CN117990969A - 用于电流测量的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例涉及用于电流测量的装置和方法。本公开涉及一种电流传感器(20)，包括：用于测量由电流引起的磁场的磁场传感器(21)；用于提供来自磁场传感器(21)的放大的测量信号的输出连接(24)，其中磁场传感器(21)和输出连接(24)通过模拟信号路径(22)与至少一个放大器(23)连接，其中模拟信号路径(22)具有频率响应；用于测量温度的温度传感器(25)；以及与模拟信号路径(22)耦合的补偿电路(26)，其被设计用于根据温度校正模拟信号路径的频率响应。

Description

用于电流测量的装置和方法
技术领域
本公开涉及用于电流测量的装置和方法，其中考虑了涡流效应。
背景技术
一些电流传感器的工作原理是测量由电流引发的磁场。基于磁场的强度可以推导引起磁场的电流。在高频情况下，待测磁场会感应出涡流，涡流会影响待测磁场，从而导致测量结果失真。一般来说，这种涡流的电流密度是取决于温度的，因为涡流效应的穿透深度受到电流导体的高度取决于温度的电导率的影响。
因此，需要一种在测量电流时补偿涡流效应的概念。
发明内容
根据本发明的装置和方法考虑了这种需要。有利改进方案是以下内容。
根据本公开的第一方面，提出了一种电流传感器。电流传感器包括用于测量由电流引起的磁场的磁场传感器。电流传感器包括用于提供来自磁场传感器的放大的测量信号的输出连接。磁场传感器和输出连接通过模拟信号路径与至少一个放大器连接。模拟信号路径具有频率响应。电流传感器还包括用于测量温度的温度传感器和与模拟信号路径耦合的补偿电路，补偿电路被设计用于根据温度校正模拟信号路径的频率响应。补偿电路可用于补偿模拟信号路径的频率响应中取决于温度的涡流效应。
根据一些实施例，补偿电路具有至少一个根据温度可切换的无源滤波器组件。无源滤波器基于电阻(R)、线圈(L)和/或电容器(C)的组合。由于这些滤波器无需外部电源即可工作，因此这些组合被称为“无源滤波器”。滤波器根据结构可以用作低通、带通、高通、带阻或全通滤波器。根据一些实施例，补偿电路具有根据温度可切换的电阻和/或电容(电容器)，以便取决于温度影响模拟信号路径的频率响应。
根据一些实施例，模拟信号路径包括第一放大器和第二放大器。补偿电路连接在第一放大器和第二放大器之间。第一放大器和第二放大器可以是依次连接的两个放大器级，例如前置放大器和输出放大器。根据实施例，放大器可以被设计为单端放大器或差分放大器。
根据一些实施例，补偿电路具有根据温度可切换的电阻和/或电容，它们连接在第一放大器的输出和第二放大器的输入之间。
根据一些实施例，第一放大器具有第一传递函数，其在第一频率处有极点。第二放大器具有第二传递函数，其在第一频率处有零点。
传递函数的零点表示传递函数的分子多项式的根，而传递函数的极点表示传递函数的分母多项式的根。极频率对应于传递函数的幅度曲线的斜率以20dB/Dekade减小的转角频率，零频率对应于斜率以20dB/Dekade增加的转角频率。
第一频率处的第一传递函数的极点可以限制由高频(AC)磁场(电流)引起的测量线圈电流导体布置的涡流效应，而在相同的第一频率处的第二传递函数的零点可以补偿该极点，这导致在第一频率周围产生基本上平坦的整体传递函数。
通过在信号路径中根据温度可切换的电阻和/或电容，这种极点或零点可以取决于温度地移动。
根据一些实施例，第一放大器具有非反相输出和反相输出。第二放大器具有非反相输入和反相输入。因此，两个放大器都可以设计为用于差分信号引导的放大器。补偿电路具有耦合在第一放大器的非反相输出和第二放大器的反相输入之间的第一RC构件，其具有根据温度可切换的电阻和/或电容。补偿电路还具有耦合在第一放大器的反相输出和第二放大器的非反相输入之间的第二RC构件，其具有根据温度可切换的电阻和/或电容。
根据一些实施例，磁场传感器具有线圈。
根据一些实施例，磁场传感器包括磁阻传感器，例如GMR或TMR传感器。补偿电路可以被设计用于根据温度来调整从放大器的输出到输入的反馈的频率依赖性。
根据一些实施例，电流传感器还包括控制电路，该控制电路被设计用于根据温度来输出用于调整补偿电路的电阻和/或电容的数字控制信号。例如，利用数字控制信号能控制开关。
根据一些实施例，电流传感器被设计为芯片壳体中的集成电路(IC)。
根据本公开的另一方面，提出了一种用于测量电流的方法。该方法包括利用磁场传感器测量由电流引起的磁场以及在输出连接处提供来自磁场传感器的放大的测量信号。磁场传感器和输出连接通过模拟信号路径与至少一个放大器连接，该模拟信号路径具有频率响应。测量温度并根据温度校正模拟信号路径的频率响应。这样可以补偿频率响应中取决于温度的涡流效应。
根据一些实施例，针对高于50kHz的(磁场)频率校正频率响应。低于该阈值，涡流效应可以忽略不计。
根据一些实施例，通过取决于温度地切换在模拟信号路径中的电阻和/或电容来校正频率响应。
根据一些实施例，校正频率响应包括取决于温度地移动模拟信号路径的传递函数中的极点和/或零点。
附图说明
下面将参考附图通过仅示例的方式描述装置和/或方法的一些实施例，附图中：
图1A示出了汇流排上的电流传感器IC的立体图
图1B示出了频率响应中涡流效应的温度依赖性；
图2A示出了根据实施例的电流传感器的框图；
图2B示出了根据实施例的具有两个放大器级和连接在其间的涡流效应补偿电路的电流传感器；
图2C示出了根据另一实施例的具有两个放大器级以及连接在其间的涡流效应补偿电路的电流传感器。
图3A示出了根据另一实施例的具有仪表放大器和补偿电路的电流传感器；
图3B示出了根据另一实施例的具有跨导放大器和补偿电路的电流传感器；和
图4示出了没有幅度增加的补偿频率响应。
具体实施方式
现在将参照示出了一些示例的附图更全面地描述各种示例。然而，这种详细描述并不将另外的示例限于所描述的特定形式。另外示例可以覆盖落在本公开范围内的所有修改、等价和备选。此外，本文中用于描述特定示例的术语并不旨在限制其他可能的示例。
相似的附图标记在附图的描述中表示相似或类似的元件，当相互比较时可以以相同的或以修改的形式实施，同时提供相同或类似的功能。在附图中，为了清楚可以放大线、层和/或区域的厚度。
如果使用“或者”组合两个元素A和B，则理解为公开了所有可能的组合，即仅A、仅B以及A和B。相同组合的备选措辞是“A和B中的至少一个”或“A和/或B”。这同样适用于两个以上元素的组合。
无论何时使用诸如“一个”和“一”的单数形式，以及仅使用单个元素既不是明示或暗示定义为强制性的，另外的示例也可以使用多个元素来实施相同的功能。当随后将功能描述为使用多个元素实施时，另外的示例可以使用单个元素或处理实体来实施相同的功能。将进一步理解，术语“包括”和/或“包含”在使用时指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、过程、元素、部件和/或它们的组的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、过程、元素、部件和/或它们的任何组的存在或添加。
图1A示出了电流传感器IC 10的透视图，其安装在-例如由铜制成的-汇流排12上。汇流排12经由连接14耦合到电路板(PCB)16。汇流排12跨越待测量电流I在其中流动的xy平面。为了增加电流传感器IC 10的电流I的电流密度，在所示的示例中，汇流排12在电流传感器IC 10下方设置有沿y方向的槽18，电流必须围绕槽18流动。汇流排12中的电流引起z方向(平面外)的磁场，该磁场可以由电流传感器IC 10测量。为此，电流传感器IC 10可以具有例如测量线圈或霍尔传感器。因此，可以使用磁阻传感器(xMR传感器)测量芯片层面中的磁分量，磁阻传感器也受到电流导体中涡流效应的影响。
在待测量的交变电流、进而待测量的交变磁场的情况下，除了实际正待测量的交变电流之外，还可能出现由待测量的交变磁场感应出的涡流。这些涡流反过来会产生使测量失真的磁场。如果不对这种涡流效应进行补偿，则频率>50kHz时可能会出现百分之几的测量误差(例如3-5％)。这些测量误差也可能取决于温度。这种关系如图1B所示，其中显示由于频率>100kHz的涡流效应导致的测量误差为3...5％。所测量的电流的幅度由于涡流而增加。此外，涡流效应引起的测量误差也取决于温度有。图1B示出了由于3300ppm/K的涡流效应而导致幅度增加的示例性频率漂移。
本公开现在提出了用于电流传感器的各种电路概念，其可以补偿根据温度的涡流效应。
图2A示出了根据本公开的电流传感器电路20的基本框图。
电流传感器电路20包括用于测量由电流引起的磁场的磁场传感器21。根据实施例，磁场传感器21可以是测量线圈、霍尔传感器或xMR传感器。通过具有至少一个(模拟)测量放大器23的模拟信号路径22，磁场传感器21与用于提供放大的测量信号的输出连接24连接。包括测量放大器23的模拟信号路径22具有频率响应(传递函数)。
至少一个(测量)放大器23可以具有一个或多个运算放大器(OPV)和/或跨导放大器(OTA)。根据实施方式，放大器23可以作为差分放大器或单端放大器来操作。至少一个放大器23附加地可以具有有源或无源滤波器，其影响模拟信号路径22的频率响应。频率响应描述了在正弦激励情况下线性时不变系统(LZI系统)的输入和输出信号之间在幅度和相位方面的关系。
电流传感器电路20还包括用于测量温度的温度传感器25和与模拟信号路径22耦合的补偿电路26。补偿电路26被设计用于根据(测量的)温度校正模拟信号路径22。利用补偿电路26，可以补偿模拟信号路径22的频率响应中取决于温度的涡流效应(例如，如图1B所示)。例如，测量信号幅度中与涡流相关且取决于温度的增加可以由补偿电路26来均衡。
下面描述具有取决于温度的涡流补偿的电流传感器电路20的一些实施例。
图2B所示的电流传感器电路20的实施例包括被设计为线圈的磁场传感器21。此处，线圈21提供具有第一(上)和第二(下)信号分支的差分测量信号。差分测量信号的第一信号分支被馈送到第一放大器级23-1的反向输入。差分测量信号的第二信号分支被馈送到第一放大器级23-1的非反向输入。在第一放大器级23-1的输出处，经由非反向输出提供放大的差分测量信号的第一(上)信号分支，并且经由反向输出提供放大的差分测量信号的第二(下)信号分支。
第一放大器级23-1具有耦合在输入和输出之间的第一滤波器电路。第一滤波器电路耦合在反向输入与非反相输出之间以及非反向输入与反相输出之间。第一滤波器电路具有由耦合在第一放大器级23-1的(反向或非反向)输入和(非反向或反向)输出之间由电阻R1和电容C1组成的并联电路。第一滤波器电路具有在第一频率fp1处有一个极点的传递函数。该第一(极点)频率fp1对应于如下转角频率：在该转角频率处，第一放大器级23-1的传输函数的幅度曲线的斜率以20dB/Dekade减小。因此，第一滤波器电路可以是低通滤波器。极点在频率fp1处的第一滤波器电路可以针对高于fp1的(电流)频率限制线圈21的输出摆幅。
补偿电路26耦合在放大的差分测量信号的第一信号支路和第二信号支路之间，以便根据温度来校正测量线圈21和输出24之间的模拟信号路径的频率响应。补偿电路26具有根据温度可切换的电阻R2、R21和/或电容C4，它们可以连接在放大的差分测量信号的第一信号支路和第二信号支路之间。在所示的实施例中，由电阻R21和(可切换的)电容C4组成的串联电路连接在放大的差分测量信号的第一信号支路和第二信号支路之间。同样，由电阻R21和(可切换的)电容器C4组成的串联电路连接在放大的差分测量信号的第二信号支路和第一信号支路之间(交叉耦合)。不言而喻，补偿电路26还可以具有能够取决于温度地补偿涡流效应的其他电路布置。
例如，通过补偿电路26，可以取决于温度将零极(Pol-Null)组件插入到具有无源组件(R和C)的HF(高频)信号路径22中。零极组件可以通过数字支持地切换电容C或电阻R而改变。随着温度升高，涡流效应会转移到更高的频率，这可以通过降低R或C分量来补偿。
第二放大器级23-2设置在图2B的补偿电路26的输出侧。放大的差分测量信号的第一信号分支被馈送到第二放大器级23-2的反相输入。放大的差分测量信号的第二信号分支被馈送到第二放大器级23-2的非反相输入。在第二放大器级23-2的输出24处，经由非反相输出提供差分输出信号的第一信号分支，并且经由反相输出提供差分输出信号的第二信号分支。
第二放大器级23-2具有耦合在输入和输出之间的第二滤波器电路。第二滤波器电路耦合在反相输入与非反相输出之间以及非反相输入与反相输出之间。第二滤波器电路具有由电阻R1以及电阻R3和电容C3的串联布置组成的并联电路，其耦合在第二放大器级23-2的(反相或非反相)输入和输出之间。第二滤波器电路具有在第一频率fz2＝fp1处有零点的传递函数。该零频率fz2＝fp1对应于如下转角频率，在该转角频率处第二放大器级23-2的传递函数的幅度曲线的斜率以20dB/Dekade增加。因此，第二放大器级23-2的第二滤波器电路可以是高通滤波器。
频率fz2＝fp1处的零点可以补偿频率fp1处的极点，使得放大器级23-1、23-2在频率fp1处的总体传递函数的幅度曲线基本平坦。然而，涡流效应会导致振幅增加(见图1B)。
在一些实施例中，线圈21、第一放大器级23-1和第二放大器级23-1可以集成在共同的IC 10中。汇流排12可以位于IC外部。
现在将参照图2C更详细地描述用于补偿涡流效应的补偿电路26。
如已经在图2B的实施例中那样，图2C的补偿电路26包括根据温度能切换的电阻和/或电容，它们连接在第一放大器23-1的输出和第二放大器23的输入之间。补偿电路26具有耦合在第一放大器23-1的非反相输出和第二放大器23-2的反相输入之间的第一RC构件，其带有可根据温度调整的电阻和/或电容。补偿电路26还具有耦合在第一放大器23-1的反相输出和第二放大器23-2的非反相输入之间的第二RC构件，其带有可根据温度调整的电阻和/或电容。因此，第一RC构件连接到上信号线中。第二RC构件连接到下信号线中。交叉耦合也是可以想到的，其中第一RC构件耦合在上信号线和下信号线之间并且第二RC构件耦合在下信号线和上信号线之间。在图2C的实施例中，RC构件的电容分别具有多个可通过开关切换的子电容的并联连接。
子电容的开关位置可以通过数字控制电路27来控制。控制电路27被设计用于根据温度输出用于调整补偿电路26的电容的数字控制信号。补偿电路26的电容可以通过并联的子电容的数量来调整。为此目的，控制电路27经由模数转换器(ADC)28与温度传感器29耦合。例如，可以通过控制电路27在温度上升时减小补偿电路26的电容、在温度下降时增大补偿电路26的电容。图4示出了由补偿电路26补偿频率响应、但没有幅度增加的示例。
如图2C所说明的，控制电路27可以并不仅仅用于控制补偿电路26的(子)电容。同样可以取决于温度来调整第一放大器级23-1和/或第二放大器级23-2的增益或电源信号。
图3A示出了电流传感器电路20的实施例，其中磁场传感器21具有磁阻传感器(此处为TMR传感器)。TMR传感器电桥传送差分测量信号，该信号被馈送到仪器放大器23的第一差分输入。仪器放大器23的输出被引导回到仪器放大器23的第二差分输入。图3A的补偿电路26被设计用于根据温度调整从仪器放大器23的输出到(第二差分)输入的反馈的频率依赖性。为此目的，耦合在仪器放大器23的输出与地之间的RC构件或其电容被设计为取决于温度可切换。同样，耦合在仪表放大器23的输出和电源电势VDD之间的RC构件或其电容可以被设计为取决于温度可切换。
图3B中示出了另一个可能的实施例。图3B示出了具有连接在下游的跨导放大器23的测量线圈21。在跨导放大器23的输出处，存在极点处于频率flp1处的低通滤波器，以便针对高于flp1的(电流)频率限制线圈21的输出摆幅。此外，还提供了具有用于补偿涡流效应的可切换电阻和/或电容的补偿电路26。补偿电路26在此耦合在跨导放大器23的输出与地之间。
本公开提出了对涡流效应的补偿。为此，可以插入具有无源元件(R和C)的零极元件。可以数字方式支持R或C组件的切换，以便利用切换的R或C组件相对于温度变化进行正温度系数调节。
根据本公开的电流传感器能够实现高速电流测量和电流信号的精确过零识别。高速电流信号的再现效果越好，DC-DC转换器和驱动器的效率就越高。
本公开的实施例可以实现用于电流测量的快速模拟信号路径22。通过使用ADC进行模数转换、在频率范围内可能进行温度校正的数字信号处理以及随后使用DAC和缓冲器OPV进行的数模转换的迂回将在信号路径中产生更长的延迟，从而限制测量速度在MHz范围内。
另一方面，大多数电导体具有3000-4000ppm/K(例如铜)的相对较高的负温度系数。因此，需要在集成电路中使用具有强负温度系数的电阻来对其补偿。然而，大多数IC标准技术中并不存在此类电阻。因此，本公开提出使电阻和/或电容根据温度可数字切换，以便补偿电阻的负温度系数。
汇流排12的电阻的正温度系数导致汇流排12中的电导率的负温度系数。这也引起汇流排12中的涡流效应的小穿透深度以及涡流效应在高温时向更高频率的移动。本公开提出利用模拟信号路径22中的电阻的负温度系数对此进行补偿，因为fz＝1/(2πRC)。这是通过数字式测量温度来实现的。然后，数字可切换电阻或电容可以在较低温度下导通，并在较高温度下关断。数字电路电阻和/或电容可以在ms范围内相对缓慢地发生，这对于主信号路径中MHz范围内的电流传感器的速度要求并不重要。
与一个或多个之前详细描述的示例和附图一起提到和描述的方面和特征可以与一个或多个其他示例组合，以便代替其他示例的类似特征或者向其他示例附加地引入特征。
还应当理解，说明书和权利要求中公开的多个步骤、过程、操作或功能的公开可以不以特定顺序构建，除非另有明示或暗示，例如出于技术原因。因此，多个动作或功能的公开将不将它们限于特定顺序，除非这些动作或功能由于技术原因而不可互换。另外，在一些示例中，单个步骤、功能、过程或操作可以分别包括和/或可以在其中显露多个子步骤、子功能、子过程或子操作。这些子步骤可以被包括在该单个步骤的公开中或是其一部分，除非明确排除。
如果在前面的章节中已经结合设备或系统描述了一些方面，那么这些方面也应该被理解为对应过程的描述。例如，块、装置、或装置或系统的功能方面可以对应于相应方法的特征，例如方法步骤。因此，结合方法描述的方面也应被理解为对相应设备或相应系统的相应块、相应元件、属性或功能特征的描述。
另外，权利要求在此被并入到详细描述中，其中每个权利要求自身可以作为独立示例。虽然每个权利要求自身可以作为独立示例，但应当注意，尽管从属权利要求可以在权利要求中引用与一个或多个其他权利要求的特定组合，但其他示例还可以包括该从属权利要求与每个其他从属权利要求或独立权利要求的主题的组合。本文明确提出这种组合，除非该特定组合是不想要的。另外，还将权利要求的特征包括到任何其他独立权利要求，即使该权利要求不直接从属于该独立权利要求。

Claims (15)

1.一种电流传感器(20)，包括：
磁场传感器(21)，用于测量由电流引起的磁场；
输出连接(24)，用于提供来自所述磁场传感器(21)的放大的测量信号，
其中所述磁场传感器(21)和所述输出连接(24)通过模拟信号路径(22)与至少一个放大器(23)连接，其中所述模拟信号路径(22)具有频率响应；
温度传感器(25)，用于测量温度；以及
补偿电路(26)，与所述模拟信号路径(22)耦合，所述补偿电路被设计用于根据所述温度校正所述模拟信号路径的所述频率响应。
2.根据权利要求1所述的电流传感器(20)，其中所述补偿电路(26)具有至少一个根据所述温度能切换的无源滤波器部件。
3.根据前述权利要求中任一项所述的电流传感器(20)，其中所述补偿电路(26)具有根据所述温度能切换的电阻和/或电容。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电流传感器(20)，其中所述模拟信号路径(22)具有第一放大器(23-1)和第二放大器(23-2)，其中所述补偿电路(26)被连接在所述第一放大器和所述第二放大器之间。
5.根据权利要求4所述的电流传感器(20)，其中所述第一放大器(23-1)具有在第一频率处有极点的第一传递函数，并且其中所述第二放大器(23-2)具有在所述第一频率处有零点的第二传递函数。
6.根据权利要求4或5所述的电流传感器(20)，其中所述补偿电路(26)具有根据所述温度可切换的电阻和/或电容，所述电阻和/或电容被连接在所述第一放大器(23-1)的输出和所述第二放大器(23-2)的输入之间。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的电流传感器(20)，其中所述第一放大器(23-1)具有非反相输出和反相输出，并且所述第二放大器(23-2)具有非反相输入和反相输入，其中所述补偿电路具有第一RC构件和第二RC构件，所述第一RC构件耦合在所述第一放大器的非反相输出和所述第二放大器的反相输入之间、并带有根据所述温度能调整的电阻和/或电容，所述第二RC构件耦合在所述第一放大器的反相输出和所述第二放大器的非反相输入之间、并带有根据所述温度能调整的电阻和/或电容。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电流传感器(20)，其中所述磁场传感器(21)具有线圈。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的电流传感器(20)，其中所述磁场传感器具有磁阻传感器，并且其中所述补偿电路被设计用于根据所述温度来调整从所述放大器的输出到输入的反馈的频率相关性。
10.根据前述权利要求中任一项所述的电流传感器(20)，还包括：
控制电路(27)，被设计用于根据所述温度来输出用于调整所述补偿电路(26)的电阻和/或电容的数字控制信号。
11.根据前述权利要求中任一项所述的电流传感器(20)，其中所述电流传感器被设计为芯片壳体中的集成电路。
12.一种用于电流测量的方法，包括：
用磁场传感器测量由电流引起的磁场；
在输出连接处提供来自所述磁场传感器的放大的测量信号，
其中，所述磁场传感器和所述输出连接通过模拟信号路径与至少一个放大器连接，其中所述模拟信号路径具有频率响应；
测量温度；以及
根据所述温度校正所述模拟信号路径的所述频率响应。
13.根据权利要求12所述的方法，其中针对高于50kHz的频率校正所述频率响应。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中通过取决于温度地切换所述模拟信号路径中的电阻和/或电容来校正所述频率响应。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中校正所述频率响应包括取决于温度地移动所述模拟信号路径的传递函数中的极点和/或零点。
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