CN107250812B - 电流传感器和感测电流的方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种电流传感器(600)，其通过将由导体生成的第一磁场耦合到感测元件(602)来感测导体(604)中的电流流动的电流传感器(600)。电流传感器包括屏蔽物(700)，屏蔽物包括夹住感测元件以限定堆叠的第一材料(702a、702b)和夹住该堆叠的第二材料(704a、704b)。屏蔽物被配置为响应于电流传感器外部的第三磁场来生成与第三磁场相对的第二磁场。屏蔽物还被配置为防止与由导体中的电流的流动生成的第一磁场相对的磁场的产生。

Description

电流传感器和感测电流的方法
本申请要求2015年2月10日提交的美国专利申请No.14/618,343的优先权，其全部内容通过引用并入本文用于所有目的。
技术领域
本公开总体上涉及电流传感器。更具体地，本公开涉及与使用磁感应的电流传感器相关的设备、系统和方法。
背景技术
精确的电流测量在电子系统中很重要。例如，在无线电力传输系统中，注入到电力传输单元(PTU)的天线线圈中的电流的精确测量可以用来维持到环境中的适当水平的电磁(EM)辐射。一些解决方案可以基于测量跨两个串联电容器的电压降，一个电容器附接到天线的每个线圈引线。直接测量电压可能会产生与差分电压缓冲器和放大器电路的设计相关的技术挑战，因为两个线圈引线都处于高电压。此外，测量过程可能复杂，需要测量在串联电容器后面的天线线圈两端的电压并且然后测量在串联电容器之后的电压，以及快速地切换被馈送到低通滤波器中的电压。该方法具有一些缺点：电路可能需要昂贵的部件来实现；以及进行测量的过程可能由于可能被注入到天线中的开关噪声而产生大量电磁干扰(EMI)。
发明内容
本公开描述了一种操作为感测导体中的电流的流动的电流传感器。在各种实施例中，电流传感器包括感测元件，其被配置为耦合到由导体中的电流的流动生成的第一磁场并且产生表示导体中的电流的流动的信号。电流传感器还包括屏蔽物，屏蔽物包括夹住感测元件以限定堆叠的第一材料和夹住该堆叠的第二材料。屏蔽物被配置为响应于在电流传感器外部的第三磁场来生成与第三磁场相对的第二磁场。屏蔽物还被配置为防止与由导体中的电流的流动生成的第一磁场相对的磁场的产生。
在一些实施例中，屏蔽物还被配置为关闭用于第一磁场的路径。
在一些实施例中，第一材料可以是铁氧体材料，并且第二材料可以是导电材料。
在一些实施例中，电流传感器可以包括与感测元件邻近布置的电容屏蔽物，以避免在导体与感测元件之间的电场的电容性耦合。在一些实施例中，电容屏蔽物可以是具有自由的第一端和被配置为用于到接地电势的连接的第二端的导电引线，从而为电场提供到地的路径。
在一些实施例中，感测元件可以包括布置在衬底上的线圈。在一些实施例中，衬底可以是多层印刷电路板(PCB)的层。
在一些实施例中，感测元件可以包括布置在第一平面上的第一线圈和布置在与第一平面间隔开的至少第二平面上的至少第二线圈。在一些实施例中，第一电容屏蔽物可以与第一线圈和导体邻近布置，并且第二电容屏蔽物可以与第二线圈和导体邻近布置。在一些实施例中，第一线圈可以与第二线圈串联连接。在一些实施例中，第一线圈可以是形成在多层PCB的层上的迹线，并且第二线圈可以是形成在多层PCB的另一层上的迹线。
在一些实施例中，感测元件可以是：被布置为与导体邻近的第一线圈；以及与第一导电线圈以相对关系布置并且被布置为与导体邻近的第二导电线圈。在一些实施例中，第一线圈和第二线圈可以实质上共面。
在一些实施例中，电流传感器可以包括放大器电路，其连接到感测元件以基于由感测元件产生的信号来生成输出电压。
在一些实施例中，导体构成传输线圈的一部分或者被配置为驱动传输线圈，传输线圈被配置为生成用于无线电力传输的外部磁场，其中外部磁场构成第三磁场。
本公开描述了一种用于感测电流的方法。在一些实施例中，该方法包括通过在感测区域处磁性耦合到由在导体中流动的电流生成的第一磁场来生成表示在导体中流动的电流的输出电压。该方法还包括将感测区域从外部磁场屏蔽，包括生成与外部磁场相对的第二磁场，使得通过磁性耦合到第一磁场而生成的输出电压实质上不受来自外部磁场的影响。该方法还包括防止与由导体中的电流的流动生成的第一磁场相对的磁场的产生。
在一些实施例中，防止与第一磁场相对的磁场的产生包括将第一磁场耦合到至少部分地包围感测区域的铁氧体材料。
在一些实施例中，该方法还可以包括将感测区域从由导体中流动的电流生成的电场屏蔽，使得生成的输出电压实质上不受来自电场的影响。
在一些实施例中，磁性耦合到第一磁场可以包括与导体邻近布置导电材料线圈。在一些实施例中，该方法可以包括通过与导体和导电材料线圈邻近布置导电引线并且将导电引线连接到接地电势来将感测区域从由导体中流动的电流生成的电场屏蔽。
在一些实施例中，磁性耦合到第一磁场可以包括与导体邻近布置第一线圈和与导体邻近布置第二线圈。在一些实施例中，第一线圈可以与第二线圈共面。在一些实施例中，第一线圈可以在与第二线圈分离的平面上。
本公开描述了一种电流传感器，其具有第一装置，第一装置用于在靠近导体的感测区域处磁性耦合到由导体中的电流流动生成的第一磁场。在一些实施例中，电流传感器可以包括第二装置，第二装置用于生成与外部磁场相对的第二磁场以将感测区域从外部磁场屏蔽，使得第一装置的输出实质上不受来自外部磁场的影响。在一些实施例中，电流传感器可以包括第三装置，第三装置用于将感测区域从第二装置屏蔽，使得第一装置的输出实质上不受来自第二装置的效果的影响。
在一些实施例中，第二装置可以包括至少部分地包围感测区域的导电材料。在一些实施例中，第三装置可以包括至少部分地包围感测区域并且被布置在导电材料内的铁氧体材料。
在一些实施例中，电流传感器可以包括第四装置，第四装置用于屏蔽由导体中的电流流动生成的电场，使得第一装置的输出实质上不受来自电场的影响。在一些实施例中，第四装置可以包括被配置为与第一装置和导体邻近布置的导电引线。
在一些实施例中，第一装置可以是布置在衬底上的导电材料环。在一些实施例中，环可以具有多个匝。
在一些实施例中，本公开描述了一种用于向接收器设备无线地传输充电电力的装置。该装置包括传输线圈，其被配置为响应于被交流电驱动来生成用于向接收器设备无线地传输充电电力的第一磁场。该装置还包括驱动器电路，其经由导体电耦合到传输线圈，驱动电路被配置为经由导体利用交流电来驱动传输线圈。该装置还包括电流传感器，其被配置为感测导体中的电流的流动。电流传感器包括感测线圈，其被配置为耦合到由导体中的交流电生成的第二磁场以产生指示导体中的电流的流动的信号。电流传感器还包括屏蔽物，屏蔽物包括夹住感测线圈以限定堆叠的铁磁材料并且包括夹住该堆叠的导电材料。
以下详细描述和附图提供对本公开的性质和优点的更好理解。
附图说明
关于下面的讨论以及特别是附图，强调所示的细节表示用于说明性讨论的目的的示例，并且被提供用于提供对本公开的原理和概念方面的描述。在这方面，除了对本公开的基本理解所需要的内容之外，没有尝试示出实现细节。下面的讨论结合附图使得如何可以实践根据本公开的实施例对于本领域技术人员来说是显而易见的。在附图中：
图1是根据说明性实施例的无线电力传输系统的功能框图。
图2是根据说明性实施例的无线电力传输系统的功能框图。
图3是根据说明性实施例的包括发射或接收天线的图2的发射电路或接收电路的部分的示意图。
图4A和图4B是表示根据本公开的实施电流传感器的说明性配置。
图5示出了根据本公开的各方面的电流传感器的说明性实施例。
图6示出了根据本公开的各方面的电流传感器的说明性实施例。
图6A示出了端对端连接的电容屏蔽物的示例。
图7示出了根据本公开的磁性屏蔽物的说明性实施例。
图7A和图7B示出了根据本公开的磁性屏蔽物的侧视图。
图8示出了图7的磁性屏蔽物的一个方面。
图9示出了根据本公开的各方面的电流传感器的说明性实施例。
图9A示出了根据本公开的各方面的电流传感器的说明性实施例。
图10A、图10B、图10C和图10D示出了根据本公开的电流传感器的说明性配置。
具体实施方式
在以下描述中，出于解释的目的，阐述了很多示例和具体细节，以便提供对本公开的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，在权利要求中表达的本公开可以单独地或与下面描述的其他特征组合地包括这些示例中的一些或全部特征，并且还可以包括本文中描述的特征和概念的修改和等同物。
图1是根据说明性实施例的无线电力传输系统100的功能框图。可以从电源(本图中未示出)向发射器104提供输入电力102，以生成用于执行能量传递的无线(例如，磁或电磁)场105。接收器108可以耦合到无线场105并且生成用于通过耦合到输出电力110的设备(本图中未示出)来存储或消耗的输出电力110。发射器104和接收器108可以分开距离112。
在一个说明性实施例中，发射器104和接收器108可以根据相互谐振关系来配置。当接收器108的谐振频率和发射器104的谐振频率基本上相同或非常接近时，发射器104与接收器108之间的传输损耗最小。因此，可以在更大的距离上提供无线电力传输。因此，谐振电感耦合技术可以在各种距离上以及在各种感应线圈配置下实现提高的效率和电力传输。
当接收器位于由发射器104产生的无线场105中时，接收器108可以接收电力。无线场105对应于由发射器104输出的能量可以被接收器108捕获的区域。无线场105可以对应于发射器104的“近场”，如将在下面进一步描述。发射器104可以包括用于向接收器108传递能量的发射天线或线圈114。接收器108可以包括用于接收或捕获从发射器104传输的能量的接收天线或线圈118。近场可以对应于其中存在由发射线圈114中的电流和电荷产生的强反应场的区域，强反应场最小程度地发射线圈114辐射掉电力。近场可以对应于在发射线圈114的大约一个波长(或其分数)的范围内的区域。
如上所述，通过将无线场105中的大部分能量耦合到接收线圈118而不是将电磁波中的大部分能量传播到远场，可以发生有效的能量传递。当位于无线场105内时，可以在发射线圈114与接收线圈118之间产生“耦合模式”。
在图1中，发射器104可以输出具有与发射线圈114的谐振频率相对应的频率的时变磁(或电磁)场。当接收器108在无线场105内时，时变磁(或电磁)场可以在接收线圈118中感应出电流。如上所述，如果接收线圈118被配置为以发射线圈114的频率谐振，则可以有效地传递能量。在接收线圈118中感应的AC信号可以如上所述地被整流，以产生可以被提供以对负载充电或为负载供电的DC信号。
图2是根据另一说明性实施例的无线电力传输系统200的功能框图。系统200可以包括发射器204和接收器208。发射器204(本文中也称为电力传输单元PTU)可以包括发射电路206，发射电路206可以包括振荡器222、驱动电路224以及滤波和匹配电路226。振荡器222可以被配置为生成可以响应于频率控制信号223而调节的期望频率处的信号。振荡器222可以将振荡器信号提供给驱动电路224。驱动电路224可以被配置为基于输入电压信号(VD)225以例如发射天线214的谐振频率来驱动发射天线214。驱动电路224可以是被配置为从振荡器222接收方波并且输出正弦波的开关放大器。
滤波和匹配电路226可以滤除谐波或其他不想要的频率，并且将发射器204的阻抗与发射天线214相匹配。作为驱动发射天线214的结果，发射天线214可以生成无线场205以便以足以对电池236充电或另外对负载供电的水平来无线地输出电力。
接收器208(本文中也称为电力接收单元PRU)可以包括接收电路210，接收电路210可以包括匹配电路232和整流电路234。匹配电路232可以将接收电路210的阻抗与接收天线218相匹配。整流电路234可以从交流(AC)电力输入端生成直流(DC)电力，以对电池236充电，如图2所示。另外，接收器208和发射器204可以在单独的通信信道219(例如，蓝牙、Zigbee、蜂窝等)上通信。可替代地，接收器208和发射器204可以使用无线场205的特性经由带内信令来通信。
接收器208可以被配置为确定由发射器204发射并且由接收器208接收的电力的量是否适合于对电池236充电。发射器204可以被配置为生成主要是非辐射的场，其具有用于提供能量传递的直接场耦合系数(k)。接收器208可以直接耦合到无线场205，并且可以生成用于由耦合到输出或接收电路210的电池(或负载)236来存储或消耗的输出电力。
如上所述，发射器204和接收器208可以分开某个距离，并且可以根据相互谐振关系来配置，以最小化发射器与接收器之间的传输损耗。
图3是根据说明性实施例的图2的发射电路206或接收电路210的部分的示意图。如图3所示，发射或接收电路350可以包括天线352。天线352也可以被称为或被配置为“环路”天线352。天线352在本文中也可以被称为或被配置为“磁性”天线、或感应线圈、或谐振器。术语“天线”通常是指可以无线地输出或接收能量以耦合到另一“天线”的部件。天线也可以被称为被配置为无线地输出或接收电力的类型的线圈。如本文中使用的，天线352是被配置为无线地输出和/或接收电力的类型的“电力传输部件”的示例。天线352可以包括空气芯或诸如铁氧体磁心(该图中未示出)的物理芯。
如上所述，能量在发射器104(如图2中参考的发射器204)与接收器108(如图2中参考的接收器208)之间的有效传递可以在发射器104与接收器108之间的匹配或几乎匹配的谐振期间发生。然而，即使发射器104与接收器108之间的谐振不匹配，能量仍然可以被传递，然而效率可能受到影响。例如，当谐振不匹配时，效率可能较低。通过将来自发射线圈114(如图2中参考的发射线圈214)的无线场105(如图2中参考的无线场205)的能量耦合到位于无线场105的附近的接收线圈118(如图2中参考的接收线圈218)，可以发生能量传递，而不是将能量从发射线圈114传播到自由空间中。
环路或磁性天线的谐振频率基于电感和电容。电感可以简单地是由天线352产生的电感，而电容(例如，电容器)可以被添加以产生期望的谐振频率处的谐振结构。作为非限制性示例，电容器354和电容器356可以被添加到发射或接收电路350以产生谐振电路。因此，对于较大直径的天线，维持谐振所需的电容的尺寸可以随着环路的直径或电感的增加而减小。
此外，随着天线的直径增加，近场的有效能量传递面积可能增加。使用其他部件形成的其他谐振电路也是可能的。作为另一非限制性示例，电容器(未示出)可以并联放置在电路350的两个端子之间。对于发射天线，具有基本上对应于天线352的谐振频率的频率的信号358可以是到天线352的输入。对于接收天线，具有基本上对应于天线352的谐振频率的频率的信号358可以是来自天线352的输出。
现在将讨论根据本公开的电流传感器的描述，其可以在图1的发射器104或图2的发射器204中使用。图4A示出了包括经由载流导体42连接到负载44的功率放大器40的电路。根据本公开的电流传感器402可以被配置为感测载流导体42中的电流的流动并且产生表示导体中的电流的流动的信号。仅仅作为用于说明使用情况的示例，电流传感器402可以被并入图2所示的无线电力传输系统200中。在该示例中，功率放大器40可以对应于发射器204中的驱动电路224，并且负载44可以对应于发射线圈214。电流传感器402可以在无线电力传输期间检测发射线圈214中的负载变化，作为经由磁场耦合到接收器(例如，PRU)的电力量的变化的结果。例如，电力耦合的变化可能由PRU汲取的电力量、与PTU进行无线电力传输的PRU的数目等引起。载流导体42可以对应于从驱动电路224向发射线圈214提供电流的连接(例如，线)。当然，应当理解，根据本公开的电流传感器可以被容易地适配用于在其他电路配置中使用。
电流传感器402可以包括用于为载流导体42提供连接点的连接404和406。电流传感器402可以包括响应于导体42中的电流流动而输出信号的输出408。
例如，输出408可以连接到合适的放大器48，以产生表示载流导体42中的电流流动的信号。在一些实施例中，放大器48的输出可以是表示载流导体42中的电流流动的电流信号。在其他实施例中，诸如图4A所示，放大器48的输出可以是表示载流导体42中的电流流动的输出电压Vout。在一些实施例中，放大器48的输出可以用作反馈信号以控制从功率放大器40输出的电流流动。在其他实施例中，放大器48的输出可以用于监测系统的操作情况。例如，在图2所示的无线电力传输系统200的上下文中，在一些实施例中，电流传感器402可以用于检测过载情况。在其他实施例中，电流传感器402可以用于检测PRU在PTU的充电表面上的放置等。
图4A中的功率放大器40表示单端输出的示例。参考图4B，功率放大器40a可以具有差分输出，以在两个载流导体42a和42b上提供电力。因此，根据本公开的一些实施例的电流传感器412可以被配置为在多个载流导体(例如，42a、42b)上提供电流感测。在一些实施例中，例如，电流传感器412可以包括连接404a、404b和406a、406b以向载流导体42a、42b提供连接点。
现在将讨论对图4A所示的电流传感器402的说明性实施例的描述。图5示出了根据本公开的电流传感器402的细节、以及被包括用于上下文的图4A所示的一些电路元件。在一些实施例中，例如，电流传感器402可以包括布置在例如由衬底532限定的平面上的感测元件502和主(目标)导体504。感测元件502可以邻近主导体504布置。在一些实施例中，感测元件502可以包括导电材料的线圈512(或环路)。主导体504可以在连接点504a、504b处连接到载流导体42，例如通过形成在连接点504a、504b处的导电焊盘。
在一些实施例中，衬底532可以是用于较大电路的印刷电路板(PCB)的区域。在其他实施例中，衬底532可以是独立的、自包含的PCB。线圈512可以是形成在衬底532上的迹线或多个迹线分段。同样，主导体504可以是形成在衬底532上的迹线。用于形成迹线的导电材料可以是铜或任何合适的导电材料。迹线可以使用很多已知技术中的任一种来形成在衬底532上。
图5描绘了形成在衬底532的第一表面上的线圈512。在一些实施例中，线圈512可以是具有一个或多个匝的螺旋。线圈512的外端512b可以终止在衬底532上的导电焊盘B处。线圈512的内端512a可以通过返回路径终止在衬底532上的导电焊盘A处，该返回路径包括被形成为穿过衬底532的通孔514和518、以及形成在衬底532的第二表面上并且将通孔514连接到通孔518的迹线516。迹线可以将通孔518连接到焊盘A。
根据本公开，电流传感器402还可以包括与传感器元件502和主导体504二者邻近布置的电容屏蔽物522。在一些实施例中，电容屏蔽物522可以包括形成在衬底532上的导电迹线(引线)。电容屏蔽物522的一端522a可以是“自由的”，或者不以其他方式连接。电容屏蔽物522的另一端522b可以经由迹线524连接到导电焊盘C。在一些实施例中，焊盘C可以连接到接地电势。在其他实施例中，焊盘B和焊盘C可以连接到公共电压基准。
在操作中，当电流流过载流导体42时，电流将流过主导体504。当电流流过主导体504时，可以在主导体周围产生磁场，例如当电流是诸如交流电(AC)的时变电流时。在主导体504附近的传感器元件502可以磁性耦合到由主导体生成的磁场。传感器元件502与主导体504之间的区域可以被称为感测区域。可以在传感器元件502中感应由磁性地耦合到由主导体504生成的磁场而导致的电压。感应电压可以由放大器48放大，以生成表示在主导体504中流动的电流的输出电压Vout。
由在主导体504中流动的电流生成的电场可以电容地耦合到传感器元件502。可以耦合到传感器元件502的能量可以在生成的输出电压Vout中产生误差。然而，电容屏蔽物522可以将电场电容耦合到接地电势，从而防止输出电压Vout受到电场的影响。
图6表示根据本公开的一些实施例的电流传感器600的示例。在一些实施例中，电流传感器600可以包括感测元件602和主(目标)导体604。感测元件602可以邻近主导体604布置。在一些实施例中，感测元件602可以包括布置在第一平面(例如，由衬底632-1限定)上的导电材料612-1的第一线圈(或环路)和布置在第二平面(例如，由衬底632-2限定)上的导电材料612-2的第二线圈。主导体604可以布置在衬底632-1上。主导体604可以在连接点604a、604b处连接到载流导体(例如图4中的42)，例如通过形成在连接点处的导电焊盘。
在一些实施例中，衬底632-1、632-2可以是多层PCB中的层。线圈612-1、612-2可以是形成在PCB的相应的层上的迹线。同样，主导体604可以是形成在一个层上的迹线；例如，图6示出了形成在衬底632-1上的主导体。用于形成迹线的导电材料可以是铜或任何合适的材料。迹线可以使用很多已知技术中的任何一种来形成在衬底632-1、632-2上。
在一些实施例中，例如，线圈612-1、612-2可以串联连接，如图6所示。线圈612-1的外端612-1b可以终止在衬底632-1上的导电焊盘B处。通孔614b可以提供衬底632-1上的线圈612-1的内端612-1a到衬底632-2上的线圈612-2的内端612-2a的连接。通孔614c可以提供衬底632-2上的线圈612-2的外端612-2b到衬底632-1上的导电焊盘A的连接。
根据本公开，电流传感器600还可以包括与传感器元件602的线圈612-1和主导体604二者邻近布置的第一电容屏蔽物622-1、以及与传感器元件602的线圈612-2和主导体604二者邻近附近布置的第二电容屏蔽物622-2。第二电容屏蔽物622-2仍然可以被认为与主导体604邻近，即使第二电容屏蔽物和主导体处于多层PCB的不同层中。在一些实施例中，第一电容屏蔽物622-1可以包括形成在衬底632-1上的导电迹线(引线)，同样，第二电容屏蔽物622-2可以包括形成在衬底632-2上的导电迹线(引线)。
根据本公开，电容屏蔽物622-1、622-2可以连接在一起，使得每个电容屏蔽物具有自由端和接地端，使得电容屏蔽物不形成闭环。例如，图6示出了根据一些实施例的连接配置。电容屏蔽物622-1的一端622-1a可以是“自由的”，或者不以其他方式被连接。电容屏蔽物622-1的另一端622-1b可以例如经由迹线624连接到导电焊盘C。同样，电容屏蔽物622-2的一端622-2a可以是“自由的”或者不以其他方式被连接。电容屏蔽物622-2的另一端622-2b可以连接到导电焊盘C；例如，通孔614a可以将端部622-2b连接到端部622-1a。在一些实施例中，焊盘C可以连接到接地电势。在其他实施例中，焊盘B和焊盘C可以连接到公共电压基准。
图6A示出了根据其他实施例的连接配置。在图6A所示的配置中，电容屏蔽物622-1、622-2可以以端对端方式连接以形成连续迹线。例如，电容屏蔽物622-2的一端622-2b可以是自由端。电容屏蔽物622-2的另一端622-2a可以例如使用通孔614a连接到电容屏蔽物622-1的一端622-1a。电容屏蔽物622-1的另一端622-1b可以例如使用迹线624连接到焊盘C。普通技术人员将理解，根据本公开的其他连接配置可以是可能的。
普通技术人员将理解，在一些实施例中，传感器元件602可以包括设置在多层PCB的相应的附加层上的附加线圈。在一些实施例中，多层PCB的每个层可以设置有线圈。例如，以下描述的图7B描绘了支撑传感器元件743'的双层PCB 732'，在每个层中传感器元件包括线圈。在其他实施例中，衬底可以是支撑包括N个线圈的传感器元件的N层PCB，每个层中有一个线圈。伴随的每个附加线圈可以是与同一层上(例如，与线圈共面)的线圈邻近布置以及还与主导体604邻近布置的电容屏蔽物(迹线引线)。
根据本公开，根据本公开的电流传感器还可以包括用以屏蔽电流传感器免受外部磁场的影响的磁性屏蔽物，如下面进一步讨论。参考图7，例如，电流传感器600(图6)还可以包括磁性屏蔽物700。磁性屏蔽物700可以包括夹住感测元件602的第一材料层702a、702b从而限定堆叠712，堆叠712包括第一材料层702a、702b和感测元件602的第一和第二线圈612-1、612-2。在一些实施例中，第一材料层702a、702b可以是铁氧体材料或其他铁磁材料。
此外，根据本公开，磁性屏蔽物700可以包括夹住堆叠712的第二材料层704a、704b。在一些实施例中，第二材料层704a、704b可以是导电材料。在特定实施例中，导电材料可以是铜带。
图7A和图7B示出了根据一些实施例的磁性屏蔽物700的示意性侧视图。图7A示出了衬底732的一部分，衬底732具有形成在其上的根据本公开的用于包括电流传感器(例如，图6的600)的各部件(例如，图6中的线圈612-1、电容屏蔽物622-1等)的各种迹线734。磁性屏蔽物700包括夹住衬底732和迹线734以形成堆叠712的第一材料702。在一些实施例中，第一材料702可以是铁氧体材料。磁性屏蔽物700还包括夹住堆叠712的第二材料704。在一些实施例中，第二材料704可以是导电材料，诸如例如铜带。
图7B示出了根据其他实施例的磁性屏蔽物700。代替单层衬底(例如732)，衬底732'表示多层PCB的示例，在这种情况下为双层PCB。迹线734'表示根据本公开的一些实施例的形成在衬底732'的各层中的用于包括电流传感器(例如，线圈和电容屏蔽物)的各部件的迹线。
现在将讨论磁性屏蔽物700的效果。首先考虑没有磁性屏蔽物的电流传感器的配置，诸如例如图5所示的电流传感器402。假设电流传感器402被配置为感测被配置为在无线电力传输系统中驱动发射线圈的导体中的电流。在操作期间，发射线圈可以被驱动以生成用于将电力耦合到接收器的外部磁场。该外部磁场可以耦合到感测元件502。作为耦合到外部磁场的结果，可以在感测元件502中感应的电压可能在输出信号Vout中引入误差。当在主导体504中流动的电流恒定时如果外部磁场发生变化(例如，由于接收器侧的负载条件变化)，则可以判断出误差；换言之，即使主导体504中的电流恒定，外部磁场的变化也会产生输出信号Vout的变化。由于电流传感器402用于提供反馈以调节所生成的场或检测所生成的场中的外物，所以确保所生成的场不干扰所感测的电流可能是有益的。
接下来参考图8来考虑图7所示的磁性屏蔽物700。可以结合图8所示的示意图来说明磁性屏蔽物700的作用。该图是对磁性屏蔽物700的第二材料导电层704a向下看的视图。外部磁场可以耦合到第二材料导电层704a。在外部磁场的影响下可以在第二材料导电层704a中感应出涡流。在第二材料导电层704a中感应的涡流又可以生成与外部磁场相对的磁场，并且因此可以对外部磁场具有抵消效果。第二材料导电层704b具有类似的效果。因此，第二材料导电层704a、704b可以屏蔽感测元件(例如，602)，使得输出电压Vout可以基本上没有来自外部磁场的影响。
第二材料导电层704a、704b也可以作用于由在主导体(例如，图6的604)中流动的电流生成的磁场。第二材料导电层704a、704b可以生成与由在主导体中流动的电流生成的磁场相对的磁场，这可能是不期望的效果。因此，根据本公开，第一材料层702a、702b可以是铁氧体材料。铁氧体层702a、702b可以用于关闭由在主导体(例如，图6中的604)中流动的电流生成的磁场的路径，使得磁性屏蔽物700、特别是地第二材料层704a、704b不会用相对的磁场来响应，而同时屏蔽如上所述的外部磁场。因此，输出电压Vout可以基本上没有来自将感测区域从外部磁场屏蔽这一动作的影响。
图9示出了根据本公开的一些实施例的电流传感器900。在一些实施例中，电流传感器900可以包括布置在例如由衬底932限定的平面上的感测元件902和主导体904。感测元件902可以包括第一导电材料线圈912-1和第二导电材料线圈912-2。在一些实施例中，第一线圈912-1和第二线圈912-2可以在衬底932上基本上共面并且彼此相对。第一线圈912-1和第二线圈912-2可以串联连接。例如，可以使用通孔来在衬底932的相对面上布线迹线，以便串联连接第一线圈912-1和第二线圈912-2。
根据本公开，电流传感器900还可以包括与第一线圈912-1和主导体904二者邻近布置的第一电容屏蔽物922-1、以及与第二线圈912-2和主导体904二者邻近布置的第二电容屏蔽物922-2。在一些实施例中，第一电容屏蔽物922-1和第二电容屏蔽物922-2可以包括形成在衬底932上的导电迹线(引线)。相应的第一电容屏蔽物922-1和第二电容屏蔽物922-2的一端可以是“自由”的，或者没有以其他方式被连接。相应的第一电容屏蔽物922-1和第二电容屏蔽物922-2的另一端可以连接到公共点(例如，GND)。尽管图9中未示出，但是电流传感器900还可以包括例如诸如图7A所示的磁性屏蔽物。
图9A示出了根据本公开的一些实施例的电流传感器900'。电流传感器900'可以用于感测在两个主导体904a、904b中流动的电流。例如，电流传感器900'可以用于感测差分放大器的导线中的电流流动；参见例如图4B所示的配置。感测元件902可以包括被配置为与主导体904a、904b邻近的第一线圈912-1、第二线圈912-2和第三线圈912-3。电流传感器900'可以包括被配置为将线圈912-1、912-2从可能从主导体904a发出的电场屏蔽的电容屏蔽物922-1、922-2。电流传感器900'还可以包括被配置为将线圈912-2、912-3从可能从主导体904b发出的电场屏蔽的电容屏蔽物922-3、922-4。尽管图9A中未示出，但是电流传感器900'还可以包括例如诸如图7A所示的磁性屏蔽物。
根据本公开，单导体电流传感器(例如，图5中的402)可以与差分功率放大器一起使用。例如，差分功率放大器可以集成在无线电力发射电路中以驱动发射线圈。图10A和图10B示意性地描绘了差分功率放大器配置的说明性实施例。例如，图10A示出了连接到负载1004、1006的差分功率放大器1002。电流传感器1000a、1000b可以沿着导体1042a、1042b布置，以感测各个导体中的电流的流动。电流传感器1000a、1000b可以串联连接在一起以产生可以连接到放大器(例如图4B的48)的单个输出(例如，图4B的408)。参考图5，例如，电流传感器1000a的焊盘B可以连接到电流传感器1000b的焊盘A。电流传感器1000a的焊盘A和电流传感器1000b的焊盘B可以是到放大器(例如48)的输入。
图10B示出了其中由电流传感器1000a、1000b感测的导体1042a、1042b可以沿着来自各个负载1004、1006的接地路径布置的配置。电流传感器1000a、1000b可以串联连接。图10B所示的配置在一些应用中可能是有利的，因为导体1042a、1042b中的线电压接近接地电势。
图10C示出了例如用于感测差分放大器1002的导体1042a、1042b中的电流流动的诸如图9A所示的双导体单电流传感器1000c的配置。图10C所示的配置示出了导体1042a、1042b沿着接地路径。然而，在其他实施例中，由电流传感器1000c感测的导体1042a、1042b可以位于差分功率放大器1002的输出端。
在其他实施例中，可以使用三个或更多个电流传感器。例如，图10B所示的两个单导体电流传感器1000a、1000b可以与图10C所示的双导体电流传感器1000c串联组合。图10D示出了这种配置的示例。
根据本公开，电流传感器可以包括第一装置，第一装置用于在接近导体的感测区域处磁性耦合到由导体中的电流生成的第一磁场，第一装置具有表示电流流动的输出。图5所示的传感器元件502表示根据一些实施例的第一装置的说明性示例。图6所示的传感器元件602表示根据一些实施例的第一装置的说明性示例。
根据本公开，电流传感器还可以包括第二装置，第二装置用于生成与外部磁场相对的第二磁场以将感测区域从外部磁场屏蔽，使得第一装置的输出基本上不受来自外部磁场的影响。图7、图7A和图7B所示的磁性屏蔽物700表示根据一些实施例的第二装置的说明性示例。此外，导电第二材料层704a、704b表示根据一些实施例的第二装置的说明性示例。
根据本公开，电流传感器还可以包括第三装置，第三装置用于将感测区域从第二装置屏蔽，使得第一装置的输出基本上不受来自第二装置的效果的影响。图7、图7A和图7B所示的磁性屏蔽物700表示根据一些实施例的第三装置的说明性示例。此外，第一材料层702a、702b表示根据一些实施例的第三装置的说明性示例。
根据本公开，电流传感器还可以包括第四装置，第四装置用于屏蔽由导体中的电流流动生成的电场，使得第一装置的输出基本上不受来自电场的影响。图5所示的电容屏蔽物522表示根据一些实施例的第四装置的说明性示例。图6所示的电容屏蔽物622表示根据一些实施例的第四装置的说明性示例。
电流传感器可以用在无线电力电路中，例如以提供用于电力控制的反馈。电流传感器可能对于电力损失确定特别有用。例如，电流传感器可以用于检测传输的电力量，以便基于接收器正在接收的量来确定电力损失的量，或者检测在焊盘上的消耗电力的对象的存在。
根据本公开的电流传感器易于实现。传感器元件(例如，图5的502)可以与PCB上的其他迹线一起设计。在一些实施例中，它们可能仅需要小的PCB面积和相应的少量的铁氧体和铜带。例如，在一些实施例中，根据本公开的电流传感器可以仅消耗小于1cm2的PCB面积，尽管尺寸是不相关的并且在其他实施例中可以更大或更小。根据本公开的电流传感器很好地适合于批量生产过程。
根据本公开的电流传感器不直接与正被感测的电流互相影响。因此，电流传感器在提供电流的功率放大器中不产生不平衡。此外，根据本公开的电流传感器可以提供与功率放大器的输出隔离的输出电压。
根据本公开的电流传感器不发射EMI，因为没有开关电路。
根据本公开的电流传感器产生与电流相位相差90度的电压波形，并且因此可以提供电流流动的可用的相位角测量。此外，该波形的过零点可以与功率放大器输出电压的过零点进行比较，以提供相位角的精确测量。该相位角可用于负载电力和阻抗测量二者。
以上描述示出了本公开的各种实施例以及如何可以实现特定实施例的各方面的示例。上述示例不应当被认为是唯一的实施例，并且被呈现以说明由所附权利要求限定的特定实施例的灵活性和优点。基于上述公开内容和所附权利要求，在不脱离由权利要求限定的本公开的范围的情况下，可以采用其他布置、实施例、实现和等同物。

Claims (24)

1.一种电流传感器，操作为感测导体中的电流的流动，所述电流传感器包括：
感测元件，被配置为耦合到由所述导体中的电流的流动生成的第一磁场并且产生表示所述导体中的电流的流动的信号；
电容屏蔽物，与所述感测元件邻近布置，所述电容屏蔽物用于防止由所述导体中的电流的流动生成的电场电容性耦合到所述感测元件，其中所述电容屏蔽物包括被配置为与所述感测元件和所述导体二者邻近布置的导电引线，其中所述导电引线包括自由的第一端和被配置用于到接地电势的连接的第二端；以及
屏蔽物，包括夹住所述感测元件以限定堆叠的第一材料、以及夹住所述堆叠的第二材料，
所述第二材料包括导电材料，使得所述屏蔽物被配置为响应于在所述电流传感器外部的第三磁场来生成与所述第三磁场相对的第二磁场，
所述第一材料提供磁屏蔽，使得所述屏蔽物还被配置为防止与由所述导体中的电流的流动生成的所述第一磁场相对的磁场的产生。
2.根据权利要求1所述的电流传感器，其中所述屏蔽物还被配置为关闭用于所述第一磁场的路径。
3.根据权利要求1所述的电流传感器，其中所述屏蔽物中的所述第一材料是铁氧体材料。
4.根据权利要求1所述的电流传感器，其中所述感测元件包括布置在衬底上并且与所述导体邻近的导电线圈。
5.根据权利要求4所述的电流传感器，其中所述衬底是多层印刷电路板的层。
6.根据权利要求1所述的电流传感器，其中所述感测元件包括布置在第一平面上的第一导电线圈和布置在与所述第一平面间隔开的至少第二平面上的至少第二导电线圈。
7.根据权利要求6所述的电流传感器，还包括被配置为与所述第一导电线圈和所述导体二者邻近布置的第一电容屏蔽物、以及被配置为与所述第二导电线圈和所述导体二者邻近布置的至少第二电容屏蔽物。
8.根据权利要求6所述的电流传感器，其中所述第一导电线圈与所述第二导电线圈串联连接。
9.根据权利要求6所述的电流传感器，其中所述第一导电线圈是形成在多层印刷电路板的第一层上的迹线，并且所述第二导电线圈是形成在所述多层印刷电路板的第二层上的迹线。
10.根据权利要求1所述的电流传感器，其中所述感测元件包括：被布置为与所述导体邻近的第一导电线圈；以及与所述第一导电线圈以相对关系布置并且被布置为与所述导体邻近的第二导电线圈。
11.根据权利要求10所述的电流传感器，其中所述第一导电线圈和所述第二导电线圈实质上共面。
12.根据权利要求10所述的电流传感器，其中所述第一导电线圈在与所述第二导电线圈分离的平面上。
13.根据权利要求1所述的电流传感器，还包括放大器电路，所述放大器电路连接到所述感测元件并且被配置为基于由所述感测元件产生的所述信号来生成输出电压。
14.根据权利要求1所述的电流传感器，其中所述导体构成传输线圈的一部分或者被配置为驱动所述传输线圈，所述传输线圈被配置为生成用于无线电力传输的外部磁场，其中所述外部磁场构成所述第三磁场。
15.一种感测导体中的电流的流动的方法，所述方法包括：
通过在感测区域处磁性耦合到由在所述导体中流动的电流生成的第一磁场来生成表示在所述导体中流动的电流的输出电压，其中磁性耦合到所述第一磁场包括向与所述导体邻近布置的导电材料线圈呈现所述第一磁场；
将所述感测区域从外部磁场屏蔽，包括生成与所述外部磁场相对的第二磁场，使得通过磁性耦合到所述第一磁场而生成的所述输出电压实质上不受来自所述外部磁场的影响；
通过将由所述导体中流动的电流生成的电场耦合到导电引线来将所述感测区域从所述电场屏蔽，所述导电引线与所述导体和所述导电材料线圈二者邻近布置并且连接到接地电势；以及
通过将所述第一磁场耦合到至少部分地包围所述感测区域以限定堆叠的铁氧体材料，来防止与由所述导体中的电流的流动生成的所述第一磁场相对的磁场的产生，
其中防止与所述第一磁场相对的磁场的产生包括将所述第一磁场耦合到至少部分地包围所述感测区域并且夹住所述堆叠的铁氧体材料。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括将所述感测区域从由所述导体中流动的电流生成的电场屏蔽，使得生成的输出电压实质上不受来自所述电场的影响。
17.根据权利要求15所述的方法，其中磁性耦合到所述第一磁场包括将所述第一磁场耦合到与所述导体邻近布置的第一导电材料线圈和与所述导体邻近布置的第二导电材料线圈。
18.一种电流传感器，包括：
第一装置，用于在靠近导体的感测区域处磁性耦合到由所述导体中的电流流动生成的第一磁场，所述第一装置具有表示所述电流流动的输出；
第二装置，用于生成与外部磁场相对的第二磁场以将所述感测区域从所述外部磁场屏蔽，使得所述第一装置的输出实质上不受来自所述外部磁场的影响；
第三装置，用于将所述感测区域从所述第二装置屏蔽，使得所述第一装置的输出实质上不受来自所述第二装置的效果的影响，所述第三装置包括夹住所述第一装置以限定堆叠的磁屏蔽物；以及
第四装置，用于电容性地屏蔽所述感测区域，以防止由所述导体中的电流的流动生成的电场电容性耦合到所述感测区域，其中所述第四装置包括被配置为与所述感测区域和所述导体二者邻近布置的导电引线，所述导电引线包括自由的第一端和被配置用于到接地电势的连接的第二端，
其中所述第二装置包括夹住所述堆叠的导电材料。
19.一种用于向接收器设备无线地传输充电电力的装置，包括：
传输线圈，被配置为响应于被交流电驱动来生成用于向所述接收器设备无线地传输充电电力的第一磁场；
驱动器电路，经由导体电耦合到所述传输线圈，所述驱动器电路被配置为经由所述导体利用所述交流电来驱动所述传输线圈；
电流传感器，被配置为感测所述导体中的电流的流动，所述电流传感器包括：
感测线圈，被配置为耦合到由所述导体中的所述交流电生成的第二磁场以产生指示所述导体中的电流的流动的信号；
电容屏蔽物，与所述感测线圈邻近布置，所述电容屏蔽物用于防止由所述导体中的电流的流动生成的电场电容性耦合到所述感测线圈，其中所述电容屏蔽物包括被配置为与所述感测线圈和所述导体二者邻近布置的导电引线，其中所述导电引线包括自由的第一端和被配置用于到接地电势的连接的第二端；以及
屏蔽物，包括夹住所述感测线圈以限定堆叠的铁磁材料，并且包括夹住所述堆叠的导电材料。
20.根据权利要求19所述的装置，其中所述导电材料被配置为响应于所述第一磁场而生成与所述第一磁场相对的第三磁场。
21.根据权利要求20所述的装置，其中与所述第一磁场相对防止所述第一磁场在所述感测线圈中感应电流。
22.根据权利要求19所述的装置，其中所述铁磁材料用于防止所述第一磁场在所述感测线圈中感应电流。
23.根据权利要求19所述的装置，其中响应于所述第一磁场而在所述导电材料中感应的涡流生成与所述第一磁场相对的第三磁场。
24.根据权利要求19所述的装置，其中所述电流传感器还包括与所述感测线圈邻近布置的电容屏蔽物，所述电容屏蔽物用于防止由所述导体中的交流电生成的电场电容性耦合到所述感测线圈，其中所述电容屏蔽物包括布置在所述导体与所述感测线圈之间的第二导体。
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