CN113203885A - 电流传感器、磁传感器和电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供电流传感器、磁传感器和电路。电流传感器包括：设置在导体附近的磁检测装置，其被施加由流过该导体的电流感应产生的被测定磁场，且电阻随被测定磁场的变化而变化；设置在磁检测装置附近的两个线圈，其产生消除被测定磁场的消除磁场；串联连接在两个线圈之间的分流电阻器，其用于检测流过线圈的电流；第一差动放大器，其放大磁检测装置的输出信号，将感应产生消除磁场的电流供给至线圈；和第二差动放大器，其放大分流电阻器的两端电压，输出与流过导体的电流成比例的测定电压。

Description

电流传感器、磁传感器和电路
技术领域
本发明涉及具有磁检测装置的电流传感器、磁传感器和电路。
背景技术
在逆变器和电池管理系统中，作为以非接触方式检测流过导体的电流的电流传感器，已知有包括磁检测装置和配置于该磁检测装置附近的反馈线圈的磁平衡式电流传感器。在磁检测装置中使用例如众所周知的磁阻效应元件。
磁平衡式电流传感器为如下结构：控制向反馈线圈供给的电流，以使得通过由反馈线圈产生的磁场(消除磁场)消除因电流流过导体而感应产生的被测定磁场，施加到磁检测装置的磁场变为0(零)。在这样的结构中，通过用分流电阻器等将流过反馈线圈的电流转换为电压，能够获得与该电流成比例的测定电压作为流过导体的电流的测定值。对于具有磁检测装置的磁平衡式电流传感器，例如在国际公开第2017/094336号(以下，称为专利文献1)、国际公开第2013/129276号(以下，称为专利文献2)中已有记载。
上述的磁平衡式电流传感器为进行闭环控制以使得施加到磁检测装置的磁场总是为0(零)的结构，因此，输出变化相对于周围温度变化小，测定电压相对于导体上流动的电流的线性也良好，能够以较高的精度测定该电流。
然而，近年来，随着电流传感器的使用领域扩大，较大的电流和较小的电流有时也成为测定对象，因此，人们希望有抗噪性更高的磁平衡式电流传感器。此外，磁平衡式电流传感器不仅可以用作测定由电流感应产生的磁场的强度的传感器，也可以用作测定由磁体产生的磁场或地磁等各种磁场的强度的磁传感器。随着使用领域的扩大，对于这种磁平衡式的磁传感器及构成该传感器的电路，人们希望其抗噪性更高。
发明内容
本发明是为了解决如上所述的背景技术所具有的技术问题而完成的，其目的在于，提供抗噪性比背景技术更高的电流传感器、磁传感器和电路。
为了实现上述目的，本发明的电流传感器包括：
设置在导体附近的磁检测装置，其被施加由流过上述导体的电流感应产生的被测定磁场，且电阻随上述被测定磁场的变化而变化；
设置在上述磁检测装置附近的两个线圈，其产生消除上述被测定磁场的消除磁场；
串联连接在两个上述线圈之间的分流电阻器，其用于检测流过上述线圈的电流；
第一差动放大器，其放大上述磁检测装置的输出信号，将感应产生上述消除磁场的电流供给至上述线圈；和
第二差动放大器，其放大上述分流电阻器的两端电压，输出与流过上述导体的电流成比例的测定电压。
本发明的磁传感器包括：
电阻随被测定磁场的变化而变化的磁检测装置；
设置于上述磁检测装置附近的两个线圈，其产生消除上述被测定磁场的消除磁场；
串联连接在两个上述线圈之间的分流电阻器，其用于检测流过上述线圈的电流；
第一差动放大器，其放大上述磁检测装置的输出信号，将感应产生上述消除磁场的电流供给至上述线圈；和
第二差动放大器，其放大上述分流电阻器的两端电压，输出与上述电流成比例的测定电压。
本发明的电路包括：
电阻随被测定磁场的变化而变化的磁检测装置；
设置在上述磁检测装置附近的两个线圈，其产生消除上述被测定磁场的消除磁场；
串联连接在两个上述线圈之间的分流电阻器，其用于检测流过上述线圈的电流；
第一差动放大器，其放大上述磁检测装置的输出信号，将感应产生上述消除磁场的电流供给至上述线圈；和
第二差动放大器，其放大上述分流电阻器的两端电压，输出与上述电流成比例的测定电压。
本发明的上述及其它目的、特征以及优点，根据说明本发明的例子的、参照了附图的后述记载而明确。
附图说明
图1是表示磁检测装置的一个结构例的电路图。
图2是表示本发明的电流传感器的电流检测原理的示意图。
图3A是表示线圈驱动电路的一个例子的电路图。
图3B是表示图3A所示的线圈驱动电路的动作例的示意图。
图3C是表示图3A所示的线圈驱动电路的动作例的示意图。
图4是表示本发明的电流传感器的一个结构例的框图。
图5是表示本发明的电流传感器的一个结构例的框图。
图6A是表示电流传感器的比较例的结构的电路图。
图6B是表示电流传感器的比较例的结构的电路图。
图7是表示图2所示的分流电阻器和反馈线圈的结构的一个例子的示意图。
图8是表示图7所示的分流电阻器和反馈线圈的连接例的电路图。
图9是表示图7所示的分流电阻器和下部线圈的配置例的示意图。
图10是表示图7所示的分流电阻器和反馈线圈的结构的一个例子的截面图。
图11是表示图7所示的分流电阻器和反馈线圈的结构的一个例子的截面图。
图12是表示图7所示的分流电阻器和反馈线圈的结构的另一个例子的截面图。
具体实施方式
下面，使用附图对本发明进行说明。
首先，对本发明的电流传感器(磁传感器)所具有的磁检测装置进行说明。
磁检测装置包括基于通过磁阻效应产生的电阻的变化来检测外部磁场的磁阻效应元件。作为磁阻效应元件，已知有AMR(Anisotropic Magneto-Resistance effect：各向异性磁阻效应)元件、GMR(Giant Magneto-Resistance effect：巨磁阻效应)元件、TMR(Tunnel Magneto-Resistance effect：隧道磁阻效应)元件。本发明中，由于具有MR(Magneto-Resistive：磁阻)比大且温度漂移(输出变化相对于周围温度变化)小等优异的特性，所以优选使用TMR元件。磁阻效应元件(TMR元件)为如下结构：具有磁化方向固定的固定层、由绝缘体构成的绝缘层和磁化方向随外部磁场的方向而变化的自由层，且固定层、绝缘层和自由层依次层叠。磁阻效应元件中，电阻随自由层的磁化的方向而变化，在自由层和固定层的磁化方向一致时电阻最小。
图1是表示磁检测装置的一个结构例的电路图。
如图1所示，磁检测装置10是具有四个磁阻效应元件(第一磁阻效应元件11、第二磁阻效应元件12、第三磁阻效应元件13、第四磁阻效应元件14)，并将它们相互连接而形成桥接电路(惠斯通桥电路)的结构。四个磁阻效应元件11～14被分为串联连接的两组11、12以及13、14，各组的磁阻效应元件11、12、以及磁阻效应元件13、14被串联连接。磁阻效应元件的组11、12以及13、14各自的一端被连接，从未图示的电压源供给一定的电源电压(Vdd)，另一端分别接地(GND)。惠斯通桥电路可从各组的两个磁阻效应元件的连接点分别取出中点电压(V1、V2)。此外，图1所示的箭头表示各磁阻效应元件的固定层的磁化方向的一个例子。图1所示的X方向是磁阻效应元件(磁传感器)的感磁方向，与固定层的磁化方向一致。Y方向是与磁阻效应元件(磁传感器)的感磁方向(X方向)正交的方向。在下文中，将图1中的表示X方向的箭头称为﹢X方向，将与该箭头相反的方向称为﹣X方向。
在图1所示的磁检测装置10中，当在﹢X方向上施加外部磁场时，第一和第四磁阻效应元件11、14的电阻减小，第二和第三磁阻效应元件12、13的电阻增大。由此，中点电压V1上升，中点电压V2下降。另一方面，当在﹣X方向上施加外部磁场时，第一和第四磁阻效应元件11、14的电阻增大，第二和第三磁阻效应元件12、13的电阻减小。由此，中点电压V1下降，中点电压V2上升。因此，通过检测中点电压V1、V2的差V1－V2，与检测中点电压V1或V2中任一着的情况相比，能够得到2倍的灵敏度。另外，即使在中点电压V1、V2发生了偏压的情况下，也可以通过检测V1－V2，来排除该偏压的影响。
图2是表示本发明的电流传感器的电流检测原理的示意图。
如图2所示，本发明的电流传感器具有：图1所示的磁检测装置10；设置于磁检测装置10附近的两个反馈线圈21、22；用于检测流过两个反馈线圈21、22的电流Ifb的分流电阻器30；和第一差动放大器40，其放大磁检测装置10的输出信号，并将用于感应产生消除磁场的电流供给至反馈线圈21、22。
磁检测装置10配置于供电流Ip流过的导体1附近，因电流Ip流过而感应产生的被测定磁场分别被施加到图1所示的磁阻效应元件11～14。
两个反馈线圈21、22以在其间有分流电阻器30的方式串联连接，一反馈线圈21配置于串联连接的磁阻效应元件11和12附近，另一反馈线圈22配置于串联连接的磁阻效应元件13和14附近。在磁阻效应元件11和12分别施加因电流流过一反馈线圈21而感应产生的磁场(消除磁场)，在磁阻效应元件13和14分别施加电流流过另一反馈线圈22而感应产生的磁场(消除磁场)。
第一差动放大器40放大磁检测装置10的中点电压(V1、V2)的差V1－V2，从串联连接的反馈线圈21、分流电阻器30和反馈线圈22的一端供给与放大后的信号对应的电流Ifb。串联连接的反馈线圈21、分流电阻器30和反馈线圈22的另一端接地。
在这种结构中，通过第一差动放大器40控制向反馈线圈21、22供给的电流Ifb，以使得通过由反馈线圈21、22产生的磁场(消除磁场)消除因电流Ip流过导体1而感应产生的被测定磁场，施加到磁检测装置10的磁场变为0(零)。此时，通过检测分流电阻器30的两端电压，能够得到与流过反馈线圈21、22的电流Ifb成比例的测定电压。由于流过反馈线圈21、22的电流Ifb与流过导体1的电流Ip成比例，所以该测定电压同样与流过导体1的电流Ip成比例。
图2表示将由电流Ip感应产生的被测定磁场直接施加到磁检测装置10的结构例，但是在电流Ip的值大的情况下，即在被测定磁场强的情况下，通过形成众所周知的磁屏蔽，也可以使施加到磁检测装置10的被测定磁场衰减。此外，图2表示从第一差动放大器40的输出直接向两个反馈线圈21、22供给电流Ifb的结构例，但是也可以在第一差动放大器40的输出侧设有用于向反馈线圈21、22供给所需要的电流的线圈驱动电路。
图3A是表示线圈驱动电路的一个例子的电路图。图3B和图3C是表示图3A所示的线圈驱动电路的动作例的示意图。图3A～C中，为了简化，用一个线圈描述串联连接的两个反馈线圈21、22。
如图3A所示，线圈驱动电路50是具有四个开关51～54，并将它们相互连接而形成桥接电路(H桥电路)的结构。四个开关51～54被分为串联连接的两个组51、52以及53、54，各组的开关51、52以及开关53、54串联连接。开关的组51、52以及53、54各自的一端被连接并从未图示的电压源供给一定的电源电压(Vdd)，另一端分别接地(GND)。
反馈线圈21、22连接在各组的两个开关的连接点之间，如图3B和C所示，利用接通的开关组合来切换要流过的电流Ifb的方向。四个开关51～54的接通/断开由差动放大器40的输出电压控制。
开关51～54使用众所周知的双极晶体管或场效应晶体管(FET：Field EffectTransistor)即可。
图4和图5是表示本发明的电流传感器的一个结构例的框图。
图4是两个反馈线圈21、22形成在形成有磁检测装置10的MR基板20上，且第一差动放大器40、线圈驱动电路50、用于控制线圈驱动电路50的动作的控制电路60和输出与流过分流电阻器30的电流Ifb成比例的测定电压的第二差动放大器、分别形成在电路板80的结构。在图4所示的电流传感器中，分流电阻器30没有搭载在MR基板20和电路板80而外置。
控制电路60可以由例如ASIC(Application Specific Integrated Circuit：专用集成电路)等实现，该ASIC具有将第一差动放大器40的输出电压转换为数字信号的A/D转换器和执行各种信号处理的DSP(Digital Signal Processing：数字处理器)。该情况下，该ASIC也可以具有第一差动放大器40、线圈驱动电路50和第二差动放大器70的功能。
图5是两个反馈线圈21、22和分流电阻器30形成在形成有磁检测装置10的MR基板20上，且第一差动放大器40、线圈驱动电路50、控制电路60和第二差动放大器70分别形成在电路板80的结构。
图4表示分别单独设置MR基板20、分流电阻器30和电路板80的结构例，图5表示分别单独设置MR基板20和电路板80的结构例，不过图4和图5所示的MR基板20和电路板80也可以收纳在一个封装内。
另外，在图4和图5中，与反馈线圈21、22和分流电阻器30的位置关系对应地将线圈驱动电路50分割成两个进行了描绘，但是如图3A～C所示，线圈驱动电路50是一个电路。
图6A和B是表示电流传感器的比较例的结构的电路图。图6A和B是专利文献1所记载的电流传感器，图6A表示两个反馈线圈(C1，C2)串联连接的电路例，图6B表示两个反馈线圈(C1，C2)并联连接的电路例。图6A和B中示出了专利文献1所记载的电流传感器，专利文献2所记载的电流传感器也为同样的结构。此外，在图6A和B中，R1～R4是磁检测装置10所具有的磁阻效应元件。另外，在图6A和B中，18相当于本发明的第一差动放大器40，19相当于本发明的线圈驱动电路50和控制电路60，21相当于本发明的第二差动放大器70。
如图6A和B所示，背景技术的电流传感器是在串联连接的两个反馈线圈(C1，C2)或并联连接的两个反馈线圈与接地电位之间连接有分流电阻器(R)的结构。在这种结构中，由于与输出测定电压的第二差动放大器21的两个输入端子连接的信号线的电阻值不对称，所以第二差动放大器21的去除输入到两个输入端子的同相的噪声成分(共模噪声)的能力降低。即，将分流电阻器(R)的两端电压放大并输出测定电压的第二差动放大器21的CMMR(Common Mode Rejection Ratio：共模抑制比)降低。
另一方面，在本发明中，如图4和图5所示，是两个反馈线圈21、22以在其间具有分流电阻器30的方式串联连接，且该分流电阻器30的两端与第二差动放大器70的两个输入连接的结构。因此，在本发明中，与第二差动放大器70的两个输入端子连接的信号线的电阻值对称。因此，与图6A和B所示的背景技术的电流传感器相比，第二差动放大器70的CMMR提高，能够得到抗噪性高的电流传感器。
另外，此时如图5所示在MR基板20分别形成磁检测装置10、反馈线圈21、22和分流电阻器30时，与如图4所示外置安装的分流电阻器30的结构相比，能够使电流传感器小型化，由于部件数量减少，电流传感器的成本也降低。
另外，在如图4所示外置安装分流电阻器30的结构中，在反馈线圈21、22与分流电阻器30的连接部，接触电阻增大，但在图5所示的在MR基板20形成反馈线圈21、22和分流电阻器30的结构中，也能够抑制接触电阻的增大。因此，与图4所示的电流传感器相比，图5所示的电流传感器能够更高精度地检测流过反馈线圈21、22的电流Ifb，即流过导体1的电流Ip。
图7是表示图2所示的分流电阻器和反馈线圈的结构的一个例子的示意图，图8是表示图7所示的分流电阻器和反馈线圈的连接例的电路图。图9是表示图7所示的分流电阻器和下部线圈的配置例的示意图。图10和图11是表示图7所示的分流电阻器和反馈线圈的结构的一个例子的截面图，图12是表示图7所示的分流电阻器和反馈线圈的结构的另一个例子的截面图。图10表示沿A-A’线将图7所示的分流电阻器和反馈线圈截断的情形。图11和图12表示沿B-B’线将图7所示的分流电阻器和反馈线圈截断的情形。此外，图7～图12是示意性地表示反馈线圈21、22和分流电阻器30的配置关系的一个例子的图，并不是正确地表示形状和尺寸的图。
通常，要在基板上形成线圈的情况下，考虑与基板的平面平行地将信号线配置为环状(或螺旋状)的薄饼状(pancake)的线圈(参照专利文献1)，以及与基板的厚度方向平行地将信号线呈环状(或螺旋状)配置的螺线管状(toroidal)的线圈(参照专利文献2)。其中，薄饼状的线圈由于在基板平面上的占有面积变大，因此会导致电流传感器的大型化。而且，薄饼状的线圈与螺线管状的线圈相比，由于电阻值(直流电阻值)大，因此能够从电源供给的电流的最大值比螺线管状的线圈低。因此，薄饼状的线圈中可产生的磁场的强度(最大值)比螺线管状的线圈低。因此，在将反馈线圈21、22形成为薄饼状的结构中，图2所示的电流传感器的检测磁场范围(动态范围)变窄。因此，本发明中将电流传感器所具有的反馈线圈21、22形成为螺线管状。
如图7所示，反馈线圈21、22为在形成有分流电阻器30的MR基板20(未图示)上配置下部线圈201(参照图9)，且在该下部线圈201上配置上部线圈202的结构。下部线圈201和上部线圈202彼此的端部连接。下部线圈201和上部线圈202与图1所示的磁检测装置10所具有的四个磁阻效应元件11～14(图7中未图示)对应地各设置四个。与磁阻效应元件11～14分别对应地配置一组的下部线圈201和上部线圈202。磁阻效应元件11～14分别设置在对应地配置的一组下部线圈201与上部线圈202之间(参照图11)。
如图4、图5、图7、图8和图10所示，分流电阻器30与平行于该分流电阻器30配置的四个电极焊盘中的两端的电极焊盘C1R和C2R连接，电极焊盘C1和C2与线圈驱动电路50连接。如图7所示，电极焊盘C1R经由第一延长配线203与上部线圈202连接，电极焊盘C2R经由第二延长配线204与下部线圈201连接。此外，电极焊盘C1经由第三延长配线205与下部线圈201连接，电极焊盘C2经由第四延长配线206与上部线圈202连接。
如图10所示，在分流电阻器30的一端形成有第一延长配线203，第一延长配线203通过第一导电层207与电极焊盘C1R连接。此外，在分流电阻器30的另一端形成有第二延长配线204，第二延长配线204通过第一导电层207与电极焊盘C2R连接。第三延长配线205通过第二导电层208与电极焊盘C1连接，第四延长配线206通过第二导电层208与电极焊盘C2连接。
如图11所示，磁检测装置10所具有的磁阻效应元件配置在下部线圈201与上部线圈202之间，被施加由导体1产生的上述被测定磁场，并且分别被施加因电流流过下部线圈201和上部线圈202而感应产生的消除磁场。
此外，在图7和图9～图11中，表示了下部线圈201和上部线圈202分别由一根信号线形成，且反馈线圈21、22的匝数为1的例子。由下部线圈201和上部线圈202形成的反馈线圈21、22的匝数也可以为多匝，下部线圈201和上部线圈202也可以由并联连接的多个信号线形成。
图12表示下部线圈201由并联连接的两根信号线形成，上部线圈202由并联连接的三根信号线形成的结构例。在下部线圈201和上部线圈202由并联连接的多个信号线形成的结构中，由于能够降低反馈线圈21、22的电阻值(直流电阻值)，因此能够扩大图2所示的电流传感器的检测磁场范围(动态范围)。
在上述说明中，表示了将具有磁检测装置10、反馈线圈21和22、分流电阻器30、第一差动放大器40以及第二差动放大器70的本发明的电路，作为检测流过导体1的电流Ip的电流传感器使用的例子。具有磁检测装置10、反馈线圈21和22、分流电阻器30、第一差动放大器40以及第二差动放大器70的本发明的电路，如上所述，也可以作为测定各种磁场的强度的磁传感器使用。
如以上所述，在本发明中，为两个反馈线圈21、22以在其间具有分流电阻器30的方式串联连接，且该分流电阻器30的两端与第二差动放大器70的两个输入连接的结构，与第二差动放大器70的两个输入端子连接的信号线的电阻值对称。因此，依照本发明，与背景技术相比，第二差动放大器70的CMMR提高，能够得到抗噪性高的电流传感器、磁传感器和电路。
特别是，本发明的电流传感器也适用于通过与众所周知的磁屏蔽一起使用，来高速地测定大电流的用途。此外，在本发明中，由于能够将反馈线圈21、22、分流电阻器30、磁检测装置10和用于闭环控制的电路(第一差动放大器40、线圈驱动电路50、控制电路60和第二差动放大器70等)收纳在一个封装中，因此有利于具有本发明的传感器或电路的装置节省空间。
参照实施方式，对本发明进行了说明，但本发明并不限定于这些实施方式。只要是本领域技术人员，都能够理解在不脱离由权利要求的范围规定的本发明的精神及主旨的范围内能够对方式和细节进行各种改变。

Claims (12)

1.一种电流传感器，其特征在于，包括：
设置在导体附近的磁检测装置，其被施加由流过所述导体的电流感应产生的被测定磁场，且电阻随所述被测定磁场的变化而变化；
设置在所述磁检测装置附近的两个线圈，其产生消除所述被测定磁场的消除磁场；
串联连接在两个所述线圈之间的分流电阻器，其用于检测流过所述线圈的电流；
第一差动放大器，其放大所述磁检测装置的输出信号，将感应产生所述消除磁场的电流供给至所述线圈；和
第二差动放大器，其放大所述分流电阻器的两端电压，输出与流过所述导体的电流成比例的测定电压。
2.如权利要求1所述的电流传感器，其特征在于：
所述磁检测装置、两个所述线圈和所述分流电阻器形成于同一基板上。
3.如权利要求1所述的电流传感器，其特征在于：
两个所述线圈分别形成为螺线管状。
4.如权利要求1所述的电流传感器，其特征在于：
所述磁检测装置具有磁阻效应元件，所述磁阻效应元件是隧道磁阻效应元件。
5.一种磁传感器，其特征在于，包括：
电阻随被测定磁场的变化而变化的磁检测装置；
设置于所述磁检测装置附近的两个线圈，其产生消除所述被测定磁场的消除磁场；
串联连接在两个所述线圈之间的分流电阻器，其用于检测流过所述线圈的电流；
第一差动放大器，其放大所述磁检测装置的输出信号，将感应产生所述消除磁场的电流供给至所述线圈；和
第二差动放大器，其放大所述分流电阻器的两端电压，输出与所述电流成比例的测定电压。
6.如权利要求5所述的磁传感器，其特征在于：
所述磁检测装置、两个所述线圈和所述分流电阻器形成于同一基板上。
7.如权利要求5所述的磁传感器，其特征在于：
两个所述线圈分别形成为螺线管状。
8.如权利要求5所述的磁传感器，其特征在于：
所述磁检测装置具有磁阻效应元件，所述磁阻效应元件是隧道磁阻效应元件。
9.一种电路，其特征在于，包括：
电阻随被测定磁场的变化而变化的磁检测装置；
设置在所述磁检测装置附近的两个线圈，其产生消除所述被测定磁场的消除磁场；
串联连接在两个所述线圈之间的分流电阻器，其用于检测流过所述线圈的电流；
第一差动放大器，其放大所述磁检测装置的输出信号，将感应产生所述消除磁场的电流供给至所述线圈；和
第二差动放大器，其放大所述分流电阻器的两端电压，输出与所述电流成比例的测定电压。
10.如权利要求9所述的电路，其特征在于：
所述磁检测装置、两个所述线圈和所述分流电阻器形成于同一基板上。
11.如权利要求9所述的电路，其特征在于：
两个所述线圈分别形成为螺线管状。
12.如权利要求9所述的电路，其特征在于：
所述磁检测装置具有磁阻效应元件，所述磁阻效应元件是隧道磁阻效应元件。
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