CN102608384B - 电流差传感器、系统和方法 - Google Patents
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Abstract
实施例涉及电流差传感器、系统和方法。在一个实施例中，一种电流差传感器包括：彼此相对布置的第一和第二导体，使得当第一电流流经第一导体且与第一电流相等的第二电流流经第二导体时，第一导体中引入的第一磁场和第二导体中引入的第二磁场在第一位置和第二位置彼此抵消；以及第一和第二磁场感测元件，分别布置在第一和第二位置。
Description
技术领域
本发明一般涉及电流传感器且更具体而言涉及例如适于感测小电流差的电流差传感器。
背景技术
常规电流差感测系统通常使用环形铁素体。两个引线耦合到环，使得两个电流在相反的方向中流过环且它们的通量贡献相抵消。如果两个电流不同，净通量被铁素体所运送，其可以通过次级绕组检测且被电子处理。
尽管这种系统能够有效地用于检测电流差，它们仅提供有限的信息。例如，它们可以检测 |I1–I2| 是否大于阈值，但是不提供关于I1+I2 或I1–I2的任何可靠信息。
因此，对于改善的电流差感测系统和方法存在需求。
发明内容
公开了电流差传感器、系统和方法。在一个实施例中，一种电流差传感器包含：彼此相对布置的第一和第二导体，使得当第一电流流经第一导体且与第一电流相等的第二电流流经第二导体时，第一电流导致的第一磁场和第二电流导致的第二磁场在第一位置和第二位置彼此抵消；以及第一和第二磁场感测元件，布置为检测第一和第二磁场。
在一个实施例中，一种方法包含：引入在第一导体中流动的第一电流；引入在第二导体中流动的第二电流；布置第一和第二导体，使得当第一和第二电流基本相等时，第一和第二电流导致的总磁场其中至少一个分量在至少两个位置几乎为零；在该至少两个位置定位磁场传感器；以及基于感测的磁场确定第一和第二电流之间的差。
在一个实施例中，一种方法包含：布置与第二导体空间隔开且基本平行于第二导体的第一导体；在第一和第二导体附近布置管芯；以及在管芯的第一表面上布置多个磁场感测元件以分别检测第一和第二导体中的第一和第二电流导致的磁场且基于磁场确定第一和第二电流之间的差。
附图说明
结合附图考虑本发明的各个实施例的下面的更详细的描述，将更透彻地理解本发明，附图中：
图1示意根据一个实施例的电流差传感器的侧剖面图，
图2示意根据一个实施例的电流差传感器的侧剖面图，
图3示意根据一个实施例的电流差传感器的侧剖面图，
图4示意用于根据一个实施例的各个管芯和导体布置的磁场的图示，
图5示意根据一个实施例的电流差传感器的侧剖面图，
图6示意根据一个实施例的电流差传感器的侧剖面图，
图7示意根据一个实施例的电流差传感器的侧剖面图，
图8示意根据一个实施例的电流差传感器的侧剖面图，
图9示意根据一个实施例的正交磁场传感器元件，
图10A示意根据一个实施例的电流差传感器的侧剖面图，
图10B示意图10A的电流差传感器的顶面图，
图11示意根据一个实施例的电流差传感器的侧剖面图，
图12示意根据一个实施例的电流差传感器的侧剖面图，
图13示意根据一个实施例的电流差传感器的顶面图，
图14A示意根据一个实施例的电流差传感器导体的顶面图，
图14B示意根据一个实施例的电流差传感器导体的顶面图，
图14C示意图14A和14B的电流差传感器导体的顶面图，
图14D是图14A-14C的电流差传感器的侧剖面图。
尽管本发明易于具有各种修改和备选形式，将在附图中以举例的方式示出且将详细地描述其细节。然而，应当理解，本发明并不将本发明限制于描述的特定实施例。相反，本发明覆盖落在所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等价和备选。
具体实施方式
实施例涉及电流差传感器。在各个实施例中，电流差传感器能够比较两个电流且检测其间的差。在一个实施例中，对于约零至30A的范围中的电流，检测的差能够小至约10mA，不过在其他实施例中这可以变化。另外，实施例能够提供诸如低于约1微秒的减小的延时，且提供关于 I1+I2以及I1–I2的信息。再者，实施例尺寸很小、抗干扰鲁棒且廉价。
实施例包含两个导体，这两个导体布置为使得相等的电流在其中经过，每个导体的磁场贡献在能够布置感测相同磁场分量的磁场传感器元件的点相抵消。不相等或差电流则能够被检测，分量相减以抵消均匀背景场。
参考图1，示意了电流差传感器100的一个实施例。传感器100包括在两个不同平面或水平面上彼此空间隔开的两个导体102和104。管芯106在第三平面或水平面上布置在他们之间，且两个磁阻（MR）108和110布置在管芯106上。MR 108和110彼此空间隔开且分别布置靠近导体102和104之间的中点的平面上，且因而介于导体102和104中的电流I1和I2之间。在实施例中，MR 108和110能够包含各向异性MR、巨MR或一些其他MR效应技术。
然而，由于装配容差和其他因素，实际上实践中不可能确切地将MR 108和110定位在导体102和104之间的中点。因此MR 108上的所得磁场Bx1和MR 110上的所得磁场Bx2如下：
Bx1 = (K + dK) * I1 – (K – dK) * I2
Bx2 = (K’+ dK’) * I1 – (K’ – dK’) * I2
Bx1–Bx2 = (K-K’) * (I1 – I2) + (dK – dK’) * (I1 + I2)
差测量Bx1-Bx2因而被电流I1+I2的和破坏。该问题的一个解决方案是在管芯106的顶面上提供若干MR且然后选择具有（I1+I2)的最佳抑制的MR。因为这一般不是好的解决方案，另一解决方案是向传感器100增加霍尔板，第一H1靠近MR 108布置且第二H2靠近MR 110布置。则：
H2 – H1 = Kz * (I1 + I2)
这导致：
I1–I2=[(Bx1–Bx2)/(K–K’)]–[(dK–dK’)*(H2–H1)/(Kz * (K–K’))]
该配置的优点在于其具有低电阻，因为在一个实施例中，导体102和104是简单的直条。另外，能够获得关于I1+I2和I1-I2的信息。
图2中示意了另一实施例，其中管芯106相对于导体I1和I2的平面以稍微倾斜的取向安装。管芯106的倾斜角度能够改变，但是一般配置成比最差情况装配容差大。另外，多个MR 108和110布置在管芯106的顶面上。尽管在图2中仅MR 108和110可见，传感器100的该实施例包含在管芯106的顶面上沿着x轴以例如间隔25微米的栅格布置的附加MR。在其他实施例中，间距能够变化。在装配传感器100之后，所有MR 108和110以及栅格的信号被测试，且对于I1+I2具有最低灵敏度的那些被选择。
图3中示意了另一实施例，其中，在导体102和104之间引入小的大体任意横向不对称。和图2中的实施例一样，MR 108和110以及图3中不可见的其他MR的栅格布置在管芯106的顶面上，且对于I1+I2具有最低灵敏度的那些被选择。在一个实施例中，导体102和104均为约6mm×1约mm，且在实施例中在x方向彼此相对偏移小于约1mm，且在一个实施例中偏移约0.2mm。
因为装配容差，用于本示例性实施例目的，假设管芯106关于导体102和104的对称中心倾斜约1.5度。还参考图4，示意了5个不同方案的磁场Bx，对于所有的，I1=I2=30A且z=0.5mm。对于方案1，管芯206（从中心）向导体104偏移100（μm）。对于方案2，管芯206（从中心）向导体104偏移50μm。对于方案3，管芯206处于中心。对于方案4，管芯206向导体102偏移50μm。对于方案5，管芯206向导体102偏移100μm。
在后端测试中，在管芯106安装在导体102和104之间之后，如前所述在管芯106的顶面上以栅格布置的MR 108-108n以及110-110n的电压差能够被测量。注意，在实施例中，MR 108-108n以及MR 110-110n的栅格可以重叠或可以不重叠。如图4所示意，相应栅格不重叠。相对于（I1+I2）具有最低灵敏度的两个MR能够被选择。图4示出对应于5个不同方案1-5的5个曲线1-5，其中每个曲线代表平行于管芯表面的磁场与x位置的关系。 对于方案1，图4示出MR 108n上的场等于MR 110n上的场，所以差为零。因而，在下线测试中，能够通过选择MR 108n和MR 110n调整传感器100。对于图4中的方案5，MR 108上的场与MR 110上的场相同。因此，在调整过程中能够选择这两个MR。这使得在实施例中，可以调整传感器100，使得它不响应（I1+I2）而是仅（I1-I2）。MR的任意失配也通过该过程调整。
再次参考图3，概念能够被一般化。导体102和104具有类似的形状且运送相同的电流，使得在两者的中点，导体102和104的相应磁场很大程度上抵消，在某种意义上，总场的幅度比单个导体导致的场的幅度小的多，例如是其100或1000分之一。导体102和104形成为具有小的不对称，使得对导体102和104以及管芯106之间的所有装配容差，两个导体102和104中的相同电流导致的横向磁场在某一位置x呈现小峰值。对于所有容差，存在至少一个峰值左边的MR（108或110）以及一个峰值右边的MR（110或108），两个MR 108和110上的横向磁场相同。
图3中示意的不对称通过稍微相对于导体102横向地偏移导体104获得。在另一实施例中，导体104可以做得比导体102稍宽，使得如图4所示定位每个的右边缘而左边缘齐平。在又一实施例中，导体102或104其中之一的横截面积能够是渐变的，使得（相对于纸张上绘图取向在垂直方向）它在左侧比在右侧厚，或反之亦然。或者，两个导体102和104均能够是渐变的，定位为使得一个的较厚端与另一个的较薄端齐平。
其他实施例也是适用的。在图5的实施例中，传感器100包含安装到印刷电路板（PCB）114的底面的第一和第二导体102和104以将导体102和104与安装到PCB 114的顶面的管芯106隔离。在实施例中，PCB 114能够被一些其他不导电结构代替，该不导电结构例如包含玻璃、瓷或一些其他合适的材料。三个MR 108、110和112安装在管芯106的顶面。在一个实施例中，MR 108和110分离1.25mm，且MR 110和112分离1.25mm，使得MR 108和112分离2.5mm，不过这些尺寸在实施例中能够变化。使用流入到如图5示意的绘图平面中的导体102和104中的电流，MR 108根据通过导体102的电流检测强场，且根据通过导体104的电流检测弱场，而相对于通过导体102的电流MR 112更强地响应通过导体104的电流。MR 110同等地响应导体102和104中的电流，使得MR 110上的场与导体102和104中的电流的和成比例，而其它MR 108和112上的场既不与电流的纯和也不与电流的纯差成比例而是与二者的组合成比例。
与图5的实施例相伴的一个挑战在于平衡灵敏度和饱和度。希望高灵敏度来测量小磁场，但是诸如减小导体102和104以及MR 108、110和112之间的垂直距离和/或导体102和104的截面尺寸之类的增加灵敏度的努力能够将MR带入饱和，使得不再能够检测更大的电流差。然而，这种实施例能够适合于各种所需应用。
另一实施例在图6中示意，其中传感器100包含3个导体102、103和104。中心导体103能够用于“调节”传感器100，使得无需磁场获得定位，且MR 108和110然后能够相应地布置以看不见净场。在一个实施例中，导体102和104均为约1.2mm×约1.2mm，且导体103为约1.7mm×约1.7mm。管芯106耦合到晶片116，其约为20μm厚且在实施例包含玻璃或瓷或一些其他合适的材料且包括直通通孔120。在实施例中，使用诸如纳米胶的导体填充通孔120。在一个实施例中，管芯106的硅磨削到约30μm且在其顶面粘合性地结合到晶片116。（多个）管芯106然后被切割或以其他方式形成为矩形，且（多个）底面和侧壁覆盖有低温二氧化物或氧化硅（SiOx）。在一个实施例中，二氧化物约为15μm厚。在一个实施例中，MR 108和110间隔约x=2mm且与导体102-104的顶面分离约z＝50μm。导体102-104、管芯106和晶片116被铸模化合物118覆盖。
在一个实施例中，电流通过中心导体103流入绘图平面（如图6所示）且通过外部导体102和104流出绘图平面（同样，如图6所示），每个外部导体运送一半的电流。MR 108和110形成桥且布置在导体103的磁场以及导体102和104中任意一个的磁场在相等的电流抵消的位置。
图6的传感器100的另一改变在图7中示意，其中传感器100包含双管芯封装。在一个实施例中，一个MR 108耦合到上管芯106a，且另一个MR 110耦合到下管芯106b，MR 108和110位于相同的轴上。在一个实施例中，导体102和104类似于导体103，且为约1.7mm×约1.7mm。这种实施例能够提供获得关于（I1+I2）的信息且改善场的背景抵消的优势。在图7的传感器100的一个实施例中，可以省略晶片116。
因为装配容差以及其他因素，可能难以在图7中的虚垂直线表示的相同轴上布置MR 108和110。因此，图8中示意的传感器100的另一潜在更鲁棒的实施例能够通过包括附加MR 109和111来解决该挑战。在一个实施例中，导体102和104均为约0.9mm×约1.7mm，且导体103为约1.7mm×约1.7mm。在一个实施例中，导体102-104被浇铸到玻璃122中，且接触124耦合PCB 114a和114b。在实施例中，MR 108-111与导体102-104分离z约等于250μm。
操作中，电流I1流经导体103，而电流I2分成两半，每一半均在电流I1的相反方向流经导体102和104其中之一。MR 108和109的信号相加，MR 110和111的信号也如此，然后从前者减去后者。因为MR 108和110经历强I1场，而MR 109和111经历I1的相反极性的强I2场，MR 108-111的横向定位偏移被补偿。在玻璃中浇铸导体102-104帮助避免由于湿度和其他因素导致的随寿命的尺寸变化。
然而图8的实施例的潜在缺点在于双管芯解决方案的花费。在各个实施例中，温度也可能是问题。为了提供温度补偿，能够添加正交MR，其一个实施例在图9中示意。图9示意两个MR 108和110，每一个具有形成半桥的正交MR 108'和110'。 包含附加MR（诸如此处讨论的MR的栅格）的实施例能够类似地包含附加正交MR。操作中，且使用如图9示意的巴伯(barber)极，MR 108和110对于x方向的弱场敏感，而MR 108'和110'对于-x方向的弱场敏感。MR 108和108'以及110和110'的靠近布置确保了每一个能够看见相同的磁场和温度。每个半桥的信号U1和U2因此是温度补偿的。
传感器100的另一实施例在图10中示意。在该实施例中，传感器100包含单个管芯106，三个MR 108、109和110安装在其顶面。尽管在实施例中尺寸能够变化，在一个实施例中，管芯106能够为约4mm×约1.75mm，厚度约为200μm，且MR 108和110间隔x约等于4mm。类似于图8的实施例，4个导体102、103、104和105被浇铸到玻璃122中，在一个实施例中，导体102-105的顶面与MR 108-110间隔z约等于250μm。如图10B所示意，导体102-105包含导体部分，导体102和105与连接部分101形成第一大体U形导体元件，且导体103和104与连接部分107形成第二大体U形导体元件。在一个实施例中，如图10A中示出的导体102-105中的每一个的剖面为约1.7mm×约1.7mm。在图10B中，导体102和105的长度是y约等于10mm且连接部分101的宽度x约等于8.3mm。在示意的实施例中，导体102-15的相邻两个之间分离的距离x约等于0.5mm。
图10的实施例的优点包括单管芯，这是较不昂贵的且提供较简单的装配，因为它不需要用于与第二管芯通信的引脚。单管芯还提供MR传感器元件的失配的较少机会以及改善的温度均匀性。在一个实施例中，图10的MR能够包含诸如图9中示意且如上所述的正交MR。
图11中示意的传感器系统100类似于图10的但是除了MR之外还包含三重霍尔元件128、129和130系统以测量电流I1+I2的和。图11的实施例的优点包括相对于干扰的增加的鲁棒性以及改善的干预电阻。
另一方面，霍尔元件128-130应当定位为靠近导体102-105。因此，另一实施例（未示出）包含管芯106的底面上的霍尔元件128-130以及管芯106的顶面上的MR。在这种实施例中，管芯106能够为约200 μm厚。
备选地，如图12的实施例中示意性示出，AMR 108和110能够实现为测量I1+x*I2(x<<1)。在一个实施例中，AMR 108和100能够定位在能够约为200μm厚的管芯106的顶面上，使得AMR 108和110与导体102-15的顶面之间分离的距离z约为250μm。尽管不如图11中的三重霍尔实施例那样鲁棒，这种系统相对于背景场总体鲁棒。由于通过电流I2的导体102和105以及AMR 108和110之间的距离，发生小阻尼效应x。
在图13的实施例中，省略I2的返回路径，使得仅实现三个导体102-104。然而，导体102-104能够做得较宽，诸如对于导体103和104其中的每一个，x约等于3.5mm，且对于导体102，x约等于6mm，且消耗减小约50％。在一个实施例中，导体103和104之间分离的距离仍为x约等于0.5mm，且在一个实施例中，导体102的长度y约为10mm。
另一实施例在图14中示意，其中传感器系统100包含多级导体132，其至少有些类似于上面参考图1-4讨论的实施例。在一个实施例中，导体132（图14C）包含第一层134（图14A）和第二层136（图14B）。在一个实施例中，隔离层138定位在管芯106和导体水平面136之间以及导体水平面136和导体水平面134之间。
公开了电流和电流差感测和确定系统的各种实施例。通过提供在保持尺寸小的同时能够测量电流流动（I1+I2）和泄露电流（I1-I2）的单个传感器系统，实施例能够是有利的，当与常规差电流传感器系统相比时，相对于干扰鲁棒且廉价。实施例还能够与隔离电压传感器组合以获得满功率测量。
此处描述了系统、设备和方法的各种实施例。这些实施例通过举例的方式给出且并不旨在限制本发明的范围。此外，应当意识到，描述的实施例的各种特征可以以各种方式组合以产生各种附加实施例。此外，尽管与公开的实施例一起描述了各种材料、尺寸、形状、配置和位置，可以使用描述的这些之外的其他规格而不超出本发明的范围。
相关领域技术人员将意识到本发明可以包含比上述任意相应实施例中所述的特征更少的特征。此处描述的实施例并不意味着本发明的各种特征可以组合的方式的排他性表示。因此，实施例并不互相排斥特征的组合；而是，如本领域技术人员所理解，实施例可以包含从不同相应实施例选择的不同相应特征的组合。
参考上述文档的任意结合限制为使得并不结合与此处明确的公开内容相反的主旨。参考上述文档的任意结合还限制为使得包括在文档中的权利要求并不通过此处的引用结合。参考上述文档的任意结合还限制为使得除非此处明确包括，在文档中提供的任意限定并不通过此处的引用结合。
用于解释本发明的权利要求的目的，明确地表明，除非在权利要求中引用特定术语“用于...的装置”或“用于...的步骤”，并不调用35USC的第六段的部分112的规定。
Claims (24)
1.一种电流差传感器，包括：
彼此相对布置的第一和第二导体，使得当第一电流流经第一导体且与第一电流相等的第二电流流经第二导体时，第一电流导致的第一磁场和第二电流导致的第二磁场在第一位置和第二位置彼此抵消；
第一和第二磁场感测元件，布置为检测第一和第二磁场；以及
耦合到该第一和第二磁场感测元件以确定第一和第二磁场之间的差的电路。
2.根据权利要求1所述的传感器，还包括管芯，该第一和第二磁场感测元件布置在管芯的第一表面上。
3.根据权利要求2所述的传感器，其中该管芯布置在第一和第二导体之间。
4.根据权利要求3所述的传感器，其中该第一导体布置在第一平面中，该第二导体布置在第二平面中，该管芯布置在第三平面中，第一和第二平面基本平行。
5.根据权利要求4所述的传感器，其中该第三平面基本平行于该第一和第二平面。
6.根据权利要求5所述的传感器，其中该管芯的第一表面基本在第一和第二导体之间等距地间隔。
7.根据权利要求6所述的传感器，其中该第一和第二导体相对于彼此横向不对称地布置。
8.根据权利要求7所述的传感器，其中该第一和第二导体横向不对称地布置小于1毫米。
9.根据权利要求7所述的传感器，其中每个导体的横向尺寸相差小于1毫米。
10.根据权利要求2所述的传感器，还包括布置在管芯的第一表面上的至少一个附加磁场感测元件。
11.根据权利要求10所述的传感器，还包括多个磁场感测元件，该第一和第二磁场感测元件属于该多个中的两个。
12.根据权利要求11所述的传感器，其中该第一和第二磁场感测元件从该多个磁场感测元件选出，具有对于第一电流和第二电流的和的低灵敏度和对于第一电流和第二电流之间的差的高灵敏度。
13.根据权利要求1所述的传感器，还包括耦合到该第一和第二磁场感测元件且配置成基于来自磁场感测元件的感测的信息计算第一和第二电流的和和差的电路。
14.一种确定电流差的方法，包括：
引入在第一导体中流动的第一电流；
引入在第二导体中流动的第二电流；
布置第一和第二导体，使得当第一和第二电流基本相等时，第一和第二电流导致的总磁场其中至少一个分量在至少两个位置几乎为零；
在该至少两个位置定位磁场传感器；以及
基于感测的磁场确定第一和第二电流之间的差。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括确定第一和第二电流的和。
16.根据权利要求14所述的方法，还包括在第一平面中布置第一导体且在基本平行于第一平面的第二平面中布置第二导体。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括在该第一和第二导体之间布置硅管芯。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括在该硅管芯的顶面上布置多个磁场传感器，该顶面定位为基本处于第一和第二导体之间的中点。
19.根据权利要求17所述的方法，其中布置还包括相对第二导体横向不对称地布置第一导体。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括通过从多个磁场传感器选择对于第一电流和第二电流的和具有最低灵敏度的第一和第二磁场传感器来调整所述方法。
21.一种确定电流差的方法，包括：
布置与第二导体间隔开且基本平行于第二导体的第一导体；
在第一和第二导体附近布置管芯；以及
在管芯的第一表面上布置多个磁场感测元件以分别检测第一和第二导体中的第一和第二电流导致的磁场且基于磁场确定第一和第二电流之间的差。
22.根据权利要求21所述的方法，其中布置第一导体还包括相对于第二导体横向不对称地定位第一导体。
23.根据权利要求21所述的方法，其中布置管芯还包括基本平行于第一和第二导体布置管芯。
24.根据权利要求21所述的方法，还包括引入在第一和第二导体其中至少一个中流动的电流。
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