CN109521255B - 电路板及电力电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电路板及电力电子设备，所述电路板包括基板以及设置在所述基板上的至少一组电流检测单元，每一所述电流检测单元包括焊接在所述基板上表面的第一磁感应器件、焊接在所述基板下表面的第二磁感应器件以及印制在所述基板不同层面上的第一电流迹线和第二电流迹线，且所述第一电流迹线和第二电流迹线位于同一电流回路；所述第一磁感应器件位于流经所述第一电流迹线的电流所产生的磁场范围内，所述第二磁感应器件位于流经所述第二电流迹线的电流所产生的磁场范围内。本发明实施例可消除外界干扰磁场对电流检测精度的影响，大大提高电流检测精度。
Description
技术领域
本发明实施例涉及电流检测领域，更具体地说，涉及一种电路板及电力电子设备。
背景技术
对于印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)上电流走线的电流检测方案，目前主要有两种：第一种是在电流流通支路中串联采样电阻，通过检测采样电阻上的压降而获知电流大小；第二种则通过采用霍尔元件、各向异性磁电阻(Anisotropic Magnetoresistance，AMR)元件、巨磁电阻(Giant Magneto resistance，GMR)元件或隧道磁电阻(Tunnel Magneto Resistance，TMR)元件等进行检测的方式，把电流转化为容易被识别的电压值。
对于上述第一种采用采样电阻的电流检测方案，需将采样电阻焊接在印制电路板上，因采样电阻发热，导致能够检测的电流范围有限，一般只能应用于小功率器件的电流检测。因此，目前广泛应用的电流检测方案为上述第二种方案。如图1所示，在上述第二种对印制电路板上电流走线的电流检测方案中，需将检测器件U1(例如霍尔元件、各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件及隧道磁电阻元件等)焊接在印制电路板上，待检测的电流线位于检测器件U1的下方，并通过检测器件U1将待检测的电流线中的电流I产生的磁场BI转化为相应的电压值V1，上述电压值V1经运放U3处理后可转换为所需的电压幅值大小。然而，由于存在外界的杂散磁场B0，例如距离检测器件较近非目标电流产生的磁场、地磁场等其他干扰磁场，这些杂散磁场B0都会叠加到目标电流产生的磁场BI上面，从而使检测器件U1的电流检测结果产生偏差。
发明内容
本发明实施例针对上述外界的杂散磁场会叠加到目标电流产生的磁场上，使检测器件的电流检测结果产生偏差的问题，提供一种电路板及电力电子设备。
本发明实施例解决上述技术问题的技术方案是，提供一种电路板，包括由绝缘材料构成的基板以及设置在所述基板上的至少一组电流检测单元，每一所述电流检测单元包括焊接在所述基板上表面的第一磁感应器件、焊接在所述基板下表面的第二磁感应器件以及印制在所述基板不同层面上的第一电流迹线和第二电流迹线，且所述第一电流迹线和第二电流迹线位于同一电流回路；所述第一磁感应器件位于流经所述第一电流迹线的电流所产生的磁场范围内，所述第二磁感应器件位于流经所述第二电流迹线的电流所产生的磁场范围内，且所述第一磁感应器件和所述第二磁感应器件处的杂散磁场相同。
优选地，所述第一磁感应器件的内部磁场检测方向平行于流经所述第一电流迹线的电流在所述第一磁感应器件处所产生的磁场的方向；所述第二磁感应器件的内部磁场检测方向平行于流经所述第二电流迹线的电流在所述第二磁感应器件处所产生的磁场的方向；所述第一磁感应器件的垂向中心轴线与流经所述第一电流迹线的电流的中心轴之间的距离，和所述第二磁感应器件的垂向中心轴线与流经所述第二电流迹线的电流的中心轴之间的距离相同。
优选地，所述第一磁感应器件的内部磁场检测方向与所述第二磁感应器件的内部磁场检测方向相反，所述基板上具有信号相加平均电路，且所述第一磁感应器件的输出端连接到所述信号相加平均电路的第一输入端子，所述第二磁感应器件的输出端连接到所述信号相加平均电路的第二输入端子。
优选地，所述第一磁感应器件的内部磁场检测方向与所述第二磁感应器件的内部磁场检测方向相同；所述基板上具有差分放大电路，且所述第一磁感应器件的输出端连接到所述差分放大电路的第一输入端子，所述第二磁感应器件的输出端连接到所述差分放大电路的第二输入端子。
优选地，所述第一电流迹线印制于所述基板的第一中间层，所述第二电流迹线印制于所述基板的第二中间层，且所述第一中间层至所述基板上表面的距离大于所述预设安规距离，所述第二电流迹线至所述基板下表面的距离大于所述预设安规距离。
优选地，所述第一磁感应器件在所述基板上的正投影区域与所述第二磁感应器件在所述基板上的正投影区域重合；或者，所述第一磁感应器件在所述基板上的正投影区域与所述第二磁感应器件在所述基板上的正投影区域之间的错位距离小于第一预设距离。
优选地，所述第一电流迹线印制于所述基板的下表面，所述第二电流迹线印制于所述基板的上表面，且所述第一电流迹线和第二电流迹线通过穿过所述基板的导电连接部导电连接；所述基板的厚度大于所述预设安规距离。
优选地，所述第一电流迹线、第二电流迹线位于所述导电连接部的两侧，且所述第一磁感应器件和第二磁感应器件与所述导电连接部之间的距离相同并小于第二预设距离。
优选地，所述第一电流迹线及所述第二电流迹线均由铜皮构成；所述第一磁感应器件和第二磁感应器件直接焊接在所述基板上，或者所述第一磁感应器件和第二磁感应器件分别焊接在贴于所述基板表面的印制电路板上。
本发明实施例还提供一种电力电子设备，包括如上所述的电路板。
本发明实施例的电路板及电力电子设备，通过第一磁感应器件和第二磁感应器件分别检测同一电流回路中不同位置的电流产生的磁场，从而以抵消方式消除外界干扰磁场对电流检测精度的影响，可大大提高电流检测精度。
附图说明
图1是现有磁感应器件进行电流检测的原理示意图；
图2是本发明第一实施例提供的电路板的结构示意图；
图3是本发明第一实施例提供的电路板的剖面结构示意图；
图4是本发明实施例提供的电路板的电流检测的原理示意图；
图5是本发明实施例提供的电路板的电流检测的另一原理示意图；
图6是本发明第二实施例提供的电路板的结构示意图；
图7是本发明第二实施例提供的电路板的剖面结构示意图；
图8是本发明第二实施例提供的电路板的另一方向的剖面结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图2-3所示，是本发明第一实施例提供的电路板的示意图，该电路板可以为电力电子设备(例如变频器、变流器等)中的驱动板等，且该电路板具有对电流走线(该电流走线由印制电路板上的铜皮构成)进行电流检测的功能。本实施例的电路板包括基板10以及设置在基板10上的一组电流检测单元，其中上述基板10由绝缘材料(例如环氧树脂等)构成，且电流检测单元包括焊接在基板10上表面的第一磁感应器件20、焊接在基板10下表面的第二磁感应器件30以及印制在基板10不同层面上的第一电流迹线101和第二电流迹线102，且第一电流迹线101和第二电流迹线102位于同一电流回路(流经第一电路迹线101和第二电流迹线102的电流相同)。第一磁感应器件20和第二磁感应器件30处的杂散磁场(例如距离检测器件较近非目标电流产生的磁场、地磁场等其他干扰磁场)相同(包括相近)，即第一磁感应器件20和第二磁感应器件30中，由杂散磁场产生的电压相同。
上述第一电流迹线101及第二电流迹线102均可由印制于基板10的铜皮构成。并且第一磁感应器件20和第二磁感应器件30既可直接焊接在基板10上，也可通过分别焊接在贴于(例如焊接)基板10表面的印制电路板上，即第一磁感应器件20和第二磁感应器件30也可经由印制电路板固定到基板10。
上述第一磁感应器件20和第二磁感应器件30分别焊接在基板10的表面，且该第一磁感应器件20以及第二磁感应器件30可将其所在位置的磁场转换为电压信号输出。具体地，上述第一磁感应器件20和第二磁感应器件30可采用以下元件之一：霍尔元件、各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件、隧道磁电阻元件等。
第一磁感应器件20所在平面与第一电流迹线101和第二电流迹线102所在平面之间的间距分别大于预设安规距离，且该第一磁感应器件20位于流经第一电流迹线的电流所产生的磁场范围(如图3中以第一电流迹线101的中心为圆心的虚线环所示)内，即第一磁感应器件20可将流经第一电流迹线101的电流产生的磁场转换为电压输出。上述预设安规距离可使第一磁感应器件20与第一电流迹线101、第二电流迹线102之间分别满足绝缘和安规要求。
类似地，第二磁感应器件30所在平面与第一电流迹线101和第二电流迹线102所在平面之间的间距分别大于预设安规距离，且第二磁感应器件30位于流经第二电流迹线102的电流所产生的磁场(如图3中以第二电流迹线102的中心为圆心虚线环所示)范围内，即第二磁感应器件30可将流经第二电流迹线102的电流产生的磁场转换为电压输出。上述预设安规距离可使第二磁感应器件30与第一电流迹线101、第二电流迹线102之间分别满足绝缘和安规要求。
并且，在上述电流检测单元中，第一磁感应器件20的内部磁场检测方向(如图2、3中第一磁感应器件20上的箭头所示)与第二磁感应器件30的内部磁场检测方向(如图2、3中第二磁感应器件30上的箭头所示)相反。
结合图4所示，可通过一个信号相加平均电路(例如可由第一电阻R1和第二电阻R2构成)对上述第一磁感应器件20和第二磁感应器件30输出电压进行处理，获得无干扰的电压信号Vout1。具体地，第一磁感应器件20将流经第一电流迹线的电流I产生的磁场BI及外界干扰磁场B0转换为第一电压V1输出，同时，第二磁感应器件30将流经第二电流迹线的电流I产生的磁场BI及外界干扰磁场B0转换为第二电压V2输出。假设上述第一电压V1为：
V1＝+ui-u0 (1)
其中ui为流经第一电流迹线的电流I产生的磁场BI转换获得的电压，u0为杂散磁场B0转换获得的电压。相应地，第二电压V2为：
V2＝+ui+u0 (2)
上述第一电压V1经第一电阻R1与输出端相连，第二电压V2则经过第二电阻R2与输出端相连，当第一电阻R1和第二电阻R2的电阻值相等时，第一电压V1和第二电压V2经信号相加平均电路后的电压Vout1为：
Vout1＝(1/2)×(V2+V1)＝ui (3)
当然上述信号相加平均电路也可以采用具有运放的集成放大电路实现，或者也可以经过上述信号相加平均电路处理之后的信号再经过具有运放的集成放大电路来调整电压信号幅值。
由以上计算式(3)可知，最终输出电压Vout1与外界的杂散磁场B0没有关系，因此该上述电路板可减小外界干扰磁场对电流检测精度的影响，可大大提高电流检测精度。
当然，也可使第一磁感应器件20的内部磁场检测方向与第二磁感应器件30的内部磁场检测方向相同。此时，基板10上可具有差分放大电路，且第一磁感应器件20的输出端连接到差分放大电路的第一输入端子，第二磁感应器件30的输出端连接到差分放大电路的第二输入端子。
具体地，如图5所示，上述差分放大电路包括第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6以及运算放大器U3。上述由第一磁感应器件20产生的第一电压V1经第三电阻R3接入运算放大器U3的反相输入端，由第二磁感应器件30产生的第二电压V2经第四电阻R4接入运算放大器U3的同相输入端，且运算放大器U3的同相输入端经第五电阻R5接地、反相输入端经第六电阻R6连接输出端。当第三电阻R3和第四电阻R4的阻值为Rx，第五电阻R5和第六电阻R6的阻值为Ry时，第一电压V1和第二电压V2经差分放大后的电压Vout2为：
Vout2＝(Ry/Rx)×(V2-V1)＝2×(Ry/Rx)×ui (4)
由计算式(4)可知，最终输出电压Vout2与外界的杂散磁场B0没有关系，因此该结构同样可减小外界干扰磁场对电流检测精度的影响。
此外，在实际应用中，基板10上可具有多组电流检测单元，从而可对基板10上的多个电流回路分别进行电流检测。
根据右手定则，当第一电流迹线101中存在电流时，在第一磁感应器件20位置会产生磁场；当第二电流迹线102中存在电流时，在第二磁感应器件30位置会产生磁场。在本发明的另一实施例中，为达到最佳的电流检测效果，可使上述第一磁感应器件20的内部磁场检测方向平行于流经第一电流迹线101的电流产生的磁场的方向；第二磁感应器件30的内部磁场检测方向平行于流经第二电流迹线102的电流在第二磁感应器件30处所产生的磁场的方向。
为进一步提高第一磁感应器件20和第二电路传感器30的检测精度，上述第一电流迹线101穿过第一磁感应器件20在基板10的正投影区域，即第一电流迹线101位于第一磁感应器件20的正下方；第二电流迹线102穿过第二磁感应器件30在基板10的正投影区域，即第二电流迹线102位于第二磁感应器件30的正下方。
上述用于对第一磁感应器件20输出的第一电压V1和第二磁感应器件30输出的第二电压V2进行相加平均处理的信号相加平均电路可集成到基板10上，且第一磁感应器件20的输出端连接到信号相加平均电路的第一输入端子(该第一输入端子具体可由第一端连接到输出端的第一电阻R1的第二端构成)，第二磁感应器件30的输出端连接到信号相加平均电路的第二输入端子(该第二输入端子具体可由第一端连接到输出端的第二电阻R2的第二端构成)。当然，基板10上也可集成如图5所示的差分放大电路，相应地，第一磁感应器件20的输出端连接到差分放大电路的第一输入端子，第二磁感应器件30的输出端连接到差分放大电路的第二输入端子。
在本实施例中，如图3所示，第一电流迹线101可印制于基板10第一中间层，第二电流迹线102则印制于基板10的第二中间层，且第一中间层至基板10上表面的距离大于预设安规距离，第二电流迹线102至基板10下表面的距离大于预设安规距离。为保证绝缘和安规要求，上述第一中间层与第二中间层之间的距离大于第二安规距离。
为使流经第一电流迹线101中的电流在第一磁感应器件20处的磁场，与流经第二电流迹线102中的电流在第二磁感应器件30处的磁场相同，可使第一磁感应器件20的垂向中心轴线与流经第一电流迹线101的电流的中心轴之间的距离，和第二磁感应器件30的垂向中心轴线与流经第二电流迹线102的电流的中心轴之间的距离相同。具体地，可使第一磁感应器件20和第二磁感应器件30的垂向中心轴线分别穿过对应电流的中心轴线，或位于对应电流中心周线的同侧或两侧。
特别地，为减小因不同位置处杂散电感不同(即保证第一磁感应器件20和第二磁感应器件30处的杂散磁场相同)，而对检测精度产生影响，上述第一磁感应器件20在基板10上的正投影区域与第二磁感应器件30在基板10上的正投影区域重合，或者，第一磁感应器件20在基板10上的正投影区域与第二磁感应器件30在基板10上的正投影区域之间的错位距离小于第一预设距离(该第一预设距离可根据具体的外界杂散磁场环境、检测精度要求等具体设置)。
如图6-8所示，是本发明第二实施例提供的电路板的结构示意图。本实施例中的电路板包括基板40以及设置在基板40上的一组电流检测单元，上述电流检测单元包括焊接在基板40上表面的第一磁感应器件50、焊接在基板40下表面的第二磁感应器件60以及印制在基板40不同层面上的第一电流迹线401和第二电流迹线402。
在本实施例中，第一电流迹线401印制于基板40的下表面，第二电流迹线402印制于基板40的上表面，且第一电流迹线401和第二电流迹线402通过穿过基板40的导电连接部403导电连接；上述基板40的厚度大于所述预设安规距离。相对于第一实施例，本实施例中的基板40可相对较薄，节省材料。
在本实施例中，第一电流迹线401、第二电流迹线402位于导电连接部403的两侧，且第一磁感应器件50和第二磁感应器件60与导电连接部403之间的距离相同并小于第二预设距离(该第二预设距离可根据具体的外界杂散磁场环境、检测精度要求等具体设置)。这样，不仅可使得导电连接部403对第一磁感应器件50和第二磁感应器件60的检测结果影响相同，并且，可使得外界杂散磁场对第一磁感应器件50、第二磁感应器件60影响也相同。
本发明实施例还提供一种电力电子设备，该电力电子设备可以为变频器、伺服驱动器等，且该电力电子设备包括如上所述的电路板。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种电路板，其特征在于，包括由绝缘材料构成的基板以及设置在所述基板上的至少一组电流检测单元，每一所述电流检测单元包括焊接在所述基板上表面的第一磁感应器件、焊接在所述基板下表面的第二磁感应器件以及印制在所述基板不同层面上的第一电流迹线和第二电流迹线，且所述第一电流迹线和第二电流迹线位于同一电流回路；所述第一磁感应器件位于流经所述第一电流迹线的电流所产生的磁场范围内，所述第二磁感应器件位于流经所述第二电流迹线的电流所产生的磁场范围内，且所述第一磁感应器件和所述第二磁感应器件处的杂散磁场相同，并通过抵消方式消除外界干扰磁场对电流检测精度的影响；所述第一磁感应器件的内部磁场检测方向与所述第二磁感应器件的内部磁场检测方向相反。
2.根据权利要求1所述的电路板，其特征在于，所述第一磁感应器件的内部磁场检测方向平行于流经所述第一电流迹线的电流在所述第一磁感应器件处所产生的磁场的方向；所述第二磁感应器件的内部磁场检测方向平行于流经所述第二电流迹线的电流在所述第二磁感应器件处所产生的磁场的方向；所述第一磁感应器件的垂向中心轴线与流经所述第一电流迹线的电流的中心轴之间的距离，和所述第二磁感应器件的垂向中心轴线与流经所述第二电流迹线的电流的中心轴之间的距离相同。
3.根据权利要求1所述的电路板，其特征在于，所述基板上具有信号相加平均电路，且所述第一磁感应器件的输出端连接到所述信号相加平均电路的第一输入端子，所述第二磁感应器件的输出端连接到所述信号相加平均电路的第二输入端子。
4.根据权利要求1所述的电路板，其特征在于，所述第一电流迹线印制于所述基板的第一中间层，所述第二电流迹线印制于所述基板的第二中间层，且所述第一中间层至所述基板上表面的距离大于预设安规距离，所述第二电流迹线至所述基板下表面的距离大于所述预设安规距离。
5.根据权利要求4所述的电路板，其特征在于，所述第一磁感应器件在所述基板上的正投影区域与所述第二磁感应器件在所述基板上的正投影区域重合；或者，所述第一磁感应器件在所述基板上的正投影区域与所述第二磁感应器件在所述基板上的正投影区域之间的错位距离小于第一预设距离。
6.根据权利要求1所述的电路板，其特征在于，所述第一电流迹线印制于所述基板的下表面，所述第二电流迹线印制于所述基板的上表面，且所述第一电流迹线和第二电流迹线通过穿过所述基板的导电连接部导电连接；所述基板的厚度大于预设安规距离。
7.根据权利要求6所述的电路板，其特征在于，所述第一电流迹线、第二电流迹线位于所述导电连接部的两侧，且所述第一磁感应器件和第二磁感应器件与所述导电连接部之间的距离相同并小于第二预设距离。
8.根据权利要求1所述的电路板，其特征在于，所述第一电流迹线及所述第二电流迹线均由铜皮构成；所述第一磁感应器件和第二磁感应器件直接焊接在所述基板上，或者所述第一磁感应器件和第二磁感应器件分别焊接在贴于所述基板表面的印制电路板上。
9.一种电路板，其特征在于，包括由绝缘材料构成的基板以及设置在所述基板上的至少一组电流检测单元，每一所述电流检测单元包括焊接在所述基板上表面的第一磁感应器件、焊接在所述基板下表面的第二磁感应器件以及印制在所述基板不同层面上的第一电流迹线和第二电流迹线，且所述第一电流迹线和第二电流迹线位于同一电流回路；所述第一磁感应器件位于流经所述第一电流迹线的电流所产生的磁场范围内，所述第二磁感应器件位于流经所述第二电流迹线的电流所产生的磁场范围内，且所述第一磁感应器件和所述第二磁感应器件处的杂散磁场相同，并通过抵消方式消除外界干扰磁场对电流检测精度的影响；所述第一磁感应器件的内部磁场检测方向与所述第二磁感应器件的内部磁场检测方向相同；所述基板上具有差分放大电路，且所述第一磁感应器件的输出端连接到所述差分放大电路的第一输入端子，所述第二磁感应器件的输出端连接到所述差分放大电路的第二输入端子。
10.一种电力电子设备，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的电路板。
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