CN104034943A - 一种基于差分布线的pcb罗氏线圈电流感应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于差分布线的PCB罗氏线圈电流感应器，包括PCB板，PCB板上开设有通孔、内径导孔对和外径导孔对，内径导孔对和外径导孔对沿PCB线圈的圆心分布；外径导孔对和内径导孔对均包括一对间隔预定距离、且距离圆心相等的导孔，PCB板上还设置有一个公共端过孔和一对差分布线铜箔，公共端过孔位于某一外径导孔对的对称线上，该外径导孔对的外径导孔分别为第一差分铜箔线的起点、第二差分铜箔线的终点；公共端过孔为第一差分铜箔线的起点及第一差分铜箔线的终点；第一差分铜箔线和第二差分铜箔线依次穿过内径导孔对和外径导对形成两个平行的线圈。本发明由于采用了差分布线，差分信号严格对称，有很好的抗干扰能力。

Description

一种基于差分布线的PCB罗氏线圈电流感应器

技术领域

本发明涉及电流互感器，具体涉及一种新基于差分布线的PCB罗氏线圈电流感应器。

背景技术

基于目前的技术水平，在电子式电流互感器领域中，有源式空心线圈电流互感器的性能较为稳定，基本能够满足实用性的要求，所以得到了国内外电力行业的普遍重视，成为当前研究和应用的重点。

罗氏线圈（Rogowski Coil，全称罗哥夫斯基线圈，由于罗氏线圈不含铁芯，也称空心线圈）是一个均匀缠绕在非铁磁性材料上的环形线圈，输出信号是电流对时间的微分，通过一个对输出的电压信号进行积分的电路，就可以真实还原输入电流。该线圈具有电流可实时测量、响应速度快、无磁饱和问题，适用于大电流测试、几乎没有相位误差、带宽范围大等的特点，故其可应用于继电保护，可控硅整流，变频调速，电阻焊等信号严重畸变以及电炉、短路测试、雷电信号采集等大电流的场合。

如图1所示，传统的罗氏线圈是将漆包线在（非磁性）骨架绕制而成的环形线圈，在输出端通过积分电路将信号还原，其主要理论依据是法拉第电磁感应定律和安培环路定律，当待测载流导体与线圈平面垂直、且位于线圈中心时，由右手定则可知，待检测的载流导体所产生的磁力线沿圆周方向，由于载流导体电流会变化，从而使穿过线圈的磁通量发生改变，进而导致线圈产生感应电动势，线圈的输出电压V=-[(A.N.u)/l].di/dt，其中，A为线圈的截面积、N为线圈匝数、u为空气磁导率、l=2πr，之后，通过对积分电路的测量反过来求出待测的载流导体的电流，详细说明请参阅http://en.wikipedia.org/wiki/Rogowski_coil。

但由于线圈的绕制工艺，在批量生产时难于保证一致性（参数表现主要为电感量、阻抗等），难于保证其测量精度，需要对超出误差的线圈进行单独的修正，导致生产成本和售后费用飙升。同时线圈在宽温度的工作环境下，由于温度变化引起形状变化（参数表现主要为电感量、阻抗等的变化），难于在宽温度保证其测量精度，需在电路上进行温度补偿，为了不丧失带宽，还需要阻抗的补偿，其电路设计难度大、成本高。

上述罗氏线圈的问题可以通过PCB罗氏线圈克服，由于PCB罗氏线圈使用印制工艺，目前已经达到1mil的精度（1mil = 25.4微米），很好的保证了批量生产的一致性。铜箔厚度和板材介电常数【FR4（FR4是一种耐燃材料等级的代号，所代表的意思是树脂材料经过燃烧状态必须能够自行熄灭的一种材料规格）的介电常数为4.5，损耗角小于0.03）的一致性，很好的保证了阻抗的一致性。目前，FR4型电路板高频响应能达800MHz（延时为光速的150%）。

另外，膨胀系数低的板材（FR4型大约为6ppm/℃）和高精度的铜箔布线，在批量产品中温度引起的电感量和阻抗变化曲线是一致的，便于在电路进行相同的补偿。

如图2a、图2b和图2c所示，现有的PCB罗氏线圈（该PCB罗氏线圈的图片来自于http://www.hindawi.com/journals/ame/2013/375301/fig2/ ）是将一根漆包线绕制在环形的电路板上来形成PCB罗氏线圈，其计算模型如图3所示，待测载流导体的电流为i（t）、线圈产生的电动势为u、线圈的匝数为N、互感系数M、磁场强度H、μ0为PCB磁导率，利用安培（环路）定律 H(x) = i（t）/2πx，可推导出：

其中，

通过积分电路对线圈所产生的感应电动势u的测量和检测，从而反过来求出待测载流导体中的电流；其中，该计算模型的计算方式已在“中国电机工程学报、第28卷，第15期中，关于‘PCB空心线圈位置误差分析与控制’”中进行了详细描述，此处不作详述。

但由于现有的PCB罗氏线圈多是把传统的罗氏线圈在PCB的简单复制，因此，现有的PCB罗氏线圈仍然不能克服易受到电磁干扰、抗干扰差、必须短距离传输信号等技术缺陷。

因而现有技术还有待改进和提高。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种基于差分布线的PCB罗氏线圈，采用差分布线代替现有的PCB罗氏线圈的单根走线，解决现有的PCB罗氏线圈存在的不能克服易受到电磁干扰、抗干扰差、必须短距离传输信号等技术缺陷。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种基于差分布线的PCB罗氏线圈电流感应器，包括PCB板，所述PCB板上开设有通孔、若干围绕所述通孔的内径导孔对和外径导孔对，所述内径导孔对沿内半径圆周均匀分布，所述外径导孔对沿外半径圆周均匀分布，且内半径圆周与外半径圆周同圆心；所述外径导孔对包括一对间隔预定距离、且距离圆心相等的外径导孔；所述内径导孔对包括一对间隔所述预定距离、且距离圆心相等的内径导孔；

所述PCB板上还设置有一个公共端过孔和一对差分布线铜箔，所述差分布线铜箔包括第一差分铜箔线和第二差分铜箔线；所述公共端过孔位于某一外径导孔对的对称线上，该某一外径导孔对的外径导孔分别为第一差分铜箔线的起点、第二差分铜箔线的终点；所述公共端过孔为第二差分铜箔线的起点及第一差分铜箔线的终点；

所述第一差分铜箔线和第二差分铜箔线依次穿过所述内径导孔对和外径导对在PCB板上走线形成两个平行的线圈。

所述的基于差分布线的PCB罗氏线圈电流感应器中，在内径导孔对一侧所述第一差分铜箔线与第二差分铜箔线之间形成的夹角大于，外径导孔对一侧所述第一差分铜箔线与第二差分铜箔线之间形成的夹角。

所述的基于差分布线的PCB罗氏线圈电流感应器中，在PCB板的正面上设置第一闭环铜箔，第一闭环铜箔位于所述通孔和内径导孔对之间。

所述的基于差分布线的PCB罗氏线圈电流感应器中，在PCB板的背面上对应设置有第二闭环铜箔。

所述的基于差分布线的PCB罗氏线圈电流感应器中，所述预定距离为5mil。

所述的基于差分布线的PCB罗氏线圈电流感应器中，所述通孔为与内半径圆周同圆心的圆孔。

相较于现有技术，本发明提供的一种基于差分布线的PCB罗氏线圈电流感应器，由于采用了差分布线，而且差分信号严格对称，具有很好的抗干扰能力，而且本发明还由于采用差分传输，大大延长了连接PCB线圈的距离，大大提高了信噪比。

附图说明

图1为现有罗氏线圈测量电流的应用示意图。

图2a为现有PCB罗氏线圈正面结构示意图。

图2b为现有PCB罗氏线圈背面结构示意图。

图2c为现有PCB罗氏线圈截面示意图。

图3现有PCB罗氏线圈的计算模型的示意图。

图4为本发明基于差分布线的PCB罗氏线圈电流感应器的一较佳实施例的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种基于差分布线的PCB罗氏线圈电流感应器，通过差分布线的方式使阻抗分布均匀，容易实现良好的阻抗匹配，保证了带宽，容易设计出合符带宽要求的积分电路。并且由于使用了差分走线，容易计算出阻抗，降低了电路的设计难度，也保证了批量生产的一致性。本发明更进一步的改进在于，减少φLB角度，增大φLA角度，有利于减少垂直PCB面方向的截面积，同时增加一个由铜箔组成的闭环，进一步削弱了垂直于PCB面的磁力线干扰。

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图4所示，本发明提供的基于差分布线的PCB罗氏线圈电流感应器包括PCB板1，所述PCB板1上开设有通孔10、若干围绕所述通孔10设置的内径导孔对2和外径导孔对4，该若干内径导孔对2和外径导孔对4分别形成内半径圆周和外半径圆周，且半径圆周和外半径圆周配合所述通孔10形成环状，所述通孔10为与内半径圆周同圆心的圆孔。

其中，所述内径导孔对2沿内半径圆周均匀分布，所述外径导孔对4沿外半径圆周均匀分布，内半径圆周与外半径圆周同圆心，且该内半径圆周与外半径圆周的半径可根据产品实际规格设置。所述外径导孔对4包括一对间隔预定距离LW、且距离圆心相等的外径导孔41、42；所述内径导孔对2包括一对间隔所述预定距离LW、且距离圆心相等的内径导孔21、22。

所述PCB板1上还设置有一个公共端过孔31和一对差分布线铜箔S，所述差分布线铜箔S包括第一差分铜箔线S+和第二差分铜箔线S-，两差分铜箔线的距离也为所述预定距离LW。所述公共端过孔31位于某一外径导孔对4的对称线上，所述公共端过孔31与该某一外径导孔对4构成积分电路的接线口20。该某一外径导孔对4的外径导孔41、42分别为第一差分铜箔线S+的起点、第二差分铜箔线S-的终点；所述公共端过孔31为第二差分铜箔线S-的起点及第一差分铜箔线S+的终点。所述差分布线铜箔S中的两条差分铜箔线依次穿过所述内径导孔对2和外径导也对4在PCB板1上走线形成两个平行的线圈。

其中，所述接线口包括三个插孔，中间的插孔为公共线201的接线孔、两边的插孔分别为+差分线的接线孔和-差分线的接线孔。由于本发明采用差分传输，大大延长了积分电路连接PCB罗氏线圈电流感应器的距离，提高了信噪比。另外，本发明使用差分走线，使PCB线圈的布线方式简单、阻抗分布均匀，容易实现良好的阻抗匹配，保证了带宽，而且阻抗容易计算，降低了电路的设计难度，保证了产品批量生产的一致性。

具体实施时，先在PCB板1上确定的线圈的内径r和外径R对应地的内半径圆周和外半径圆周，外径导孔对4沿半径R圆周均匀设置分布n个，内径导孔对2也沿半径r圆周均匀设置分布n个，且外径导孔对4与内径导孔对2交错分布，本实施例中，每个内径导孔对2位于与其相邻的两个外径导孔对4的中间，且每个外径导孔对4位于与其相邻的两个内径导孔对2的中间。

第一差分铜箔线S+从接线口20的+端口（即上述某一外径导孔对4的一个外径导孔41）开始，从PCB板1的正面穿过相应的内径导孔21形成第一正面径向段7，然后再从PCB板1的背面穿过与该内径导孔相邻的外径导孔41形成第一背面径向段8（由于该第一背面径向段8在PCB板的背面，图4中用虚线表示），依次沿顺时针方向绕设第一差分铜箔线S+，最终从公共端过孔31中引出。

第二差分铜箔线S-从公共端过孔31开始，从PCB板1的正面穿过相应的内径导孔22形成第二正面径向段6，再从PCB板1的背面穿过与该内径导孔相邻的外径导孔42形成第二背面径向段9（由于该第二背面径向段9在PCB板的背面，图4中用虚线表示），依次沿顺时针方向绕设，最后从接线口20的-端口引出（即上述某一外径导孔对4的另一个外径导孔42引出），图4中的弧形虚线表示省略的第一差分铜箔线和第二差分铜箔线。

本实施例中，所述预定距离LW为5mil，即第二正面径向段6与第一正面径向段7之间的距离为5mil，且第一背面径向段8与第二背面径向段9的距离也为5mil，并且导孔对中两个导出的距离也为5mil。

请继续参阅图4，在内径导孔对2一侧，所述第一差分铜箔线S+与第二差分铜箔线S-之间形成的夹角，大于外径导孔对一侧，所述第一差分铜箔线S+与第二差分铜箔线S-之间形成的夹角。即：第一正面径向段7与第二背面径向段9之间的夹角φLA，大于第一差分铜箔线S+与第二差分铜箔线S-穿过所述公共端过孔31时所形成的夹角φLB，并且夹角φLA、夹角φLB交错循环设置。

由于，磁通量Φ正比于磁感应强度B和正对面积S，即Φ=BS，本发明通过减少夹角φLB的角度、增大夹角大φLA角度，相当于减少正对面积S即有利于减少垂直PCB面方向的截面积。

进一步的，与现有技术（如图2所示的PCB罗氏线圈）相比，在PCB板1的正面上设置第一闭环铜箔101，第一闭环铜箔101位于所述通孔10和内径导孔对2之间；并且在PCB板1的背面上对应设置有第二闭环铜箔，通过增加第一闭环铜箔101和第二闭环铜箔，高斯磁定律指出通过一闭曲面的磁通量为零，在本实施例中垂直PCB面方向，通过第一闭环铜箔101和第二闭环铜箔的磁通量为零，进一步削弱了垂直于PCB面的磁力线干扰。而对于圆周方向（需采集的信号），“闭环铜箔”变成“开环铜箔”（即内、外径导孔对形成的铜箔），并不会影响通过差分线的磁通量。

在本发明的基于差分布线的PCB罗氏线圈电流感应器中，当待测载流导体通以电流时，载流导体中电流随着时间的变化，差分线圆周方向的磁力线变化（需采集的信号），通过线圈的磁通量也随着时候而改变，从而在差分线产生感应电动势，感生出的差分信号（S+和S-）刚好倍加，通过积分电路对差分输出信号进行检测、处理，从而反过来得出载流导体电流的变化的规律，本发明能更精确、方便、实用的对待测的载流导体的电流进行检测，能够实现大规模生产。

应当说明的是，在本发明的PCB罗氏线圈电流感应器中，差分走线的形状并不限制于图4给出的形状，只需使用两条差分铜箔线走线，并且使外径侧的差分走线的夹角大于内径侧的差分走线的夹角即可。

进一步地，在本发明的PCB罗氏线圈电流感应器接线时，可以使用相同阻抗的差分连接线，实现更远的传输距离。

综上所述，由于本发明采用了差分布线，而且差分信号严格对称，具有很好的抗干扰能力，并且本发明还由于采用差分传输，大大延长了连接PCB线圈的距离，提升了PCB线圈的信噪比。同时，使用差分走线，阻抗分布均匀，容易实现良好的阻抗匹配，保证了带宽，容易设计出合符带宽要求的积分电路，保证了批量生产的一致性。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于差分布线的PCB罗氏线圈电流感应器，其特征在于，包括PCB板，所述PCB板上开设有通孔、若干围绕所述通孔的内径导孔对和外径导孔对，所述内径导孔对沿内半径圆周均匀分布，所述外径导孔对沿外半径圆周均匀分布，且内半径圆周与外半径圆周同圆心；所述外径导孔对包括一对间隔预定距离、且距离圆心相等的外径导孔；所述内径导孔对包括一对间隔所述预定距离、且距离圆心相等的内径导孔；

所述PCB板上还设置有一个公共端过孔和一对差分布线铜箔，所述差分布线铜箔包括第一差分铜箔线和第二差分铜箔线；所述公共端过孔位于某一外径导孔对的对称线上，该某一外径导孔对的外径导孔分别为第一差分铜箔线的起点、第二差分铜箔线的终点；所述公共端过孔为第二差分铜箔线的起点及第一差分铜箔线的终点；

所述第一差分铜箔线和第二差分铜箔线依次穿过所述内径导孔对和外径导对在PCB板上走线形成两个平行的线圈。

2.根据权利要求1所述的基于差分布线的PCB罗氏线圈电流感应器，其特征在于，在内径导孔对一侧所述第一差分铜箔线与第二差分铜箔线之间形成的夹角大于，外径导孔对一侧所述第一差分铜箔线与第二差分铜箔线之间形成的夹角。

3.根据权利要求1所述的基于差分布线的PCB罗氏线圈电流感应器，其特征在于，在PCB板的正面上设置第一闭环铜箔，第一闭环铜箔位于所述通孔和内径导孔对之间。

4.根据权利要求3所述的基于差分布线的PCB罗氏线圈电流感应器，其特征在于，在PCB板的背面上对应设置有第二闭环铜箔。

5.根据权利要求1所述的基于差分布线的PCB罗氏线圈电流感应器，其特征在于，所述预定距离为5mil。

6.根据权利要求1所述的基于差分布线的PCB罗氏线圈电流感应器，其特征在于，所述通孔为与内半径圆周同圆心的圆孔。