CN110007123B - 偏移电流传感器结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电流传感器结构(99)，该电流传感器结构(99)包括用于在电流方向(24)上传导电流的导体(20)。导体具有一个或多个导体表面(22)和边缘。至少一个电流传感器(30)设置在导体上、在导体上方、邻近导体或与导体接触，并且在与电流方向正交的偏移方向(28)上从导体的中心偏移。电流传感器(30)与导体的边缘对准，或者导体具有宽度W，并且电流传感器在导体边缘的W/2.5、W/3、W/4、W/5或W/6的距离内。电流传感器结构可包括基板，导体被设置在基板上。

Description

偏移电流传感器结构
技术领域
本发明总体上涉及集成电流传感器结构领域。
背景技术
传感器被广泛用于电子设备中以测量环境的属性并报告测量到的传感器值。具体地，磁传感器用于例如在诸如汽车的运输系统中测量磁场。磁传感器可以包含霍尔效应传感器或磁阻材料，霍尔效应传感器生成与施加的磁场成比例的输出电压，磁阻材料的电阻响应于外部磁场而改变。
电流传感器是检测导线中的电流(交流或直流)并生成与该电流成比例的信号的设备。产生的信号可以是模拟电压或电流，或甚至是数字输出。一种用于检测和测量导电导线中的电流的方法使用基于霍尔效应的霍尔传感器。霍尔效应是相对于材料中的电流横向地且相对于与该电流垂直的所施加的磁场横向地、跨导电材料(诸如，导线)产生电压差(霍尔电压)。可以测量电压差，并且如果所施加的磁场是已知的，则可以推断出导电材料中的电流。这种电流传感器可以被称为磁电流传感器。例如，US5831426描述了一种电流确定器，该电流确定器在垂直于输入导体范围的方向上沿着基板延伸。US9291648、US2016/109550、US7635993、US4536706、US4516070、US8760149和US9222992都描述了磁电流传感器。
从磁电流传感器中排除杂散磁场是重要的。由于推断的电流取决于施加到磁传感器的局部磁场，因此任何未知或不期望的磁场都可能导致不正确的测量。同样重要的是，在测量时刻对于直流和交流电流两者对于宽频率范围提供一致且准确的电流测量。
因此，需要一种用于在具有杂散磁场的环境中、且对于具有从直流电流到频率高达几kHz或甚至MHz兆赫的交流电流的宽频率范围的电流提供一致且准确的电流测量的电流传感器结构。
发明内容
本发明的实施例的目的是提供一种减小或克服上述限制的电流传感器结构。
上述目标通过根据本发明的解决方案来完成。
本发明的实施例提供了一种电流传感器结构，该电流传感器结构包括用于在电流方向上传导电流的导体，该导体具有一个或多个导体表面并具有边缘。电流传感器设置在导体上，设置在导体上方设置为邻近导体相邻，或设置为与导体接触，并且在与电流方向正交的偏移方向上从导体的中心偏移。在实施例中，偏移方向平行于导体表面。导体可以具有长度、宽度以及厚度，其中，长度大于宽度，宽度大于厚度，并且偏移方向在宽度方向上，在厚度方向上，或者在宽度和厚度两者方向上。
在本发明的实施例中，电流传感器包括一个或多个集成电路和印刷电路板，(多个)集成电路被设置在印刷电路板上。在实施例中，集成电路中的一个包括传感器电路。
在本发明的实施例中，导体是独立的，例如，自立式固体金属条，例如，铜条。在本发明的其他实施例中，电流传感器结构包括具有基板表面的基板，其中导体设置在基板表面上，设置在基板表面上方，设置为与基板表面接触，或设置为邻近基板表面，并且其中电流传感器设置为邻近导体的与基板表面相对的导体表面或导体的与基板表面正交的导体表面，设置为与导体的与基板表面相对的导体表面或导体的与基板表面正交的导体表面接触，设置在导体的与基板表面相对的导体表面或导体的与基板表面正交的导体表面上，或设置在导体的与基板表面相对的导体表面或导体的与基板表面正交的导体表面上方。基板表面可以是平面的或基本上平面的。基板可以是印刷电路板。在其他实施例中，导体被集成或被嵌入在基板或印刷电路板内，例如包括集成功率迹线、导线或通孔(诸如，铜线)的功率印刷电路板，并且电流传感器设置为邻近基板或印刷电路板，设置为与基板或印刷电路板接触，设置在基板或印刷电路板上，或设置为邻近基板或印刷电路板。
在一些配置中，电流传感器与导体边缘对准。边缘可以是有圆角的或弯曲的。导体可以具有宽度W，并且电流传感器可以设置为在偏移方向上距导体的中心偏移距离O，该偏移距离O大于或等于W/5、W/2.5或2W(2倍W)。在其他实施例中，电流传感器可以设置为在偏移方向上距导体中心偏移距离O，该偏移距离O大于或等于W/2、W/3、W/4、W/5或W/6。对准可以在制造或放置公差范围内。
在一些实施例中，电流传感器结构包括多个电流传感器，由此多个电流传感器中的每个电流传感器在偏移方向上从导体的中心偏移，该偏移方向与电流方向正交且可选地平行于导体表面。多个电流传感器中的第一电流传感器可以设置在导体的第一导体表面上，设置在导体的第一导体表面上方，设置为与导体的第一导体表面接触，或设置为邻近导体的第一导体表面，并且多个电流传感器中的第二电流传感器可以设置在导体的与第一导体表面相对的第二导体表面上，设置在导体的第二导体表面上方，设置为与导体的第二导体表面接触，或设置为邻近导体的第二导体表面。导体表面可以是相同的表面、不同的表面或相对的不同表面。多个电流传感器中的第一电流传感器和多个电流传感器中的第二电流传感器可以设置在导体的同一导体表面上，设置在导体的同一导体表面上方，设置为与导体的同一导体表面接触，或设置为邻近设置在导体的同一导体表面，或者多个电流传感器可以相对于导体中心对称地放置，或者可以相对于导体的长度轴向对称地设置。
在一些配置中，导体具有顶表面区域和小于顶表面区域的侧表面区域，并且第一电流传感器和第二电流传感器两者都被设置在与顶表面平行的线或平面中，或者第一电流传感器和第二电流传感器两者都被设置在与侧表面平行的线或平面中。
在各种配置中，第一电流传感器和第二电流传感器都两者被设置在与基板表面正交的线中，或者两者都被设置在与基板表面平行的线或平面中。在一些配置中，第一电流传感器和第二电流传感器都两者被设置在与导体表面正交的线或平面中，或者两者都被设置在与导体表面平行的线或平面中。第一电流传感器与第二电流传感器可以在电流方向上偏移。
在本发明的实施例中，电流传感器结构包括屏蔽件，例如，铁磁屏蔽件，该屏蔽件至少部分地围绕导体和电流传感器。导体可以设置在屏蔽件中，设置在屏蔽件上，设置为与屏蔽件接触，或设置在屏蔽件上方，或者设置在设于屏蔽件上的层上。在与电流方向和基板表面正交的方向上的屏蔽件的横截面可以形成平面、两个平行平面或U形形状，该U形形状包括竖直部分，该竖直部分相对于基板表面或从屏蔽件的底表面竖直延伸。屏蔽件的底表面可以与导体的表面或基板表面接触。屏蔽件的竖直部分可以是平行的，或可以设置在平行的平面中。屏蔽件可以是叠层式的，或者可以包括单一材料。
在电流传感器结构的一些实施例中，导体具有凹口，并且电流传感器设置为邻近该凹口。在电流传感器结构的其他的实施例中，导体具有孔或槽，并且电流传感器设置为邻近该孔或槽。
在本发明的实施例中，导体在与电流流动方向正交的横截面中具有U形形状。可相对于导体设置至少两个电流传感器，以测量由不同或相反方向上的电流生成的磁场，并测量相同方向上的外部磁场，从而能够抵消外部磁场。
导体或屏蔽件可以是叠层式的或导体和屏蔽件两者可以是叠层式的。叠层屏蔽件可以包括叠层式层，并且叠层式层可以被设置成与电流方向正交，平行于电流方向，平行于基板表面，平行于导体的厚度或长度表面，或者垂直于基板表面，垂直于导体的厚度或长度表面，或在任何其他方向上。屏蔽件可以包括单个铁磁材料，或者可以包含一个或多个叠层式层或铁磁材料或其他磁场材料。
在本发明的实施例中，电流传感器结构包括三个或更多个导体，每个导体具有在类似的平行方向延伸的最长尺寸，每个导体传导三相电流的相，并且三个或更多个导体中的至少两个导体具有至少一个电流传感器或具有至少两个电流传感器。
本发明的实施例提供一种电流传感器结构，该电流传感器结构在对应于电导体中不同频率的交流电流的磁场的幅度和相位测量方面具有改进的稳定性和一致性，并且具有对外部磁场的改进的抗扰性或抑制，诸如，交叉场灵敏度。
出于对本发明以及相对现有技术所实现的优势加以总结的目的，上文已描述了本发明的某些目的和优势。当然，应理解，不一定所有此类目的或优势都可根据本发明的任何特定实施例来实现。因此，例如，本领域的技术人员将认识到，本发明可按实现或优化如本文中所教导的一个优势或一组优势的方式来具体化或执行，而不一定要实现如本文可能教导或建议的其他目的或优势。
参考本文以下描述的(多个)实施例，本发明的上述和其他方面将是显而易见的和可阐明的。
附图说明
现在将作为示例参考附图进一步描述本发明，附图中相同的附图标记指代各附图中的相同要素。
图1A是本发明的说明性实施例的透视图。图1B是沿图1A的横截面线A截取的截面图。图1C是具有较大印刷电路板尺寸的本发明的说明性实施例的截面图。图1D是本发明的说明性替代实施例的截面图。图1E是包括支撑基板的本发明的说明性实施例的透视图。图1F是沿图1D的横截面线A截取的截面图。
图2A-2E是包括一个或多个电流传感器的本发明的说明性实施例的截面图。
图3A-3E是包括多个电流传感器的本发明的说明性实施例的截面图。
图4是具有在电流方向上的偏移的电流传感器的本发明的说明性实施例的平面图。
图5A是包括叠层屏蔽件的本发明的说明性实施例的透视图。图5B是沿图5A的横截面线A截取的截面图。图5C-5J是本发明的替代说明性实施例的截面图。
图6A是包括具有凹口的导体的本发明的说明性实施例的透视图。图6B是包括屏蔽件的图6A的实施例的平面图。图6C是包括具有孔或槽的导体的本发明的说明性实施例的透视图。
图7包括有助于理解本发明实施例的不同频率下的电导体中的电流密度的结构和模型图示。
图8包括根据有助于理解本发明实施例的电流的行为模型的、针对各种电流频率的电导体中的磁场和相位的曲线图和结构图示。
图9显示了根据本发明实施例的电流传感器结构的图像。
图10包括相对于电流频率的相移和增益变化测量的曲线图以及根据本发明实施例的相应电流传感器结构的图示。
图11A是有助于理解本发明实施例的电流传感器结构的透视图。图11B是沿图11A的横截面线A截取的截面图。
图12A是示出电流传感器结构以及电流传感器的插图细节的透视图，图12B是沿图12A的横截面线A截取的结构的界面图以及电流传感器的插图细节。
具体实施方式
将针对具体实施例且参考某些附图来描述本发明，但是本发明不限于此而仅由权利要求书来限定。当结合附图时，本公开的特征和优点将从以下阐述的具体实施方式中变得更加明显，在附图中，相同的字符在整个说明书中标识对应的要素。在附图中，相同的附图标记一般指相同的、功能上相似的和/或结构上相似的要素。这些图不是按比例绘制的，因为图中各种要素的尺寸变化过大而不能按比例绘制。
此外，说明书中和权利要求中的术语第一、第二等等用于在类似的要素之间进行区分，并且不一定用于在时间上、空间上、以排名或任何其他方式来描述序列。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文中所描述的本发明的实施例能以与本文中所描述或展示的顺序不同的其他顺序来操作。
应注意，权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限定于其后列出的装置；它并不排除其他要素或步骤。因此，该术语被解释为指定所陈述的特征、整数、步骤或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或部件、或其群组的存在或添加。因此，表述“一种包括装置A和B的设备”的范围不应当被限定于仅由部件A和B构成的设备。这意味着对于本发明，该设备的仅有的相关部件是A和B。
贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意指结合该实施例描述的特定的特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语在“一个实施例中”或“实施例中”贯穿本说明书在各个地方的出现并不一定全部是指同一实施例，而是可以指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，如从本公开中对本领域普通技术人员将是显而易见的，特定的特征、结构或特性可以用任何合适的方式进行组合。
类似地，应当领会，在本发明的示例性实施例的描述中，出于精简本公开和辅助对各个发明性方面中的一个或多个的理解的目的，本发明的各个特征有时被一起编组在单个实施例、附图或其描述中。然而，这种公开的方法不应被解释为反映所要求保护的本发明需要比每项权利要求中明确记载的特征更多的特征的意图。相反，如所附权利要求所反映，发明性方面在于比单个前述公开的实施例的全部特征更少的特征。由此，具体实施方式之后所附的权利要求由此被明确纳入具体实施方式中，其中每一项权利要求本身代表本发明的单独实施例。
此外，尽管本文中所描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特征但不包括其他实施例中所包括的其他特征，但是不同实施例的特征的组合旨在落在本发明的范围内，并且形成如将由本领域技术人员所理解的不同实施例。例如，在所附的权利要求书中，所要求保护的实施例中的任何实施例均可以任何组合来使用。
应当注意的是，在描述本发明的某些特征或方面时，特定术语的使用不应当用来暗示该术语在本文中被重新定义以受限于包括与所述术语相关联的本发明的特征或方面的任何特定特性。
在本文所提供的描述中，阐述了众多具体细节。然而应理解，在没有这些具体细节的情况下也可实践本发明的实施例。在其他实例中，公知的方法、结构和技术未被详细示出以免混淆对本描述的理解。
本发明的实施例提供了一种电流传感器，该电流传感器对于电导体中的不同频率的交流电流具有改进的感测性能。参见图1A、图1B和图1C以及以下描述的其他图，电流传感器结构99包括用于在电流方向24上传导电流的电导体20。导体20可以具有多个导体表面22，并且可以是具有不同的电气隔离的材料层的叠层结构，这些材料例如导电材料。用于感测导体20的局部的磁场的电流传感器30被设置在导体20的导体表面22上，被直接设置在导体20的导体表面22上，被设置在导体20的导体表面22上方，被设置为与导体20的导体表面22接触(例如，与导体20的导体表面22直接接触)，被设置在导体20的导体表面22的上方、下方或被设置为邻近导体20的导体表面22。在实施例中，电流传感器30被直接设置在导体20上，被直接设置在导体表面22上，或被直接设置在导体20或导体表面22上的层上。
还参见图12A和图12B，电流传感器30可以包括集成电路32，集成电路32可以模制在封装中，并设置在印刷电路板34或其他布线基板上。集成电路32可以使用该集成电路32的封装上的、且电连接到该集成电路32中的电路的引线或引脚36电连接到印刷电路板34上的导线、引线框、焊料凸块和其他导体中的任何一个或任何组合。印刷电路板34可以仅包括感测电流(并且相对小)的集成电路，或者可以包括提供控制或信号处理能力(并且相对大)的其他集成电路。集成电路32还可以包括集成磁聚集器38(IMC，如图12A和图12B的插图中所示)，以便感测平行于导体的表面的磁场。也可代替霍尔传感器和IMC而使用例如感测平面内磁场的替代的磁传感器技术，诸如，巨磁阻传感器(GMR)、隧穿磁阻传感器(TMR)、各向异性磁阻传感器(AMR)、磁通门或罗氏线圈。如果导体表面22不是平面的，则平面内磁场可以与导体表面22平行或者与导体表面22的平均高度平行。在其他实施例中，竖直的霍尔传感器被使用。在其他实施例中，使用双轴或三轴磁场传感器(采用霍尔效应、AMR、GMR或任何其他合适的感测技术)。
如图1A、图1B、图1C、图12A和图12B所示，集成电路32位于印刷电路板34的、与导体20相对的一侧(即，集成电路32位于印刷电路板34的、远离导体20的相对侧上)，使得印刷电路板34位于集成电路32与导体20之间。如图1A和图1B中所示，印刷电路板的宽度小于导体20的宽度，但大于集成电路32的宽度。参见图1C，印刷电路板的宽度大于导体20的宽度以及集成电路32的宽度。在替代实施例中，参见图1D，集成电路32位于印刷电路板34与导体20之间。在本发明的一些实施例中，印刷电路板在导体20与集成电路32之间(即，如图1A和图1B中所示)包括减小导体20与集成电路32之间的电容性耦合的接地平面(例如，扩展的接地层)或功率平面。在这样的实施例中，印刷电路板中的接地平面或电压(功率)平面可以是电场屏蔽平面，该电场屏蔽平面被设置在电流传感器30(或电流传感器集成电路32)与导体20之间，并且减小电流导体20与电流传感器30(或电流传感器集成电路32)之间的电容性耦合。可替代地，印刷电路板34中的导电材料层可以形成独立于接地平面或功率平面的电场屏蔽平面。
在图1A、图1B、图1C和图1D的实施例中，导体20是独立的，并且不需要单独的支撑件。在其他实施例中，参见图12A、图12B、图1E以及图1F，电流传感器结构99包括具有基板表面12的基板10。基板10可以是印刷电路板。电导体20相对于基板10的基板表面12设置。在实施例中，导体20被设置在基板表面12或基板10或基板表面12上设置的层上，被直接设置在基板表面12或基板10或基板表面12上设置的层上，被设置在基板表面12或基板10或基板表面12设置的层的上方，被设置为与基板表面12或基板10或基板表面12上设置的层接触(例如，与基板表面12或基板10或基板表面12上设置的层直接接触)或被设置为邻近基板表面12或基板10或基板表面12上设置的层。在其他实施例中，导体20被设置或被嵌入在基板10中，并且电流传感器30(或集成电路32)直接组装在基板表面12上。
设置在基板10上的层可以是基板10的一部分，或提供基板表面12。在实施例中，导体20在基板10上方或邻近基板10，但是不与基板10直接接触。导体20可以在该导体20的、与基板10相对的一侧具有导体表面22。设置在导体20或导体表面22上的层可以是导体20的一部分，或提供导体表面22。导体表面22可以是平面，或可以在平面内。在其他实施例中，导体表面22不是平面的。
参见图11A、图11B、图12A和图12B，电流传感器30可以居中或设置在导体20的中心26上，例如，沿着导体20的长度L的中心轴线，使得它不从导体20的中心偏移。将电流传感器30设置在该位置可以增加电流传感器30对于在导体20中流动的电流的的直流(DC)平均响应并且简化构造。只要电流传感器30在制造对准性或放置公差内被设置在导体20的中心26上，或者不是刻意相对于导体20的中心26偏移设置，该电流传感器30就不偏移。如果(i)电流传感器30的中心、(ii)电流传感器30中的感测元件(诸如，集成电路32)的中心或者(iii)集成电路32内的执行感测的感测元件在制造对准性或放置公差内被设置在导体中心26上，则电流传感器30可以被设置在导体20的中心26上。
导体20可以具有长度L、宽度W和厚度T(例如，高度或深度)。长度L可以大于宽度W，宽度W可以大于厚度T，并且偏移方向28可以是宽度W方向。长度L可以在电流方向24上。通常，导体20例如在HEV-EV三相电动机控制中、在汽车配电总线上、在电池监控系统中或在印刷电路板34中(图12B)在方向L上将一个电气元件连接到另一个电气元件。可以选择宽度W和厚度T来提供导体20材料的所期望的导电性。在本发明的实施例中，长度L远大于宽度W，例如，长度L至少是宽度W的两倍，长度L至少是宽度W的五倍，长度L至少是宽度W的十倍或长度L至少是宽度W的二十倍。
参见图1A-1F中所示的本发明的实施例，电流传感器30在偏移方向28上从导体20的中心26偏移距离O，该偏移方向与电流方向24正交且平行于导体表面22且可选地平行于基板表面12(如果存在)。如果电流传感器30的中心、印刷电路板34的中心、集成电路32的中心或电流传感器30的另一感测元件的中心在制造对准性或放置公差内在偏移方向28上从导体20的中心26(例如，中心线)偏移，则电流传感器30从导体20的中心26偏移O(O大于零)。在实施例中，电流传感器30的无一部分与导体中心26重叠。在与电流方向26和长度L方向正交的宽度W方向上截取的导体20的横截面可以对应于导体26相对于导体20的轴向的横向切割。偏移方向28可以，但不一定，平行于导体表面22(导体表面22不需要是平面的)。
在本发明的实施例中，电流传感器30可以偏移等于或大于电流传感器30宽度或长度的三分之一、四分之一或六分之一的偏移距离O。在电流传感器30包括印刷电路板34或集成电路32的情况下，电流传感器30的偏移距离O可以是等于或大于印刷电路板34或集成电路32的宽度或长度的距离。在其他实施例中，电流传感器30的偏移距离O可以是等于或大于印刷电路板34或集成电路32的宽度或长度的六分之一、四分之一、三分之一或一半的距离。在其他实施例中，电流传感器30可以偏移等于或大于电流传感器30的宽度或长度的偏移距离O，或者偏移电流传感器30的宽度或长度的六分之一、四分之一、三分之一或一半。
在一些实施例中，导体20具有边缘E，并且电流传感器30的边缘或中心与导体20的边缘E对准(如图1A和图1B中所示)。导体20的边缘E可以是有圆角的的或弯曲的。在其他实施例中，导体20具有宽度W，并且电流传感器30的中心或边缘在导体边缘E的W/5、W/2.5或2W(2倍W)或更小的距离内。在其他实施例中，电流传感器可以设置为在偏移方向上距导体的中心偏移距离O，该偏移距离O大于或等于W/2、W/3、W/4、W/5或W/6。对准可以在制造或放置公差范围内。
在其中电流传感器30包括印刷电路板34、集成电路32或感测元件的一些其他实施例中，印刷电路板34、集成电路32或电流传感器30的感测元件与边缘E对准。在又另一实施例中，电流传感器30悬垂在导体20的边缘E上。对准可以在制造或放置公差范围内。
在本发明的实施例中，电流传感器结构99包括多个电流传感器30。多个电流传感器30可以被集成到单个芯片、单个集成电路或单个封装中。多个电流传感器30中的每个电流传感器30可以在偏移方向28上从导体20的中心26偏移距离O，该偏移方向28与电流方向24正交且平行于基板表面12(如果基板10存在，如图1E和图1F中所示)或者平行于导体表面22。参见图2A，多个电流传感器30中的第一电流传感器30和多个电流传感器30中的第二电流传感器30被设置在导体20的同一侧上，例如，在导体20的与基板表面12相对的导体表面22上并且在与基板表面12平行的线上。参见图2B，多个电流传感器30中的第一电流传感器30被设置在导体20的第一侧或导体表面22上，并且多个电流传感器30中的第二电流传感器30被设置在导体20的与第一侧或导体表面22相对的第二侧或导体表面22上。如图2B中所示，两个电流传感器30中的一个被设置在导体20的一侧或导体表面22上。在存在基板10的实施例中，两个电流传感器30中的一个可以被设置为邻近基板表面12，而两个电流传感器30中的另一个可以被设置在导体20的与基板表面12相对的一侧或导体表面22上。在一些实施例中，多个电流传感器30相对于导体中心26对称地放置。
导体20可以用粘合层14粘附到基板10(如果存在)，并且电流传感器30可以嵌入在粘合层14中。如图2B中所示，第一和第二电流传感器30也可以在偏移方向28(宽度方向W)上被设置在导体20的相对侧上。参见图2C，四个电流传感器30可以被设置在导体20上，在偏移方向28上，在导体20的每一侧或每一导体表面22上具有两个电流传感器30。在导体20的邻近基板表面12的一侧上也有两个电流传感器30(例如，嵌入在粘合层14中)，并且在导体20的与基板12相对的一侧或导体表面22上也有两个电流传感器30。
在本发明的一些实施例中，参见图2D(具有两个电流传感器30和相对薄的导体20)和图2E(具有一个电流传感器30和相对厚的导体20)，电流传感器30中的任何一个或全部以移除距离D远离导体20(即，一个或多个电流传感器30在与电流传感器30与之最接近的导体表面12正交的方向上远离导体20或从导体20偏移移除距离D)。例如，集成电路32设置于其上的印刷电路板34可以具有厚度D，使得集成电路32不与导体20接触。可替代地，在本发明的实施例中，整个电流传感器30以移除距离D远离导体20，如图2D和图2E中所示。
对于相对薄的导体20，该移除距离D可以小于宽度W，例如，W可以比移除距离D大至少两倍、五倍、十倍、二十倍或五十倍。在包括相对厚的导体20的其他实施例中，移除距离D可以大于导体20的宽度。
在其他实施例中，电流传感器30中的任何一个或组合可以包括单片式电流传感器30中的两个或更多个传感器元件。这两个或更多个传感器元件可以在空间上偏移，并且可以操作以感测差分场，诸如，差分磁场。
如图2A-2D中所示，电流传感器30具有大于厚度T的宽度W。在一些配置中，导体20具有顶表面区域(例如，对应于导体20在宽度W和长度L方向上的区域，诸如，导体表面22)和侧表面区域(例如，对应于导体20在厚度T和长度L方向上的区域)。侧表面区域小于顶表面区域，并且第一电流传感器30和第二电流传感器30两者都被设置在与顶表面平行的线或平面中。可替代地，第一电流传感器30和第二电流传感器30两者都被设置在与侧表面平行的线或平面中。
在替代实施例中，如图2E中所示，并且参见图3A，电流传感器30具有小于厚度T的宽度W。如图3A中所示，多个电流传感器30中的第一电流传感器30和多个电流传感器30中的第二电流传感器30被设置在导体20的同一侧或同一导体表面22上，例如，两者都被设置在与基板表面12正交的线上。参见图3B，多个电流传感器30中的第一电流传感器30被设置在导体20的第一侧或导体表面22上，并且多个电流传感器30中的第二电流传感器30被设置在导体的与第一侧相对的第二侧或导体表面22上。导体20可以，但不一定，具有与其长度L正交的矩形横截面。参见图3C，四个电流传感器30可以被设置在导体20上，在偏移方向28上，在导体20的每一侧或每一导体表面22上具有两个电流传感器30。
参见图3D，两个电流传感器30在导体20的相对侧上彼此直接相对地设置。在这样的布置中，电流传感器结构99能以差分方式操作，使得来自两个电流传感器30的信号可以相减以抵消外部磁场，从而改善电流传感器结构99的信噪比。例如，第一传感器30a可以测量Va＝Bext+Bcurrent和Vb＝Bcurrent–Bext使得Va+Vb＝2x Bcurrent。这样的实施例可以减少对屏蔽件40的需要。如图3A-3D中所示，第一和第二侧22与基板表面12正交，但是其他角度是可能的，并且被包括在本发明中，例如，导体20可以具有梯形横截面。
在本发明的各种实施例中，电流传感器30可以设置在导体20的表面上，并且与导体20的边缘对准，如图3B中所示。在其他实施例中，参见图3A，电流传感器30可以设置在导体20的表面上，并在导体20的边缘上方延伸，如图所示，或者从边缘回缩(图3A-3D中未示出)。参见图3C和图3D，电流传感器30可以被设置成使得电流传感器30不与导体20的表面接触，而是在空间上与导体20分开一间隙。
参见图3E，在一些实施例中，电流导体20具有U形形状，该U形形状具有在与电流流动的方向24正交的横截面方向上延伸的两个支腿(电流流动的方向24在图1A中示出)。相对于导体20设置至少两个电流传感器30，以测量由不同或相反方向上的电流生成的磁场，并测量相同方向上的外部磁场。例如，两个电流传感器30对称地设置在导体20的两个不同支腿上，使得电流传感器30正在感测在相对相反的方向上流动的相同电流，但感测在相同的取向上的相同的外部场。在这种情况下，用于每个电流传感器30的导体20的导体中心26是每个支腿的中心，通过该每个支腿的中心测量流动的电流。在这样的布置中，电流传感器结构99能以差分方式操作，使得来自两个电流传感器30的信号可以相减以抵消任何外部磁场。例如，第一电流传感器30可以测量Va＝Bext+Bcurrent，而第二电流传感器30可以测量Vb＝Bext-Bcurrent，使得Va-Vb＝2x Bcurrent。Va和Vb的相对符号用局部传感器坐标表示。因此，多个电流传感器30中的至少两个电流传感器30被设置在导体20上，以在不同方向上测量相同的电流磁场幅度，使得可以通过两个电流传感器测量的组合来抵消外部磁场相对于由至少两个电流传感器30测量到的所感测的电流生成的磁场的贡献。在一些实施例中，两个电流传感器30位于导体20的共同侧(例如，在U形导体20的不同的臂上)。在其他实施例中，两个电流传感器30位于同一导体20的不同侧上(例如，如图3D中所示)。
在本发明的其他实施例中，电流传感器结构99包括两个或三个或更多个导体20，每个导体20都具有电流传感器30并且在一个方向上延伸，并且方向是平行的。
在一些实施例中，两个或更多个电流传感器30被设置在与导体表面22正交或与基板表面12(例如，如图2C、图3A、图3B和图3C中所示，如果存在)正交的线或平面中。在其他实施例中，参见图2A、2B、2C和3C，第一电流传感器30和第二电流传感器30两者都被设置在与导体表面22或基板表面12(如果存在)平行的线或平面中。在进一步的实施例中，如图4中所示，第一电流传感器30与第二电流传感器30在电流方向24上偏移距离P。
参见图5A和图5B以及图12A和图12B，电流传感器结构99包括屏蔽件40(图12A和图12B)或叠层屏蔽件40L(图5A和图5B)，它们统称屏蔽件40，例如，用于保护电流传感器30免受杂散磁场或外部磁场影响的磁屏蔽件40。屏蔽件40的尺寸设定以避免在期望的电流感测范围内的磁饱和的方式完成。除了杂散场屏蔽的主要功能之外，屏蔽件40还提供磁聚集功能。屏蔽件40至少部分地围绕导体20和电流传感器30，并且可以被设置在导体20、导体表面22、基板10或基板10的表面12上，或者被设置在导体20、导体表面22、基板10或基板表面12上所提供的层或结构上。在其他实施例中，电导体20(例如，汇流条、迹线或导线)可以被设置在屏蔽件40中、被设置在屏蔽件40上或被设置在屏蔽件40上方，或者设置在设置于具有或不具有基板10的屏蔽件40上的层上，例如，电导体20与设置在屏蔽件40上的绝缘层接触，或者屏蔽件40与设置在电导体20上的绝缘层接触。
屏蔽件40在与电流方向24和基片表面12正交的方向上的横截面上可以形成U形形状，该U形形状相对于基板表面12的竖直部分设置在导体20的平行于电流方向24且与基板表面12正交的任一侧上。如图5A中所示，电导体20可以沿着屏蔽件40内的U形形状的底部通过。在图12A和中12B中，电流传感器30被设置在导体20的中心26处，并且与屏蔽件40的U形形状的竖直侧是等距的。在图5A和图5B中，电流传感器30被设置成从导体20的中心26偏移距离O，并且相比另一侧更靠近屏蔽件40的U形形状(竖直部分)的一侧。
在其他实施例中，参见图5C-5E，屏蔽件40L(或40，在图5C-5E中未示出)不具有U形形状，并且可以例如具有相对于导体20的宽度和长度呈平面的表面的矩形横截面。如图5C中所示，导体20在屏蔽件40L与电流传感器30之间。参见图5D，电流传感器30在屏蔽件40L与导体20之间。图5E示出了具有两个屏蔽件40L(或者可替代地，具有两个部分的一个屏蔽件40L，其中的每个部分都具有矩形横截面)的实施例，在导体20的每一侧上有一个屏蔽件40L，电流传感器30位于两个屏蔽件40L(或者两个矩形部分)之间。因此，屏蔽件40可以包括一个平面或两个平行平面。这种屏蔽件40L的布置或结构可以具有减小的形状因子，例如，它可以比U形屏蔽件40L更平坦。如本文所预期，邻近电流传感器30的单个矩形屏蔽件40被认为至少部分地围绕电流传感器30。
参见图5F-5J，本发明的实施例可以应用于三相交流电子系统，在该三相交流电子系统中，电流和电压可以在三个电导体中的每一个中异相，这三个电导体例如三个单独的导体20，每个导体20都具有单独的电流传感器30。三个导体20中的每一个可以被设置在单独的屏蔽件40L内，并且可选地被设置在共同的基板10上，如图5F中所示。在其他实施例中，如图5G中所示，单个屏蔽件40L可以具有将导体20中的每一个和它们相应的电流传感器30分开的多个竖直部分。如图5H中所示，屏蔽件40L的竖直部分仅设置在所有导体20和电流传感器30的外部。参见图5I，竖直部分不存在，例如，类似于图5C或图5D。图5J示出了具有两个矩形屏蔽件40L的实施例，一个位于所有导体20和电流传感器30下方，并且一个位于所有导体20和电流传感器30上方。用于本发明的三相系统的不同的屏蔽件40L实施例可以具有不同的材料、构造和组装成本，并且可以针对具有不同要求的不同系统进行选择。
在实施例中，并且也如图5F-5J中所示，电流传感器结构包括三个或更多个导体20。三个或更多个导体20中的每个导体20具有最长的长度尺寸，该长度尺寸在类似的平行方向上延伸，并且传导三相电流的不同相。三个或更多个导体20中的每个导体20具有至少一个电流传感器30(如图5F-5J中所示)或具有至少两个电流传感器30(如图2A-2E、图3A-3E和图4中所示)。在其他实施例中，三个或更多个导体20中的仅两个导体20具有至少一个电流传感器30或具有至少两个电流传感器30。
参见图5A-5D，电流传感器30能以相对于导体20的各种空间关系来设置，也如图3A-3D中所示。如图5A和图5B中所示，电流传感器30可以设置在导体20的表面上，并且从导体20的边缘回缩，而不是与边缘对准。在其他实施例中，参见图5C，电流传感器30可以与导体20的表面分开一间隙，并且还与导体20的边缘对准。参见图5D，电流传感器30设置为与导体20的表面和屏蔽件40L接触，并与导体20的边缘对准。在其他实施例中，电流传感器30被设置在导体20与屏蔽件40L之间，但不与导体20或屏蔽件40L接触，或者不与导体20和屏蔽件40L两者接触，例如，分开一间隙。在这些实施例中的任一实施例中，电流传感器30可以与导体20的边缘对准，可以从导体20的边缘回缩，或者可以在导体20的边缘上方延伸，例如，如图5A、图5B、图5C和图5E中所示。
屏蔽件40可以是如图12A和图12B中所示的单一材料。在本发明的其他实施例中，屏蔽件40可以是叠层屏蔽件40L。屏蔽件40可以包括各种材料，例如，铁磁材料、SiFe或NiFe。一般来说，屏蔽件40的U形形状的侧面(竖直部分)越高，屏蔽件40就越有效。屏蔽件40可以包括定向在与电流方向24或平行或正交的方向或其他方向上的层。在本发明的一些实施例中，屏蔽件40可以被连接到电流传感器结构99的接地或任何其他接地连接。接地也可以与电流传感器30的接地共用。
参见图6A和图6B，在本发明的实施例中，导体20具有在导体20的一部分中形成的凹口50(即，颈部或颈缩部分)，并且电流传感器30被设置为邻近该凹口50，例如，在导体表面上并且在偏移方向28上从该凹口偏移。凹口50形成导体20的、在偏移方向28上具有减小的宽度W的部分。在其他实施例中，屏蔽件40被设置在凹口50中，以减小更大系统内的电流传感器结构99的总宽度(图6B)。为了清楚起见，未在图6A中示出屏蔽件40。
参见图6C，在本发明的实施例中，导体20具有在导体20的一部分中形成的孔52，并且电流传感器30被设置为邻近孔52，例如，在导体表面22上，并且在偏移方向28上从导体中心26偏移。在该实施例中，导体中心26位于孔52与导体20的、在电流传感器30的与孔52相对的一侧上边缘之间的中途处。在其他实施例中，屏蔽件40被设置成至少部分地围绕导体20。
如本领域技术人员将理解，包括凹口50的本发明的实施例类似于包括孔52的实施例，因为交流电流的电流密度在导体20的表面处随着交流电流的频率而增加，因此，为由磁电流传感器30所感知的局部场提供孔52相当于提供凹口50。
图7示出了导体20中的各种交流电流频率下的电流密度的模型。如图7中所示，当导体20传导交流电流时，涡电流出现在导体20和屏蔽件40中。当频率增加时，导体20中的电流趋向于在导体20的边缘上流动。这种现象称为趋肤效应。趋肤效应也出现在屏蔽件40中，如图7的插图中所示。由于趋肤效应，导体20上的磁场分散62以及相移变化相对于频率而变化，并随着频率的增加而变得更大，如图8中所示。
参见图8，在从导体20的中心偏移的空间位置或节点60处，与磁场/相位分散62对应的、由于导体20的中心26处的交流电流而引起的磁场的相移变化(底部曲线图)和磁增益变化(顶部曲线图)显著地衰减，并且由于频率而引起的场分散大大减小。在左图中示出了针对非叠层屏蔽件40的节点60处的变化的减小。当屏蔽件40L是叠层式的(右图)时，相移变化和磁增益变化进一步减小。因此，通过将电流传感器30定位在偏移方向28上从导体中心26偏移的节点60的空间位置处，磁增益和相位的变化(分散)减小，电流传感器30的信号响应均匀性相对于频率增加，对于叠层屏蔽件40L尤其如此。
参考图9，在顶部图像中示出了具有与导体中心26对准的电流传感器30的电流传感器结构99，在底部图像中示出了具有从导体中心26偏移的传感器30的电流传感器结构99；这两者都包括叠层屏蔽件40。电流传感器结构99已经被构造且被测试，并且发现，随着交流电流频率的变化，在所感测的电流测量中提供了减小的变化和分散。
参见图10，对于在导体20中的各种交流电流频率和电流密度下的增益和相移两者，将非叠层电流传感器结构99的性能与具有缩颈导体20部分(凹口50)的性能进行比较。如通过比较左曲线图和右曲线图之间的偏差范围所示，对于具有凹口50的叠层电流传感器结构99，减小了各种交流电流频率下的增益和相移的变化，证明了本发明实施例的性能优点。此外，由于电流传感器偏移和屏蔽件叠层，如对两组电流点在右曲线图上的重叠曲线所示，增益和相移变化的电流依赖性降低。两个电流传感器结构99的相应的结构图示出为邻近曲线图，并且对应的结构图包括导体20、电流传感器30、电流方向24、屏蔽件40和凹口50以及叠层屏蔽件40L(在右侧)。
零件清单：
A 横截面
D 移除距离
E 边缘
L 长度
O 偏移距离
P 电流方向距离
T 厚度(高度、深度)
W 宽度
10 基板
12 基板表面
14 粘合层
20 导体
22 导体表面
24 电流方向
26 导体中心
28 偏移方向
30 电流传感器
32 电流传感器集成电路
34 印刷电路板
36 引线/引脚
38 集成磁聚集器/IMC
40 屏蔽件
L 叠层屏蔽件
50 凹口
52 孔、槽
60 空间位置/节点
62 磁场/相位分散
99 电流传感器结构
尽管已经在附图和前面的描述中详细地说明并描述了本发明，但是此类说明和描述被认为是说明性或示例性的，而非限制性的。前面的描述详述了本发明的某些实施例。然而，应当理解，不管以上在文本中显得如何详细，本发明都能以许多方式实现。本发明不限于所公开的实施例。
通过研究附图、公开和所附权利要求，本领域技术人员可在实践要求保护的发明时理解并实施所公开实施例的其他变型。在权利要求中，单词“包括”不排除其他要素或步骤，并且不定冠词“一(a)”或“一个(an)”不排除复数。单个处理器或其他单元可实现权利要求书中所述的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中陈述某些措施的纯粹事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。计算机程序可被存储/分布在合适的介质(诸如，与其他硬件一起或作为其他硬件的一部分提供的光学存储介质或固态介质)上，但也能以其他形式(诸如，经由因特网或者其他有线或无线电信系统)来分布。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

Claims (21)

1.一种电流传感器结构，包括：
导体，用于在电流方向上传导电流，所述导体具有一个或多个导体表面并具有边缘，
印刷电路板，所述印刷电路板具有设置在所述导体表面中的仅一个导体表面上、设置在所述导体表面中的仅一个导体表面上方、或与所述导体表面中的仅一个导体表面接触的第一表面，以及
电流传感器，所述电流传感器包括封装和集成电路，所述集成电路经由引线框的引线设置在所述印刷电路板的第二表面上，所述第二表面与所述第一表面相对，并且在与所述电流方向正交的偏移方向上从所述一个导体表面的中心偏移，
其中，所述电流传感器与所述导体的所述边缘对准；或者其中，所述导体具有宽度W，并且所述电流传感器在导体边缘的W/2.5、W/3、W/4、W/5或W/6的距离内，以及
其中，所述电流传感器的所述封装与所述导体表面完全重叠。
2.如权利要求1所述的电流传感器结构，进一步包括多于一个电流传感器，所述多于一个电流传感器被设置在所述导体的所述仅一个导体表面上、设置在所述导体的所述仅一个导体表面上方、或与所述导体的所述仅一个导体表面接触，并且其中，每个电流传感器在与所述电流方向正交的偏移方向上从所述导体的所述中心偏移。
3.如权利要求2所述的电流传感器结构，其特征在于，至少两个电流传感器被设置在所述导体的所述仅一个导体表面上、设置在所述导体的所述仅一个导体表面上方、或与所述导体的所述仅一个导体表面接触，以测量磁场，其中由电流生成的所测量的磁场在不同的方向上；以及测量相同方向上的外部磁场，从而能够抵消所述外部磁场。
4.如权利要求3所述的电流传感器结构，其中所述电流传感器结构被配置成将来自所述至少两个电流传感器的信号相减以抵消所述外部磁场。
5.如权利要求1所述的电流传感器结构，其特征在于，所述导体具有大于所述宽度的长度且具有厚度，并且所述偏移方向在所述宽度方向上或在所述厚度方向上。
6.如权利要求5所述的电流传感器结构，其特征在于，所述电流传感器不与所述一个或多个导体表面直接接触，并且与所述导体相距小于所述宽度的距离。
7.如权利要求1所述的电流传感器结构，其特征在于，所述电流传感器被布置成感测平面内磁场。
8.如权利要求7所述的电流传感器结构，其特征在于，所述平面内磁场平行于所述一个或多个导体表面中的一个。
9.如权利要求2所述的电流传感器结构，其特征在于，所述导体具有顶表面区域以及侧表面区域，所述侧表面区域小于所述顶表面区域，并且其中，所述多于一个电流传感器包括第一电流传感器和第二电流传感器，所述第一电流传感器和第二电流传感器两者都设置在与所述顶表面平行的线或平面中，或者其中，所述第一电流传感器和所述第二电流传感器两者都设置在与所述侧表面平行的线或平面中。
10.如权利要求1所述的电流传感器结构，包括至少部分地围绕所述导体和所述电流传感器的屏蔽件，其中所述导体设置在所述屏蔽件中，设置在所述屏蔽件上，设置为与所述屏蔽件接触，或设置在所述屏蔽件上方，或者设置在设于所述屏蔽件上的层上，其中所述屏蔽件在与所述电流方向表面正交的方向上的横截面形成U形形状、平面或两个平行的平面。
11.如权利要求1所述的电流传感器结构，其特征在于，所述导体具有凹口或孔或槽，并且所述电流传感器设置为邻近所述凹口或孔或槽。
12.如权利要求1所述的电流传感器结构，包括三个或更多个导体，每个导体具有在类似的平行方向延伸的最长尺寸，每个导体传导三相电流的相，并且所述三个或更多个导体中的至少两个导体具有至少一个电流传感器或具有至少两个电流传感器。
13.如权利要求2所述的电流传感器结构，其中所述导体具有顶表面区域和侧表面区域，并且
其中所述多于一个电流传感器包括第一电流传感器和第二电流传感器，所述第一电流传感器和第二电流传感器两者都被设置在与所述顶表面平行的线或平面中，或者其中所述第一电流传感器和所述第二电流传感器两者都被设置在与所述侧表面平行的线或平面中。
14.如权利要求1所述的电流传感器结构，其中所述电流传感器的边缘与所述导体的所述边缘对准。
15.如权利要求1所述的电流传感器结构，其中所述导体具有宽度W并且所述电流传感器位于所述导体边缘的W/2.5的距离内。
16.如权利要求1所述的电流传感器结构，其中所述导体具有宽度W并且所述电流传感器位于所述导体边缘的W/3的距离内。
17.如权利要求1所述的电流传感器结构，其中所述导体具有宽度W并且所述电流传感器位于所述导体边缘的W/4的距离内。
18.如权利要求1所述的电流传感器结构，其中所述导体具有宽度W并且所述电流传感器位于所述导体边缘的W/5的距离内。
19.如权利要求1所述的电流传感器结构，其中所述导体具有宽度W并且所述电流传感器位于所述导体边缘的W/6的距离内。
20.如权利要求1所述的电流传感器结构，其中所述导体具有顶表面区域和侧表面区域，所述侧表面区域小于所述顶表面区域，
其中，所述电流传感器具有顶表面区域和侧表面区域，所述电流传感器的所述侧表面区域小于所述电流传感器的所述顶表面区域，并且
其中所述电流传感器的所述顶表面区域被设置在与所述导体的所述顶表面平行的平面中。
21.如权利要求1所述的电流传感器结构，
其中，所述电流传感器具有顶表面区域和侧表面区域，所述电流传感器的所述侧表面区域小于所述电流传感器的所述顶表面区域，并且
其中所述电流传感器的所述顶表面区域被设置在与所述印刷电路板的所述第二表面平行的平面中。
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