤波电路的需求，还提升了系统在紧凑空间及电噪声环境下的稳健性。
虽然这些特性确立了TMR作为传感技术的基本优势，但其在实际应用中的效果，仍取决于传感器在系统内的具体工作方式。
在实际应用中，由于测量目标的不同（例如提取角度等方向信息，或是直接测量绝对磁场强度），TMR传感器的配置也会有所区别。
这种差异衍生出了TMR传感器的两种主要工作模式：饱和模式与线性模式，我们将在下一节中详细探讨。
2.2 TMR传感器的饱和与线性工作模式
TMR传感器的配置主要取决于应用需求是获取磁场方向（角度测量）还是磁场强度（线性测量）。
角度传感器利用单片集成的磁阻元件来测量磁场的正弦和余弦分量。
在电力系统的线性测量应用中，例如XENSIV™ TLI5572可作为微型线性磁传感器，用于双向交流和直流电流的无芯电流感测。
这种差异（详见表1）在系统层面上意义重大，因为角度感测与线性感测在设计上的核心侧重点截然不同。
2.3 英飞凌XENSIV™涡旋TMR结构：提升线性度与抗交叉磁场稳健性
在紧凑且高度集成的系统中，传感设备的瓶颈往往不再是初始灵敏度，而是其在面临实际环境干扰时，能否保持一致的输出表现。
这一考量适用于广泛的应用场景，包括游戏控件、可穿戴设备以及其他空间受限设计中的紧凑型交互界面。
交叉磁场干扰、机械安装公差以及有限的磁场裕度，都会导致传感器输出行为不够理想，并增加不同个体之间的差异。
这些挑战对线性模式感测尤为严峻。由于其输出必须严格跟随绝对磁场强度，因此对各类外部干扰极为敏感。
传统的TMR结构所能提供的有效线性范围十分有限，这一直是实现稳健线性感测的瓶颈所在。
基于涡旋（Vortex）的TMR技术通过构建稳定的闭合磁通磁化结构有效解决了这一问题，从而对外部磁场表现出更加可控且可预测的响应特性。
该结构带来了以下优势：
• 更宽泛的可用磁场范围，最高可达±100 mT • 大幅改善线性度，在相关应用中的误差控制在0.5%以下 • 显著降低对交叉磁场的敏感度，抗干扰能力提升高达100倍 • 输出表现更加稳定，将磁滞效应和不连续性降至最低
这些特性在紧凑型感测环境中至关重要，因为在此类环境中，机械公差和外部干扰极易影响测量精度。
同时，它们确保了电流感测应用能够可靠地工作在线性模式下，这对于实现精准的磁场比例测量不可或缺。
2.4 单片CMOS与TMR的集成：打造紧凑且应用就绪的感测方案
尽管涡旋结构在器件层面大幅改善了线性感测性能，但系统的实际整体表现，仍取决于感测信号能否被高效处理并无缝集成到信号链中。
在许多系统设计中，传感元件本身只是一小部分挑战。更大的工程难点在于：如何在面临PCB走线、开关噪声、接口限制等复杂因素时，依然保持信号的完整性，并将其成功整合进控制或保护逻辑之中。
这在线性模式感测中尤为关键，因为此时的信号输出直接取决于磁场强度的绝对值。
应对上述挑战的一项关键技术突破，便是英飞凌推出的单片CMOS与TMR集成技术。该技术成功将传感与信号处理功能整合于单一芯片之上。
通过将大部分信号链直接内置于传感器中，这种设计不仅减少了对外围电路的依赖，还显著提升了系统的整体稳健性。
在系统层面上，这带来了诸多益处：更短的内部信号路径提升了信号完整性；降低了对外接放大和滤波电路的需求；增强了系统抵御噪声与环境变化的稳健性；并有助于实现更紧凑、更高效的系统设计。
综合来看，这些技术进展成功将TMR技术转化为了开箱即用的传感器解决方案。
3. 借助TMR技术在实际应用中实现高性能感测
现代电子系统很少将感测作为一项独立的功能来使用。在电机驱动器、机器人、电池供电工具和功率转换级中，传感器输出直接馈入控制和保护环路，这些环路必须在快速瞬态和电噪声条件下保持稳定。
在这些复杂的环境中，在感测点提升信号质量，通常是降低下游电路复杂性并确保在各类工作条件下维持精度的最有效手段。
这些功能与第2节中讨论的线性模式TMR感测的技术进步密切相关，正是这些进步，使得在真实的物理环境中进行准确且稳健的磁场测量成为可能。
以下示例仅作辅助说明而非穷举，重点展示了基于TMR的感测技术如何在工业、消费及安全相关应用中提供切实的系统级价值。
3.1 紧凑型交互界面中的位置感测（游戏与可穿戴设备）
紧凑型输入设备（尤其是游戏控制器和可穿戴设备）受限于极为狭小的机械空间和严格的功耗预算，同时对在整个产品生命周期内保持一致的手感有着更高的要求。
在此类几何外形和尺寸限制下，微小的机械位移和封装约束极易引入杂散磁场分量，这可能导致传感器输出不理想的传输特性，例如中心位置漂移或驱动响应不一致。
图 3a：a) 操纵杆/拇指摇杆感测可以使用两个用于X/Y倾斜的1D传感器（例如XENSIV™ TLI55910/50）或使用单个用于集成X/Y倾斜的2D TMR传感器（XENSIV™ TLV552D）来实现（上）
在游戏和PC外设设计中，XENSIV™ TLI55910/50线性磁传感器通常被配置用于拇指摇杆和操纵杆感测；同时，XENSIV™ TLI55910也被推荐用于鼠标点击或按压检测等应用。
XENSIV™ TLI55910和TLI55950均可应用于键盘单键感测以及其他紧凑型输入界面。从更广泛的意义上看，这些感测方案可延伸至对低功耗和稳定运行有重要要求的可穿戴设备领域。
在器件层面，XENSIV™ TLI55910是一款高灵敏度、低功耗的线性TMR位置传感器，适合电池供电的设备并在恶劣环境中保持稳定运行；而XENSIV™ TLI55950传感器则在此基础上提供了放大输出选项，能够为高灵敏度应用提供更高的信号电平并提升信号的可用性。
功能与核心优势摘要
• 低功耗与紧凑集成： XENSIV™ TLI55910线性传感器的突出特点是约0.25 mA的极低电流消耗以及紧凑的SOT23封装，有效支持了对低功耗和空间要求严苛的电池供电游戏界面及可穿戴设备。 • 出色的线性度与抗交叉磁场稳健性： XENSIV™ TLI55910/50传感器属于高信噪比（SNR）的模拟1D TMR传感器。得益于涡旋（Vortex）TMR技术，它们具备高线性度和抗交叉磁场干扰的稳健表现。 其他相关资料也强调了涡旋TMR技术在提供卓越线性度和强抗干扰能力方面的一致性能表现。 • 放大输出选项（适用于需要更高信号电平的场景）： XENSIV™ TLI55950是一款带有放大输出功能的线性TMR传感器，具备高灵敏度和超低噪声的特点。 选型指南中列出的目标应用示例包括电动工具扳机检测、服务机器人与无人机的角度感测，以及高精度双编码器配置。
设计建议
• 追求最低功耗与最小封装面积： 推荐使用 XENSIV™ TLI55910 线性传感器。 • 要求在紧凑机械结构中保持高度一致性： 推荐使用 XENSIV™ TLI55910/50 线性传感器（基于涡旋TMR技术），以获得更优的线性度和抗交叉磁场稳健性。 • 需要更高的输出信号幅度： 推荐使用 XENSIV™ TLI55950 线性传感器（内置信号放大输出）。
对于紧凑、可重复感测的同类需求也广泛存在于许多工业操纵杆和操作人员的控制面板设计中，这使得上述技术方案的适用范围远远超出了消费类电子产品。
应用场景： 拇指摇杆/操纵杆、按键开关、可穿戴设备、工业控制界面、鼠标按压检测。3.2 针对电力与运动系统的无芯电流感测（电动工具、机器人、风扇、能源等）
快速开关功率级和紧凑型电机驱动器对电流感测提出了日益严苛的要求，包括：更高的电流变化率（di/dt）、更强的电磁干扰（EMI）、更苛刻的空间限制，以及极其有限的散热裕度。
在此类复杂环境中，传感精度和响应速度将直接决定系统的整体性能。
无芯磁电流感测技术通过将感测元件与主电流路径在物理上隔离开来，巧妙地化解了这些挑战。
这不仅实现了无接触的电气隔离电流测量，避免了插入损耗，还能在宽泛的电流范围内维持极高的测量精度。
其高带宽特性可良好支撑快速控制环路，而低噪声表现则有助于在电噪声频发的条件下确保系统的稳定运行。
这些技术要求在工业能源及功率转换系统（如光伏逆变器和储能系统）中尤为关键。在这些系统中，电流测量的准确性直接关乎系统效率、控制稳定性以及保护机制的响应速度。
在闭环电机控制中，电流反馈数据直接决定了电机的扭矩响应和整个系统的稳定性。
这使得带宽、噪声水平和信号延迟成为了必须考量的实际设计约束，尤其是在紧凑型驱动器及快速开关功率转换级中更是如此。
无芯传感方案通过将物理隔离优势与高速控制环路所需的宽带和高质量信号完美结合，有效满足了上述严苛需求。
在人形机器人的执行器设计中，外部导轨电流感测技术可作为传统分流器测量法的实用替代方案。
通过将磁性TMR电流传感器安装在外部电流导轨上方，可以为同相电流测量提供一种结构紧凑、高度隔离且低损耗的途径。这为高动态执行器系统实现高效且响应迅速的运动控制提供了有力支持。
在典型的系统实现中，传感器会将输出信号作为模拟信号（AOUT）直接路由至微控制器（MCU）的模数转换器（ADC）中，用于后续的控制和监控，正如XENSIV™ TLx5572应用示意图所示。
3.3 固态系统中的过流保护应用（电子保险丝、固态继电器与智能断路器）
固态保护机制从本质上将故障处理转化为了一场时间的竞速：系统必须在极短时间内检测出过电流，并赶在设备受损前迅速切断供电路径。
这一点在高压（HV）固态保护及配电系统（如高压电子保险丝和固态断路器）中显得尤为关键。在这些应用中，电流感测元件与保护逻辑必须能够在快速开关切换的复杂环境下始终保持高可靠性。
功能与核心优势摘要：
• 集成感测与保护功能： XENSIV™ TLE5571电流传感器将无芯TMR电流感测技术与内置的过流检测（OCD）功能融为一体，实现了保护应用所需的极速响应。 • 采用差分测量提升稳健性： 该器件内置了两个TMR全桥以进行差分磁场测量，从而大幅提高了在电噪声环境下的工作稳定性。 • 高带宽支持快速瞬态检测： 该传感器的最小带宽高达2.5 MHz，能够支持在具有极高开关频率的碳化硅（SiC）/氮化镓（GaN）系统中进行超快瞬态电流检测。 • 面向高能效的系统设计： 无芯感测结构避免了引入额外的电阻和寄生电感，不仅保障了系统的高效运行，还极大降低了OCD误触发的风险。
3.4 面向安全应用的位置感测（汽车与工业驱动器）
图6展示了一种基于冗余信号路径的“故障可操作”（Fail-operational）转子/角度感测概念。在这种架构中，双芯片传感器能够向两个控制器提供完全独立的输出信号，从而支持构建类似XENSIV™ TLE5502D概念的高可用性系统。
这为系统设计释放了显著的成本节约潜力，因为只需采用单一的传感器封装件，即可实现系统级的故障可操作功能。
4. 结论
磁感测技术正被广泛推向消费、工业和汽车领域中那些体积更小、运行更快且电磁环境更复杂的系统之中。
面对这一趋势，隧道磁阻（TMR）技术通过在传感节点直接提供高质量的强信号，给出了有效的解决方案。它不仅支持紧凑的位置感测和高动态电流感测，还通过无芯、非接触式的测量方式成功避免了插入损耗。
在器件层面，英飞凌独创的XENSIV™涡旋TMR技术显著提高了紧凑型接口感测的线性度和抗交叉磁场干扰能力。这使得搭载XENSIV™ TLI55910/50等传感器的拇指摇杆和操纵杆运行更加稳定，并成功将这些卓越性能通过XENSIV™ TLV552D扩展到了二维感测领域。
在电源和运动控制系统中，诸如TLI5570和TLI5572等XENSIV™电流传感器实现了无芯化的电气隔离电流测量。其出色的带宽及低噪声性能，完全满足了快速控制环路与宽禁带功率级的严苛要求。
针对保护类应用，XENSIV™ TLE5571创造性地将差分感测、集成过流检测功能以及兆赫级的高带宽结合在一起，从而在高压固态电力系统（如电子保险丝和固态断路器）中实现了极速的保护响应。
在面向安全的运动控制领域，基于冗余传感器架构及安全就绪理念的设计（例如双芯片封装），有力支持了系统的故障可操作性，并完全契合ISO 26262等功能安全标准的规范。
综上所述，这些实际案例充分证明了，XENSIV™磁感测技术能够为下一代电子系统提供全面且可扩展的传感解决方案。其应用场景广泛覆盖了从紧凑型用户界面、大功率驱动器，直至固态保护以及安全关键型运动控制等多个前沿领域。
