CN116047144A - 一种闭环电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种闭环电流传感器。所述闭环电流传感器通过设置磁传感芯片位于封装基岛之上、且与封装基岛之间具有第一距离，设置金属构件位于磁传感芯片之上、且与磁传感芯片之间具有第二距离；从而在磁平衡式工作过程中，当已知闭环电流传感器的原边和副边的距离比时，通过测量副边补偿电流的大小，即可推算出原边电流的值，从而实现了原边电流的隔离测量。本发明可以实现无需借用外部磁芯线圈形成闭环通路，从而减小整体体积和降低成本；通过采用半导体封装技术，实现了闭环电流传感器的全集成式单芯片化，具有更小体积，减小空间和降低成本，也实现了高一致性和可靠性。

Description

一种闭环电流传感器

技术领域

本发明涉及电流传感器技术领域，尤其涉及一种实现全集成式单芯片化、无磁芯无线圈的闭环电流传感器。

背景技术

传感器可作为一种检测装置，能检测到被检设备的相关信息，并按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。自磁传感效应发现以来，磁传感技术被越来越多的应用于工业控制的各个领域。随着元器件工艺的发展，由磁传感器件应用开发的闭环磁传感电流传感器也有了很大的提高，这使得该项技术在此应用领域上得到了很大的支持与发展。

现有技术中的闭环磁传感电流传感器，需借用磁芯，用于加强电流线产生磁场的聚集，一般可以提升5倍左右，同时传统方案需要借用补偿线圈，一般远大于原边导线的圈数。通过原边被测电流导线和补偿线圈形成零磁通闭环通路，占用体积空间较大，安装方式具有局限性，不便于用户灵活运用，且一致性和可靠性存在严重问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种闭环电流传感器解决方案，以解决现有闭环磁传感器占用体积空间较大、安装方式具有局限性的技术问题，实现闭环电流传感器的全集成式单芯片化、无磁芯无线圈。

为了实现上述目的，本发明提供了一种闭环电流传感器，包括：封装基岛；磁传感芯片，位于所述封装基岛之上，且与所述封装基岛之间具有第一距离；以及金属构件，位于所述磁传感芯片之上，且与所述磁传感芯片之间具有第二距离；其中，原边电流流过所述封装基岛、并在所述封装基岛上产生原边磁场，补偿电流流过所述金属构件、并在所述金属构件上产生补偿磁场，所述磁传感芯片感应获得所述补偿磁场以平衡所述原边磁场，实现原边电流的隔离测量。

在一些实施例中，所述金属构件为连接芯片封装引脚与所述磁传感芯片的金线，或所述金属构件为位于在芯片表面的金属导线层。

在一些实施例中，所述磁传感芯片选自霍尔元件，ⅢⅤ族化合物半导体材料型元件，磁阻元件的其中之一。

在一些实施例中，所述封装基岛的材料为铜。

在一些实施例中，所述封装基岛的形状为U型或者条状。

在一些实施例中，所述封装基岛、所述磁传感芯片以及所述金属构件封装于同一芯片封装结构内。

在一些实施例中，所述第一距离大于所述第二距离。

在一些实施例中，通过调整所述第一距离来调整所述原边磁场的强度。

在一些实施例中，在原边磁场与副边磁场达到平衡时，所述原边电流与所述第一距离的乘积等于所述补偿电流与所述第二距离的乘积。

本发明通过设置磁传感芯片位于封装基岛之上、且与封装基岛之间具有第一距离，设置金属构件位于磁传感芯片之上、且与磁传感芯片之间具有第二距离；从而在磁平衡式工作过程中，所述封装基岛作为原边电流导线，所述金属构件作为副边补偿电流导线，通过所述第一距离与所述第二距离的比值代替现有采用磁芯线圈形式的闭环电流传感器的原副边线圈匝数比，当已知闭环电流传感器的原边和副边的距离比时，通过测量副边补偿电流的大小，即可推算出原边电流的值，从而实现了原边电流的隔离测量。本发明可以实现无需借用外部磁芯线圈形成闭环通路，从而减小整体体积和降低成本。进一步通过采用半导体封装技术，实现了闭环电流传感器的全集成式单芯片化，高集成化的半导体封装相比现有技术具有更小体积，从而进一步减小空间和降低成本；同时，基于半导体封装技术，绝缘层无物理性接触、实现高隔离耐压，半导体工艺生产也实现了高一致性和可靠性。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的闭环电流传感器的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的闭环电流传感器的侧视示意图；

图3为本发明一实施例提供的闭环电流传感器的俯视示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

闭环磁传感传感器采用的是磁平衡式原理，其具体工作过程为：当原边线圈有一原边电流IN通过时，在导线上产生的磁场被聚集并感应到磁传感器件上，所产生的信号输出用于驱动相应的功率管并使其导通，从而获得一个补偿电流IM。这一补偿电流IM再通过副边线圈产生磁场，该磁场与被测电流产生的磁场刚好相反，因而补偿了原来的磁场，使磁传感器件的输出逐渐减小。即原边电流IN所产生的原边磁场，通过副边线圈的补偿电流IM所产生的副边磁场进行补偿，使磁传感器件始终处于检测零磁通的工作状态。当原副边电流产生的磁场在磁芯中达到平衡时，补偿电流IM不再增加，这时磁传感器件起到零磁通作用，此时可以通过补偿电流IM来平衡。被测电流的任何变化都会破坏这一平衡，一旦磁场失去平衡，磁传感器件就有信号输出。经功率放大后，立即就有相应的电流流过副边线圈以对失衡的磁场进行补偿。然而，现有借用外部磁芯线圈形成闭环通路的闭环磁传感传感器，占用体积空间较大，安装方式具有局限性，不便于用户灵活运用，且一致性和可靠性存在严重问题。据此，本发明提供了一种可以实现全集成式单芯片化、无磁芯无线圈的闭环电流传感器。以下给出解释说明。

请一并参阅图1～图3，其中，图1为本发明一实施例提供的闭环电流传感器的结构示意图，图2为本发明一实施例提供的闭环电流传感器的侧视示意图，图3为本发明一实施例提供的闭环电流传感器的俯视示意图。

如图1所示，本实施例所述的闭环电流传感器10包括：至少一封装基岛11、磁传感芯片12以及金属构件13。具体的，所述磁传感芯片12位于所述封装基岛11之上，且与所述封装基岛11之间具有第一距离D1(示于图2中)；所述金属构件13位于所述磁传感芯片12之上，且与所述磁传感芯片12之间具有第二距离D2(示于图2中)。

如图2～图3所示，原边电流IN流过所述封装基岛11、并在所述封装基岛11上产生原边磁场，补偿电流IM流过所述金属构件13、并在所述金属构件13上产生补偿磁场，所述磁传感芯片12感应获得所述补偿磁场以平衡所述原边磁场，从而实现原边电流的隔离测量。相比于现有借用外部磁芯线圈形成闭环通路的高复杂性的闭环磁传感传感器，本发明节省大量器件，整体上降低物料清单(Bill of Material，简称BOM)成本。

在一些实施例中，所述磁传感芯片12选自霍尔元件，ⅢⅤ族化合物半导体材料型元件，磁阻元件的其中之一。

在一些实施例中，所述封装基岛11的材料为铜。一般封装基岛阻抗会在5mΩ以下。所述封装基岛11的形状为U型或者条状。需要说明的是，本发明不限定封装基岛的个数，可以是单基岛或2个及以上的多基岛。其中，封装基岛11上可以设置有多个芯片，如图3所示，封装基岛11上设置有两个磁传感芯片12。

在一些实施例中，所述封装基岛11、所述磁传感芯片12以及所述金属构件13封装于同一芯片封装结构内。采用半导体封装技术，实现了全集成式单芯片化，高集成化的半导体封装相比现有技术具有更小体积，从而进一步减小空间和降低成本。同时，基于半导体封装技术，绝缘层无物理性接触、实现高隔离耐压，半导体工艺生产也实现了高一致性和可靠性。

在一些实施例中，所述第一距离D1大于所述第二距离D2。从而通过所述第一距离D1与所述第二距离D2的比值代替现有采用磁芯线圈形式的闭环电流传感器的原副边线圈匝数比。且第一距离D1与被测导线的电压隔离距离关联，一般在半导体封装塑封料需要>50um，才能获得>3kV的隔离电压。

在一些实施例中，通过调整所述第一距离D1来调整所述原边磁场的强度，从而提高采样精度，同时兼顾考虑隔离电压的要求。

在一些实施例中，在原边磁场与副边磁场达到平衡时，所述原边电流与所述第一距离的乘积可以等效视为等于所述补偿电流与所述第二距离的乘积。即，通过距离调整闭环电流的关系，进而达到D1/IN＝D2/IM的磁场效果。

在一些实施例中，如图1所示，所述闭环电流传感器为集成芯片封装结构，所述封装基岛11为集成芯片封装结构底部的可通过电流的框体；所述金属构件13为连接芯片封装引脚与所述磁传感芯片12的金线，或所述金属构件13为位于在芯片表面的金属导线层。所述金属导线层材料可以是铜，铝，金，或其合金。在磁平衡式工作过程中，所述封装基岛11作为原边电流导线，所述金属构件13作为副边补偿电流导线，通过所述第一距离D1与所述第二距离D2的比值代替现有采用磁芯线圈形式的闭环电流传感器的原副边线圈匝数比，通过距离调整闭环电流的关系，进而达到D1/IN＝D2/IM的磁场效果，实现无需借用外部磁芯和线圈形成闭环通路，从而减小整体体积和降低成本，同时也实现了高一致性和可靠性。

闭环磁传感电流传感器的工作原理是磁平衡式的，即原边电流IN所产生的磁场，通过一个补偿电流IM所产生的磁场进行补偿，使磁传感器件始终处于检测零磁通的工作状态。对于采用磁芯线圈形式的闭环电流传感器来说，当原副边电流产生的磁场在磁芯中达到平衡时，即有如下公式：

N1 * IN ＝ N2 * IM   (公式1)

式中，IN为原边电流，N1为原边线圈的匝数；IM为副边补偿电流，N2为副边补偿线圈匝数。

本发明通过利用封装基岛作为原边电流导线，以代替传统的原边磁芯线圈；封装的金线或芯片表面的金属导线层作为副边补偿电流导线，以替代传统的副边补偿线圈；从而，上述公式1可替换为：

D1 / IN ＝ D2 / IM   (公式2)

从而可达到D2/D1＝N1/N2的等效替换。当原副边电流产生的磁场在磁芯中达到平衡时，补偿电流IM不再增加，这时磁传感器件起到零磁通作用，此时可以通过补偿电流IM来平衡。被测电流的任何变化都会破坏这一平衡，一旦磁场失去平衡，磁传感器件就有信号输出。经功率放大后，立即就有相应的电流流过副边线圈以对失衡的磁场进行补偿。当已知闭环电流传感器的原边和副边的距离比时，通过测量副边补偿电流IM的大小，即可推算出原边电流IN的值，从而实现了原边电流的隔离测量。

根据以上内容可以看出，本实施例提供的闭环电流传感器，通过设置磁传感芯片位于封装基岛之上、且与封装基岛之间具有第一距离，设置金属构件位于磁传感芯片之上、且与磁传感芯片之间具有第二距离；从而在磁平衡式工作过程中，所述封装基岛作为原边电流导线，所述金属构件作为副边补偿电流导线，通过所述第一距离与所述第二距离的比值代替现有采用磁芯线圈形式的闭环电流传感器的原副边线圈匝数比，当已知闭环电流传感器的原边和副边的距离比时，通过测量副边补偿电流的大小，即可推算出原边电流的值，从而实现了原边电流的隔离测量。本实施例可以实现无需借用外部磁芯线圈形成闭环通路，从而减小整体体积和降低成本。进一步通过采用半导体封装技术，实现了闭环电流传感器的全集成式单芯片化，高集成化的半导体封装相比现有技术具有更小体积，从而进一步减小空间和降低成本；同时，基于半导体封装技术，绝缘层无物理性接触、实现高隔离耐压，半导体工艺生产也实现了高一致性和可靠性。

进一步的，解决实际应用上的问题，从上述发明来看，由于电流传感器并不能免疫于外部的磁场干扰，所以电流传感器容易被外磁场干扰。在实际实现上，同步采用了2路磁传感器，一路做正向原边磁场感应，一路做负向原边磁场感应，两路差分计算。这样就可以减去外部的干扰磁场(同向干扰磁场)。

需要说明的是，上述各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同/相似的部分互相参见即可。本发明文件中涉及的术语“包括”和“具有”以及它们的变形，意图在于覆盖不排他的包含。术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，除非上下文有明确指示，应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换。另外，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种闭环电流传感器，其特征在于，包括：

至少一封装基岛；

磁传感芯片，位于所述封装基岛之上，且与所述封装基岛之间具有第一距离；以及

金属构件，位于所述磁传感芯片之上，且与所述磁传感芯片之间具有第二距离；

其中，原边电流流过所述封装基岛、并在所述封装基岛上产生原边磁场，补偿电流流过所述金属构件、并在所述金属构件上产生补偿磁场，所述磁传感芯片感应获得所述补偿磁场以平衡所述原边磁场，实现原边电流的隔离测量。

2.根据权利要求1所述的闭环电流传感器，其特征在于，所述金属构件为连接芯片封装引脚与所述磁传感芯片的金线，或所述金属构件为位于在芯片表面的金属导线层。

3.根据权利要求1所述的闭环电流传感器，其特征在于，所述磁传感芯片选自霍尔元件，ⅢⅤ族化合物半导体材料型元件，磁阻元件的其中之一。

4.根据权利要求1所述的闭环电流传感器，其特征在于，所述封装基岛的材料为铜。

5.根据权利要求1所述的闭环电流传感器，其特征在于，所述封装基岛的形状为U型或者条状。

6.根据权利要求1所述的闭环电流传感器，其特征在于，所述封装基岛、所述磁传感芯片以及所述金属构件封装于同一芯片封装结构内。

7.根据权利要求1所述的闭环电流传感器，其特征在于，所述第一距离大于所述第二距离。

8.根据权利要求1所述的闭环电流传感器，其特征在于，通过调整所述第一距离来调整所述原边磁场的强度。

9.根据权利要求1所述的闭环电流传感器，其特征在于，在原边磁场与副边磁场达到平衡时，所述原边电流与所述第一距离的乘积等于所述补偿电流与所述第二距离的乘积。

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