CN116087588B - 一种抗外场干扰的电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗外场干扰的电流传感器。该电流传感器采用具有消除干扰磁场作用的磁敏单元测量电流的大小。所述磁敏单元具有两个串联/并联的磁电阻，所述两个磁电阻分别设置在电流传输介质不同的两个分段上，被测电流流经所述两个分段时方向相反。所述两个磁电阻与各自所在的电流传输介质分段、沿电流方向轴中心/平面中心的距离相等，所述两个磁电阻在垂直于待测电流的平面内、两者的灵敏系数分量大小相同、且方向相反。本发明提供的电流传感器能够有效消除干扰磁场/环境磁场的影响，提高对电流大小的测量精度；采用贴片式单芯片的实现方式能够便于在测量电流时设置电流传输介质表面/附近。

Description

一种抗外场干扰的电流传感器

技术领域

本发明涉及电流检测/测量技术领域，具体涉及一种高精度、抗干扰的电流传感器。

背景技术

电流传感器用于测量电流传输介质中的电流，可以大量应用在各种需要进行电流测量的场景中，例如，电池管理系统（BMS）中需要集成大量的电流传感器测量相关电池Pack的充放电时电流大小，变频器需要集成有大量的电流传感器测量电流等。电流传感器有多种，其中芯片式电流传感器由于体积小安装方便等优势，在变频器中得到了广泛应用。

图1为现有芯片式电流传感器主流组成结构，其形式为采用四个磁电阻R1、R2、R3、R4组成的惠斯通全桥电路。其中，磁电阻R1、R4的灵敏方向为垂直于电流平面的第一方向，磁电阻R2、R3的灵敏方向为垂直于电流平面的第二方向，所述第一方向和第二方向相反/反平行。现有的芯片式电流传感器容易受到外加磁场（例如干扰磁场，环境磁场等）的干扰，当外加磁场存在垂直于电流平面的分量时，其和被测电流所产生的磁场叠加，将导致电流测量不准确。即现有的芯片式电流传感器容易受到共模磁场信号的干扰，影响测量精度。

图2为公开号为CN212207492U的中国专利提供一种具有抗干扰作用的电流传感器的示意图。被测电流的方向为第一线圈201的端口202流进且第二线圈204的端口205流出的方向，即图示的从左至右。在位于第一线圈201上方的第一磁敏元件203的位置处，第一磁敏元件203产生的磁场的方向为图示的向上。在位于第二线圈204上方的第二磁敏元件206的位置处，第二磁敏元件206产生的磁场的方向为图示的向下。显然，两个磁敏元件的灵敏方向相同且产生的磁场方向相反，以此可以达到抗外界磁场干扰的效果。可选第一线圈201通过电流输入引脚接收被测电流信号，第二线圈204通过电流输出引脚输出被测电流信号，被测电压信号与被测电流信号成线性关系。通过两个线圈匝数和对应磁电阻灵敏度的结合计算，得到抵消垂直场干扰的信号输出，从而得到相应的电流值。

可见，目前主流的芯片式电流传感器不具有抗外场存干扰的功能，容易受到干扰磁场的影响导致电流测量精度降低。而目前具有抗外场干扰的电流传感器由于引入了线圈组件，导致结构复杂；并且在测量时，需要将电流导入线圈，测量电流操作影响相关电路的工作、且存在干扰外场的影响不能完全抵消的情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抗外场干扰的电流传感器，以解决现有技术中芯片式电流传感器存在的抗外场干扰能力差，在存在外场干扰测量精度变差的技术问题。本发明提供的电流传感器结构简单，实现为贴片式的单芯片，易于测量电流设置。

本发明提供的技术方案具体实现为：所述电流传感器采用具有消除干扰磁场作用的磁敏单元测量电流的大小。所述磁敏单元具有两个串联/并联的磁电阻，所述两个磁电阻分别设置在电流传输介质不同的两个分段上，被测电流流经所述两个分段时方向相反。所述两个磁电阻与各自所在的电流传输介质分段、沿电流方向轴中心/平面中心的距离相等，所述两个磁电阻在垂直于待测电流的平面内、两者的灵敏系数分量大小相同、不为零且方向相反。

优选地，所述电流传感器实现为贴片式单芯片传感器；构成磁敏单元的所述两个磁电阻的灵敏方向相反，灵敏系数大小相同。

进一步地，所述电流传感器包括4个所述磁敏单元构成的惠斯通电桥。其中，所述第一、第三磁敏单元的磁电阻分别作为惠斯通电桥一组对臂的两个桥臂，所述第二、第四磁敏单元分别作为惠斯通电桥另一组对臂的两个桥臂；同一对臂上的磁敏单元的电阻随电流变化的改变趋势相同，不同对臂上的磁敏单元的电阻随电流变化的改变趋势相反。

进一步地，所述惠斯通电桥的4个磁敏单元各自的两个磁阻单元的电性连接关系可以都是串联、并联，也可以部分并联、另一部分串联。

进一步地，所述磁阻单元的类型属于包括TMR、AMR、GMR 、CMR、 SMR在内的 XMR。

本发明通过将现有的芯片式电流传感器中惠斯通全桥的四个臂上的磁阻单元替换成并联/串联的灵敏系数大小相等、灵敏度方向相反的两个磁电阻消除测量电流时干扰磁场的影响，提高了电流传感器在外场干扰下的工作稳定性和测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的芯片式电流传感器组成结构示意图。

图2为现有技术中具有抗干扰作用的电流传感器的结构示意图。

图3为本发明提供的电流传感器中的磁敏单元的结构示意图。

图4为本发明提供的电流传感器在一个实施例中的结构示意图。

图5为图4中的电流传感器中各磁敏单元的磁电阻电连接关系的一个实施例示意图。

图6为图4中的电流传感器测量电流时，各磁敏单元的磁电阻的设置位置的一个实施例示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语），具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式 “一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本发明提供电流传感器中起到测量电流大小作用的磁敏单元具有消除干扰磁场作用。所述磁敏单元具有两个串联/并联的磁电阻，所述两个磁电阻分别设置在电流传输介质不同的两个分段上，被测电流流经所述两个分段时方向相反。所述两个磁电阻与各自所在的电流传输介质分段、沿电流方向轴中心/平面中心的距离相等，所述两个磁电阻在垂直于待测电流的平面内、两者的灵敏系数分量大小相同、不为零且方向相反。所述电流传感器实现为贴片式单芯片传感器。

优选地，构成磁敏单元的所述两个磁电阻的灵敏方向相反，灵敏系数大小相同。

在图3所示的实施例中，所述电流传感器的磁敏单元Rx实现为磁电阻Rx1、Rx2并联/串联。磁电阻Rx1、Rx2灵敏方向相反（如图3中的空芯箭头所示），灵敏系数大小相同。当然图3只是为了方便作原理性说明，实际上磁电阻Rx1、Rx2集成在一个贴片式芯片上，两段电流传输介质（图3边界为虚线的长矩形）可以连接成一段完整的电流传输介质，电流在所示两段电流传输介质的方向如图3中的细箭头所示。假设外部干扰磁场在垂直电流平面、在磁电阻Rx1灵敏方向上的分量为ΔH,则磁电阻Rx1、Rx2的电阻值分别为：

Rx1=R0+K*( H+ΔH)(1)

Rx2=R0-K*(-H+ΔH)(2)

当磁电阻Rx1、Rx2串联时磁敏单元整体呈现的电阻Rx：

Rx=2R0+2KH（3）

可见，对于磁电阻Rx1、Rx2串联的情况，能够完全消除外部干扰磁场对磁敏元件电阻值的影响。对于磁电阻Rx1、Rx2并联的情况，磁敏单元R有效电导为两者电导相加。由于干扰磁场ΔH对每个磁电导（电阻的倒数）分母的影响差异K*ΔH的绝对值相比于K*H0这一项的绝对值较小，可以用泰勒级数展开后保留一次项近似。此时，Rx1、Rx2的电导相加后仍然可以消除干扰磁场ΔH的影响。相应的计算过程，这里不再赘述。

在上述磁敏单元的基础上，所述电流传感器可以实现为包括4个所述磁敏单元构成的惠斯通电桥。如图4所示，电流传感器为磁敏单元R1、R2、R3、R4构成的惠斯通电桥。所述磁敏单元R1、R3的磁电阻分别作为惠斯通电桥一组对臂的两个桥臂，所述磁敏单元R2、R4分别作为惠斯通电桥另一组对臂的两个桥臂。如图4各磁敏单元对应的短箭头所示，同一对臂上的磁敏单元（磁敏单元R1和R3，磁敏单元R2和R4）的电阻随电流变化的改变趋势相同，不同对臂上的磁敏单元的电阻随电流变化的改变趋势相反。待测电流产生的磁场方向如图中长箭头M1所示。

图5为对应于图4中各磁敏单元磁阻单元的电连接关系的一个实施例示意图。图5中磁电阻R11、R12并联构成磁敏单元R1，磁电阻R21、R22并联构成磁敏单元R2，磁电阻R31、R32并联构成磁敏单元R3，磁电阻R41、R42并联构成磁敏单元R4。

图6为图5中各磁敏单元的磁电阻相对于待测电流的传输介质T1、T2两段的设置位置。其中，T1段中电流方向为I1，T2段中电流的方向为I2，方向I1和方向I2相反。

当然，所述惠斯通电桥的4个磁敏单元各自的两个磁阻单元的电性连接关系并非只是并联，也可以串联或者一部分并联、另一部分串联。

进一步地，所述磁阻单元的类型属于包括TMR、AMR、GMR 、CMR、 SMR在内的 XMR。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种抗外场干扰的电流传感器，其特征在于，所述电流传感器采用具有消除干扰磁场作用的磁敏单元测量电流的大小；所述磁敏单元具有两个串联/并联的磁电阻，两个磁电阻分别设置在电流传输介质不同的两个分段上，被测电流流经所述两个分段时方向相反；所述两个磁电阻与各自所在的电流传输介质分段、沿电流方向轴中心/平面中心的距离相等；在垂直于待测电流的平面内，所述两个磁电阻的灵敏系数分量大小相同、且方向相反；该电流传感器包括4个所述磁敏单元构成的惠斯通电桥；其中，第一、第三磁敏单元分别作为惠斯通电桥一组对臂的两个桥臂，第二、第四磁敏单元分别作为惠斯通电桥另一组对臂的两个桥臂；同一对臂上的磁敏单元的电阻随电流变化的改变趋势相同，不同对臂上的磁敏单元的电阻随电流变化的改变趋势相反。

2.如权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述惠斯通电桥的4个磁敏单元中一部分所属的两个磁电阻为并联，另一部分所属的两个磁电阻为串联。

3.如权利要求1或2所述的电流传感器，其特征在于，所述电流传感器实现为贴片式单芯片传感器。

4.如权利要求3所述的电流传感器，其特征在于，所述磁电阻的类型属于包括TMR、AMR、GMR 、CMR、 SMR在内的 XMR。