CN108918947B - 一种pcb型低电感电流传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电流检测技术，旨在提供一种PCB型低电感电流传感器。包括两块单面覆铜箔层压板，且以覆铜箔的一侧为外侧面；两块单面覆铜箔层压板之间设有用于绝缘的中间层压板，其两侧各设一个条状铜箔，彼此相对平行布置；两个条状铜箔的同一侧端部通过中间层压板上的第一过孔实现连接构成电流回路，作为电流检测电阻区域；在两个条状铜箔的另一端分别设有铜箔连接部件，用于连接被测电路；在条状铜箔上设信号输出接口，用于输出电流检测电阻区域所产生的电压信号。本发明在PCB板材结构中实现了小面积的电流回路，得到低成本的低寄生电感参数电流传感器。因为脉冲电流流过铜箔的时间短，由此产生的热量小，给铜箔带来的温升小，尤其适合测量脉冲电流。
Description
技术领域
本发明涉及电流检测技术，具体涉及一种PCB型低电感电流传感器。
背景技术
电流检测电阻是电流传感器的一种，它与被检测的回路串联，电流检测电阻上的电压反映了流过回路的电流。电流检测电阻有几个重要参数，包括：阻值、寄生电感和允许通过的电流(包括恒定电流和脉冲电流)。寄生电感参数反映了电流检测电阻的精度。当流过电流检测电阻的电流发生变化时，寄生电感上产生感应电动势：
最终在电流检测电阻两端检测到的电压信号为：
v(t)＝R·i(t)+vL(t) (2)
因此寄生电感L越大，电流检测电阻作为电流传感器的精度就越低。为了进行高精度的电流测量，需要使用低寄生电感的电流检测电阻。某些电流波动剧烈的应用，比如电力电子电路中的电流检测，对电流检测电阻的寄生电感参数提出了更为严格的要求。
要做到低寄生电感，最常用的方法就是采用同轴电阻结构。一个典型的同轴电阻截面结构如图1所示。工作时，电流先到达内层导体101，然后再通过内层阻性区域102，最后通过外层导体103流出。由于电流路径包围的气隙104的面积很小，因此整个同轴电阻的寄生电感很小。阻性区域102的两端引出信号线，接到信号输出接口105上。与此同时，外层导体103还起到屏蔽外界电磁场干扰的作用，进一步提高了电流测量的精度。同轴电阻一般体积较大，散热能力强，因此电流容量(包括恒定电流和脉冲电流)一般比较高。
然而同轴电流检测电阻的价格相对较高，在某些有低成本要求的应用中并不适合使用，因此有必要提供一种更为经济的低电感电流传感器的设计方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种PCB型低电感电流传感器。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种PCB型低电感电流传感器，包括用于测试电压信号的电流检测电阻区域；其特征在于，该PCB型低电感电流传感器包括两块单面覆铜箔层压板，且以覆铜箔的一侧为外侧面；两块单面覆铜箔层压板之间设有用于绝缘的中间层压板，其两侧各设一个条状铜箔，彼此相对平行布置；两个条状铜箔的同一侧端部通过中间层压板上的第一过孔实现连接构成电流回路，作为电流检测电阻区域；在两个条状铜箔的另一端分别设有铜箔连接部件，用于连接被测电路；在条状铜箔靠近连接部件的位置设有信号输出接口，用于输出电流检测电阻区域所产生的电压信号。
本发明中，在单面覆铜箔层压板的外侧面上设有裸露导体区域，且与其外侧面的覆铜箔区域之间通过预留绝缘区域实现分隔；各裸露导体区域通过单面覆铜箔层压板上的过孔连接至相邻的铜箔连接部件，被测电路的正负极分别与两块单面覆铜箔层压板上的裸露导体区域连接。
本发明中，所述铜箔连接部件是两个径向尺寸不同的圆环状铜箔，且隔着中间层压板同心嵌套安装；
两个圆环状铜箔通过下述方式与被测电路实现连接：
在两块单面覆铜箔层压板的外侧面与两个圆环状铜箔相对应的位置，分别设置圆环状的裸露导体区域，各单面覆铜箔层压板上的裸露导体区域与相邻的圆环状铜箔之间分别通过第二过孔和第三过孔实现连接；在与该圆环状铜箔对向的另一单面覆铜箔层压板上的覆铜箔面上设置圆环状的无铜箔区域，作为所述第二过孔和第三过孔的预留绝缘区域；
在两层单面覆铜箔层压板上的裸露导体区域和中间层压板的两个圆环状铜箔的圆心处设通孔，并以螺柱穿过该通孔；螺柱头部与其中一个单面覆铜箔层压板上的裸露导体区域相接，螺柱另一端以旋紧的螺母将被测电路的两个接线端夹紧，被测电路的两个接线端之间保持绝缘；其中，靠内侧的接线端与相邻单面覆铜箔层压板上的裸露导体区域通过导体垫片相接且与螺柱绝缘，靠外侧的接线端与螺柱导通。
本发明中，所述信号输出接口是通过下述方式实现电气连接的：在靠近连接部件的两个条状铜箔端部分别设置横向伸出的条状信号输出铜箔作为导电引线，彼此平行、相对布置且通过中间层压板保持绝缘；其中一个信号输出铜箔的端部连接框型或环形铜箔，在其同侧单面覆铜箔层压板的外侧面设框型或环形裸露导体区域，并以第四过孔与所述框型或环形铜箔相连；另一个信号输出铜箔的端部位于框型或环形铜箔的中心位置，其端部设第五过孔；第五过孔贯穿中间层压板和所述单面覆铜箔层压板后，引出至位于其外侧面的框型或环形裸露导体区域的中心位置，并与安装在框型或环形裸露导体区域处的输出信号接口实现电气连接。
发明原理描述：
本发明公开了一种PCB型低电感电流传感器的新设计：
两个条状铜箔处于PCB中间层压板的两侧，通过过孔连接侧形成电气连接，使得电流路径为小面积的回路，以此作为测试电流回路的电流检测电阻区域。在电流检测电阻区域外延伸一块连接部件，用于和外层导电部位连接，或者直接和被测电路进行连接。PCB板材的上下外层非裸露导体区域有大面积的屏蔽铜箔，并且外层屏蔽铜箔与内层铜箔没有电气连接，外层屏蔽铜箔与外层上的裸露导体区域也没有电气连接。
PCB型低电感电流传感器工作时，电流流过两块PCB铜箔的电流检测电阻区域，从电流经过电流检测电阻区域路径的两端引出电压信号，接到信号输出接口。信号输出接口输出的信号为电流经过电流检测电阻区域路径两端的电压信号。信号输出接口输出的电压信号可以传递给示波器、控制电路等下一级设备。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明利用了PCB(印制电路板)工艺采用数字加工技术、加工精度高、加工产品可靠、生产成本较低、生产效率高等特点，在PCB板材结构中实现了小面积的电流回路，得到低成本的低寄生电感参数电流传感器。
2、本发明提供的PCB型低电感电流传感器尤其适合测量脉冲电流。因为脉冲电流流过铜箔的时间短，由此产生的热量小，给铜箔带来的温升小。铜箔温升小时，阻值变化小，测量精度高。
附图说明
图1显示的是一个典型的同轴电阻截面结构。
图2显示的是依据本发明构建的一个具体实施例的纵向四层展开图(中间层压板未示出)。
图3显示的是图2中上内层铜箔(条状铜箔+圆环状铜箔+信号输出铜箔)的俯视图。
图4显示的是图2中下内层铜箔(条状铜箔+圆环状铜箔+信号输出铜箔)的俯视图。
图5显示的是图2中上层单面覆铜箔层压板覆铜箔面的俯视图。
图6显示的是图2中下层单面覆铜箔层压板覆铜箔面的俯视图。
图7显示的是PCB型低电感电流传感器与被测电路进行连接的示意图(中间层压板未示出)。
图8显示的是PCB型低电感电流传感器连接被测电路(纵向展开)的正视图(中间层压板未示出)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。
图2显示的是本发明的一个具体实施例的纵向四层展开图。PCB型低电感电流传感器包括上内层条状铜箔201、上内层铜箔连接部件202、下内层条状铜箔203、下内层铜箔连接部件204、上外层裸露导体区域206、上外层屏蔽铜箔区域207、下外层裸露导体区域208、下外层屏蔽铜箔区域209、输出信号接口正端214、输出信号接口负端215等。上下内层条状铜箔的同侧末端之间由第一过孔205连接。
作为一个具体实施例子，上内层铜箔连接部件202和下内层铜箔连接部件204是两个同心圆环状铜箔，前者隔着中间层压板同心嵌套安装在后者的内部；上内层铜箔连接部件202和下内层铜箔连接部件204通过下述方式与被测电路实现连接：在两个单面覆铜箔层压板的覆铜箔面(即印制电路板的两个外侧面上)，于上内层铜箔连接部件202和下内层铜箔连接部件204的相应位置分别设置圆环状的上外层裸露导体区域206和下外层裸露导体区域208，上内层铜箔连接部件202和上外层裸露导体区域206由第二过孔210进行连接，下内层铜箔连接部件204和下外层裸露导体区域208由第三过孔211进行连接。下外层无铜箔区域217，为上外层裸露导体区域206的过孔预留绝缘区域。上外层无铜箔区域218，为下外层裸露导体区域208的过孔预留绝缘区域。
信号输出接口是通过下述方式实现电气连接的：在靠近上内层铜箔连接部件202和下内层铜箔连接部件204的上内层条状铜箔201和下内层条状铜箔203端部，分别设置横向伸出的条状的信号输出铜箔，两者隔着中间层压板彼此平行、相对布置，作为导电引线；其中一个信号输出铜箔的端部连接框型铜箔(即上内层铜箔接口213)，在一个单面覆铜箔层压板的外表面设框型裸露导体区域215，以第四过孔220与所述框型铜箔相连；下内层信号输出铜箔212的末端位于框型铜箔的中心位置，其端部设第五过孔219；该第五过孔219的端部外露于所述框型裸露导体区域215的中心位置，并与安装在框型裸露导体区域处的输出信号接口正端214实现电气连接。下外层无铜箔区域216，为第五过孔219和框型裸露导体区域215预留绝缘区域。
工作时，一种可能的电流路径是下外层裸露导体区域208、下内层铜箔连接部件204、下内层条状铜箔203、上内层条状铜箔201、上内层铜箔连接部件202、上外层裸露导体区域206。电流通过下内层条状铜箔203和上内层条状铜箔201时，在这段路径的两端由下内层信号输出铜箔212和上内层铜箔接口213分别将两端的电压信号引到输出信号接口正端和输出信号接口负端，连接的方式是过孔。从而输出信号接口输出的就是下内层条状铜箔203左端经第一过孔205到上内层条状铜箔201左端的电压。
图3显示的是上内层条状铜箔201(及圆环状铜箔和信号输出铜箔)的俯视图。图4显示的是下内层条状铜箔203(及圆环状铜箔和信号输出铜箔)的俯视图。图5显示的是上层单面覆铜箔层压板覆铜箔面的俯视图。图6显示的是下层单面覆铜箔层压板覆铜箔面的俯视图。上下内层条状铜箔201、203中电流检测区域的长度均为L，宽度均为W，铜箔厚度均为d，铜的电阻率为ρ，忽略过孔的电阻，则整个电流检测区域的阻值为：
本发明实施例中，L＝50mm，W＝2.54mm，d＝18μm，ρ＝0.0175μΩ·m，计算得到R＝38.3mΩ。本发明实施例中，上下内层条状铜箔201、203的距离为0.4mm，用Polar Si9000软件对本发明实施例的尺寸参数进行仿真，结果显示在300kHz的条件下，电流检测区域差分线的电感仅为2.23nH，达到了低寄生电感的效果。
与此同时，利用Onderdonk公式对本发明实施例的电流容量进行计算。依据Onderdonk公式有：
其中I是流过导体的电流，A是导体的截面积，S是电流脉冲持续的时间，t是导体的温升，Ta是环境温度。设定环境温度Ta＝20℃，为了保证电流检测区域阻值的精度，设定约束条件为温升t≤20℃，该条件下铜导体电阻率的变化不超过7.9％。在该约束条件下，结合Onderdonk公式计算得到当承受1ms以下的脉冲电流时，本发明实施例的脉冲电流容量为90.1A。
图7是PCB型低电感电流传感器与被测电路进行连接的示意图。一种可能的电流路径是：首先电流从被测电路上层701流到被测电路上层裸露导体区域702；导体垫片703再将电流传导至PCB型低电感电流传感器的下外层裸露导体区域208；然后电流经过过孔到达下内层铜箔连接部件204，并随后流过下内层条状铜箔203；然后电流经过过孔到达上内层条状铜箔201，并随后到达上内层铜箔连接部件202；然后电流经过过孔达到上外层裸露导体区域206；然后电流到达螺柱704，螺柱704穿过整个PCB板，并且螺柱直径小于PCB各层对应位置中心通孔的直径，以保证绝缘；然后电流通过螺柱704到达被测电路下方的螺母705；然后电流到达被测电路下层裸露导体区域706；最后电流流回被测电路下层707。输出信号接口正端214和负端215连接到BNC接口707。
图8显示的是PCB型低电感电流传感器连接被测电路(纵向展开)的正视图。其中包括被测电路上层801、被测电路下层802、PCB型低电感电流传感器上外层803、上内层804、下内层805、下外层806、连接下外层裸露导体区域和下内层铜箔连接部件的第三过孔211、连接下内层条状铜箔和上内层条状铜箔的第一过孔205、连接上内层铜箔连接部件和上外层裸露导体区域的第二过孔210、连接下内层条状铜箔端口和信号输出接口正端的第五过孔219、连接上内层条状铜箔端口和信号输出接口负端的第四过孔220、BNC信号输出接口707、螺柱704、螺母705。
Claims (2)
1.一种PCB型低电感电流传感器，包括用于测试电压信号的电流检测电阻区域；其特征在于，该PCB型低电感电流传感器包括两块单面覆铜箔层压板，且以覆铜箔的一侧为外侧面；两块单面覆铜箔层压板之间设有用于绝缘的中间层压板，其两侧各设一个条状铜箔，彼此相对平行布置；两个条状铜箔的同一侧端部通过中间层压板上的第一过孔实现连接构成电流回路，作为电流检测电阻区域；在两个条状铜箔的另一端分别设有铜箔连接部件，用于连接被测电路；在条状铜箔靠近连接部件的位置设有信号输出接口，用于输出电流检测电阻区域所产生的电压信号；
在单面覆铜箔层压板的外侧面上设有裸露导体区域，且与其外侧面的覆铜箔区域之间通过预留绝缘区域实现分隔；各裸露导体区域通过单面覆铜箔层压板上的过孔连接至相邻的铜箔连接部件，被测电路的正负极分别与两块单面覆铜箔层压板上的裸露导体区域连接；
所述铜箔连接部件是两个径向尺寸不同的圆环状铜箔，且隔着中间层压板同心嵌套安装；
两个圆环状铜箔通过下述方式与被测电路实现连接：
在两块单面覆铜箔层压板的外侧面与两个圆环状铜箔相对应的位置，分别设置圆环状的裸露导体区域，各单面覆铜箔层压板上的裸露导体区域与相邻的圆环状铜箔之间分别通过第二过孔和第三过孔实现连接；在与该圆环状铜箔对向的另一单面覆铜箔层压板上的覆铜箔面上设置圆环状的无铜箔区域，作为所述第二过孔和第三过孔的预留绝缘区域；
在两层单面覆铜箔层压板上的裸露导体区域和中间层压板的两个圆环状铜箔的圆心处设通孔，并以螺柱穿过该通孔；螺柱头部与其中一个单面覆铜箔层压板上的裸露导体区域相接，螺柱另一端以旋紧的螺母将被测电路的两个接线端夹紧，被测电路的两个接线端之间保持绝缘；其中，靠内侧的接线端与相邻单面覆铜箔层压板上的裸露导体区域通过导体垫片相接且与螺柱绝缘，靠外侧的接线端与螺柱导通。
2.根据权利要求1所述的PCB型低电感电流传感器，其特征在于，所述信号输出接口是通过下述方式实现电气连接的：在靠近连接部件的两个条状铜箔端部分别设置横向伸出的条状信号输出铜箔作为导电引线，彼此平行、相对布置且通过中间层压板保持绝缘；其中一个信号输出铜箔的端部连接框型或环形铜箔，在其同侧单面覆铜箔层压板的外侧面设框型或环形裸露导体区域，并以第四过孔与所述框型或环形铜箔相连；另一个信号输出铜箔的端部位于框型或环形铜箔的中心位置，其端部设第五过孔；第五过孔贯穿中间层压板和所述单面覆铜箔层压板后，引出至位于其外侧面的框型或环形裸露导体区域的中心位置，并与安装在框型或环形裸露导体区域处的输出信号接口实现电气连接。
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