CN202083740U - 隔离式电压传感器 - Google Patents

Abstract

一种隔离式电压传感器，用于测量电路或输电网络中两个节点之间的交流或直流电压，该电压与两个节点的共模电势电气隔离。电路中两测试点之间的电压降是通过检测流过并联到测试点之间的分流电阻线圈的电流来测量的，流过分流电阻线圈的电流与测试点之间的电压成线性正比，利用经绝缘电介质与分流电阻线圈隔离的磁性传感器检测线圈中电流的关联磁场，可以测得分流电阻线圈中的电流。该传感器可封装成标准的集成电路，从而提供了一种体积小、成本低的电压传感器，用于测试、测量、控制和信号隔离等应用场合。

Description

隔离式电压传感器

技术领域

本实用新型涉及一种采用磁性隧道结(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)器件的隔离式模拟电压传感器，特别涉及一种利用磁性隧道结器件测量连接到测试点之间的分流电阻线圈的电流来测量测试点之间电压的电压传感器。

背景技术

电压测量是工业、消费电子和医疗电子应用领域中的一个重要组成部分。通常，这些应用中存在危险电压、瞬变信号、共模电压和振荡电势等不稳定情况，可能使电子系统受到破坏，严重的情况下，可能对与电子设备接触的人员造成身体伤害。要克服这些缺点，电子测试、测量和控制系统往往需要与待测网络电气隔离。

电气隔离通常对模拟前端电路和后端的系统采用不同的接地，以消除前端共模输入信号的偏差对后端系统的影响。此外，前端往往是浮动接地，可以在与后端系统具有电势差的情况下工作。

将共模电压与电子系统隔离通常采用电感耦合、电容耦合或光学耦合。变压器和电容器分别是最常用的电感耦合和电容耦合方法。在不使用编码技术的情况下，如对电路输入侧的电压-频率转换，电容器和变压器技术仅限于交流信号。变压器相对来讲成本较高，且难以在保持高灵敏度和低频性能的条件下内置于集成电路中。电容很容易集成到集成电路当中，但是，除了高频信号，它需要一个有源的前端编码器将信号编码以传递输出。此外，有源前端电路也对电压瞬变敏感，因而与对电压或电流瞬变敏感的后端系统不兼容。光隔离器是相对电容隔离更为昂贵的技术，并仅限于相对低功耗的应用。

磁模拟信号隔离器件目前应用较少，原则上包括一个产生磁场的线圈，和一个检测该磁场的磁传感器。由于磁传感器检测的是磁场绝对值，而不是磁场的变化速度，因而低频时的灵敏度不会减小。若采用一个高灵敏度、高分辨力的磁性传感器，这样产生磁场的线圈不用绕很多圈，从而可以做得很小。此外，如果磁性传感器适合使用标准的半导体工艺生产，这样就非常容易将整个磁隔离设备集成到小体积、低成本、单片式的半导体芯片中。

有多种手段可以用来检测磁信号，其中有多种磁敏技术可以集成到半导体芯片当中。这些技术包括霍尔传感器和磁电阻传感器，其中磁电阻器件包括各向异性磁电阻(AMR，Anisotropic Magnetoresistance)和巨磁电阻(GMR，Giant Magnetoresistance)。霍尔效应器件价格相对较高而分辨率较差。AMR和GMR器件虽然具有相对高的分辨率，但信号幅值较小，因而使得后端电路设计相对复杂，这使得整个系统的复杂性和尺寸增加，整体成本增加。

MTJ磁性传感器件通过使用隧道磁电阻(TMR，TunnelMagnetoresistance)效应检测磁场的大小，具有体积小、分辨率高、信号幅值大的特点。这些特点可以用来简化后端电子系统的设计，从而降低系统的整体成本。

发明内容

为了克服现有技术当中的上述缺点，本实用新型提供与被测电路电气隔离，具有数字化输出，精度和分辨率更高的隔离式电压传感器，即一种采用磁性隧道结器件的隔离式模拟电压传感器。

本实用新型一方面提供一种独立封装的隔离式电压传感器，主要用来测量电路中两个节点之间的电势差，该传感器包括：

一串联的内部电阻与电压分流线圈，其串联在隔离电压传感器的输入端之间；

一磁性传感器，该传感器与电压分流线圈紧邻配置，并与其磁耦合；该磁性传感器检测流过电压分流线圈的电流，并响应该电流输出一电压信号，该输出电压信号代表隔离式电压传感器两个输入端之间的电势差；

一对电压信号进行采样并转换成数字形式的采样模块；

一对采样数据处理的数据处理模块；

一将处理后的数据转换成可与后续的离片系统数据形式相兼容的接口逻辑模块。

进一步地，磁性传感器可以是由MTJ器件组成的。

进一步地，磁性传感器、采样模块、数据处理模块、接口逻辑模块与分流电阻线圈和输入信号电气和物理隔离。隔离是通过使用的磁耦合和绝缘介电层实现的。

进一步地，磁性传感器由至少一个MTJ器件组成。

进一步地，磁性传感器偏置电压响应特征曲线可以用来控制传感器的响应的幅值。

优选地，至少有一个磁性传感器具有一片上电磁铁，用于改善传感器的响应的线性。

本实用新型另一方面提供一种独立封装的隔离式电压传感器，主要用来隔离模拟输入信号和模拟输出信号，该传感器包括：

一串联的内部电阻与电压分流线圈，串联在隔离电压传感器的输入端之间；

一磁性传感器，该传感器与电压分流线圈紧邻配置，并与其磁耦合；该磁性传感器检测流过电压分流线圈的电流，并响应该电流输出电压信号，该输出电压信号代表隔离式电压传感器两个输入端之间的电势差。

进一步地，磁性传感器由MTJ器件组成。

进一步地，磁性传感器与分流电阻线圈的输入信号电气和物理隔离。电气隔离是通过使用的绝缘介电层实现的。

进一步地，磁性传感器由至少一个MTJ器件组成。

进一步地，磁性传感器的偏置电压响应特性曲线，可以用来控制传感器的响应的幅值。

进一步地，至少有一个磁性传感器具有一个片上电磁铁，用于线性化传感器的响应。

按照本实用新型所提供的技术方案，该传感器与被测网络电气隔离，通过检测流过并联到测试点之间的分流电阻线圈的电流来测量测试点之间的电压。利用经绝缘电介质与分流电阻线圈隔离的磁性传感器来测量线圈中的电流，则测试点之间的电压与通过分流电阻线圈的电流成正比。此外，该电压传感器通过控制磁性传感器的偏置电压以自动调节量程，并能计算如频率、峰值电压、方均根(RMS，Root Mean Square)电压及瞬时电压等所需的电路参数。同时电压传感器能提供后续应用所需的不同数据形式，并具备与后续的与电源隔离的数字通信系统就电路参数通信的能力。这使得电压传感器不再需要进行电气隔离和对离散的模拟信号进行数据转换，这进一步简化了电压测量系统的整体设计并使整体成本进一步降低。

以上所述的电压传感器，采用MTJ器件作为磁性敏感元件，MTJ器件的输出线性正比于加到MTJ器件上的偏置电压，该MTJ器件的偏置电压被用来对传感器的输出进行自动缩放调整。

其中，MTJ器件具有一个片上电磁铁，片上电磁铁用以线性化MTJ传感器的响应。

有益效果：

本实用新型主要通过磁场来测量负载两端的电压。由于磁场的测量都是与负载工作的电路相互电气隔离，因而测量用的集成芯片与待测网络之间没有直接的电气连接。因此，关键的电子器件与供电导线之间隔离，这极大的增强了测量系统对供电电压不稳定时出现的瞬变的耐受能力，因而工作更加稳定可靠。

本实用新型所述具有数字输出的电压传感器，具备对如峰值电压、RMS电压、直流电压和频率等电路参数进行计算的能力，这些参数可能在电能计量中使用。电压传感器能提供后续计量应用的不同数据形式，并具备与后续的与电源隔离的数字通信系统就电路参数通信的能力。这使得后续系统不再需要进行电气隔离和对离散的模拟信号进行数据转换，这进一步简化了电压测量系统的整体设计，并使整体成本进一步降低。

从以上实用新型内容，结合磁性隧道结MTJ本身的特点，可以看出：本实用新型所提供的电压传感器，具有整体成本更低、工作稳定性高、测量系统与待测的网络电气隔离的特点。并且，采用MTJ器件后，系统的灵敏度高，分辨率高，前端电路设计简单，并可以提供与后端的具体应用系统匹配的数据形式，便于与后续电路接口。

附图说明

图1是采用MTJ器件和分流电阻线圈来测量电路中A、B两点之间电势差、并具有数字输出的完全集成式隔离电压传感器的示意图。

图2是用于控制输出信号幅值的MTJ器件输出对偏置电压的响应曲线图。

图3是采用片上电磁铁控制输出信号幅值的MTJ装置的示意图。

图4是采用MTJ器件和分流电阻线圈来测量电路中A、B两点之间电势差并具有模拟输出的完全集成式隔离电压传感器的示意图。

图5是显示MTJ器件相对于推挽工作的分流电阻线圈的位置关系的完全集成式电压传感器的透视图。

图6是单片隔离式电压传感器半导体芯片的横截面图。

图7是包含有反馈线圈的单片隔离式电压传感器芯片的横截面图。

具体实施方式

本实用新型所述独立封装、电气隔离的电压传感器如各图中的标号18所示。如图1所示，电压传感器18的输入端6和7连接到与电源1、负载2关联的测试点A和B，用以测量A、B之间的电压。电压传感器18内的分流线圈3与电压传感器18内的一个电阻R_SC串联。分流线圈3的一端连接到输入端6，电阻R_SC的一端连接到输入端7。A和B之间的电势差产生一个电流流过分流线圈3。通过分流线圈3的电流I_SC的大小为：

I_SC＝(V_A-V_B)/R_SC＝V/R_SC    方程式1

流过分流线圈3的电流I_SC产生一个磁场H.

MTJ器件11与分流线圈3磁耦合，MTJ器件11对流过分流线圈3的电流I_SC所产生的磁场H敏感。MTJ器件11就是通过检测电流I_SC产生的磁场H来确定待测电路中A、B两点之间的压降：

ΔV＝(V_A-V_B)。            方程式2

在电压测量应用中，电压传感器18中的电阻R_SC必须远大于待测电路的等效电阻R_load2。在诸如住宅电表计量的应用中，负载电阻2一般小于100Ω。分流线圈电阻R_SC的上限由该传感器所需的分辨率决定，下限由待测电路2的等效电阻决定。对于实际应用，分流线圈电阻R_SC应至少100倍于负载电阻2，在家庭应用中，可以将该电阻设定为＞10kΩ。

响应分流线圈3中的电流，MTJ器件11输出一个电压V_MTJ，其正比于电压传感器18的输入端6、7之间的电势差ΔV。随时间变化的电压信号V_MTJ以数字化的形式提供给微处理器15，以便计算电路参数，这些参数包括但不限于瞬时电压、方均根(RMS)电压、峰值电压、直流电压和频率。

可以有多种方法，从MTJ器件11两端输出电压V_MTJ，获取可以送给微处理器15的电压传感器输入端6和7的电压。通常，在传递给微处理器15之前，V_MTJ需要使用一个模数转换器ADC14进行采样和数字化。模数转换器ADC14的采样速率必须至少两倍于输入信号的谐波的最高频率。

由微处理器15精确计算所需参数，依赖于MTJ器件11所提供的缩放电压V_MTJ。每个波形的缩放因子依使用情况和传感器的具体特性而定。

为了简化隔离式电压传感器18的设计和提高准确性，可以调节MTJ器件11的输出，以保持在ADC14的最佳输入范围内。有两种简单的可供选择的控制MTJ磁性传感器响应的方法，一种是如图2中所示控制MTJ器件的偏置电压；另一种是如图3所示的，采用闭环工作的MTJ补偿供电导线或电压分流线圈3提供给传感器的磁场。

图2显示了典型的MTJ传感器的磁场灵敏度随偏置电压的响应曲线。对于较大的偏置电压V_Bias1，其响应曲线如70所示，对于较小的偏置电压V_Bias2，其响应曲线如71所示。在低场区，传感器的输出V_MTJ线性正比于外加磁场H。随着传感器偏置电压的变化，响应曲线的斜率β(V_Bias)＝V_MTJ/H_SC发生改变。假定响应曲线的斜率β(V_Bias)已知，V_Bias可能会各有不同，以最大限度地提高ADC14的信噪比(SNR)。这可以通过使用微处理器15来计算传感器的最佳偏置电压V_Bias，再将电压经导线50反馈到MTJ器件(如图1所示)。然后，微处理器15对波形进行如下缩放：

$\mathrm{\ΔV}=\frac{R_{\mathrm{SC}}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{SC}}\mathrm{\β}\left(V_{\mathrm{Bias}}\right)}{V}_{\mathrm{MTJ}}$ 方程式3

其中，α_SC＝H_SC/I_SC是一个依赖于分流线圈3几何形状的常数。

图3显示一种提高磁场传感器线性的方法，其中传感器被提供一个与待测场H_SC84反向的补偿磁场H_FB85。这通常被称为闭环系统82。在这个闭环方法中，补偿磁场H_FB 85与分流线圈磁场H_SC84相反，由片上电磁铁81提供。在闭环模式下，通过改变通过片上电磁铁81的电流而使MTJ传感器80的输出V_MTJ83保持不变。由于流过片上电磁铁81的反馈电流I_FB 86正比于电磁铁的补偿磁场H_FB 85，同时补偿磁场H_FB85等于待测磁场H_SC84，因此流过片上电磁铁81的反馈电流I_FB 86直接正比于A、B两点的电势差ΔV。如果电磁铁81的校正常数为α_FB＝H_FB/I_FB，则A、B两点的电势差ΔV如下式给出：

$\mathrm{\ΔV}=\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{SC}}{R}_{\mathrm{SC}}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{SC}}}{I}_{\mathrm{FB}}$ 方程式4

通常很容易设计微处理器15，以提供合适的校准参数以及控制偏置电压或反馈电流使MTJ器件的输出保持在ADC 14的最佳响应范围内，而不需使用可变增益前置放大器。

电压传感器18旨在提供一数字信号，以将所测量参数可与包含数据记录器、微处理器的一外部系统或使用于电能计量应用中的其它电子系统相通信。为了做到这一点，由微处理器15计算和输出量须转换成与离片的外部系统相兼容的数据格式。因此，该电压传感器包括一个接口逻辑电路16，能将数据转换成包括但不限于USB、RS-232、I²C或SPI等标准的数据格式，最后经隔离输出19输出数据。

如图4所示，是电压传感器18作为模拟电压信号隔离器的一个可供选择的布置方案。如图4，电压传感器18的输入端6、7连接到与电源1、负载电阻2关联的测试点A和B，用以测量A、B之间的差分电压。电压传感器18内部的一个分流线圈3与电压传感器18内部的电阻R_SC串联。分流线圈3的一端与输入端6相连，内部电阻R_SC的一端与输入端7相连。A和B两点之间的电势差产生一个电流流过分流线圈3。

响应分流线圈3中的电流，MTJ器件11输出一个电压V_MTJ，正比于电压传感器18输入端6、7之间的电势差ΔV。随时间变化的电压信号V_MTJ直接被提供给隔离模拟输出40进行输出。由于分流线圈3与MTJ器件11电气隔离，使得电压传感器18的模拟信号输出与输入信号ΔV电气隔离。为了提高MTJ器件11响应的线性度，并能自动调整V_MTJ的响应范围，一模拟输入线路65被用来提供反馈电流或偏置电压给MTJ器件11。

如图5所示，是单片的隔离电压传感器18集成电路的透视图。在这种情况下，两个小尺寸的MTJ器件11都集成到了基板20上。两个MTJ器件11都包裹在厚厚的绝缘介电层25内部，绝缘介电层25可以包含各种绝缘介电材料，包括但不限于：聚酰亚胺(polyimide)，SU-8环氧树脂，双苯并环丁烯(BCB，bisbenzocyclobutene)，氮化硅(SiNx)，氧化硅(SiOx)，或氧化铝(AL2O3)。一个缠绕的扁平分流线圈3形成在绝缘介电层25的顶部。分流线圈3和两个MTJ器件11布置成使两个MTJ器件11分别由分流线圈3产生的磁场+H26、-H27在相反的方向驱动。这通常称为推挽布置。推挽技术能尽量减少周围环境杂散磁场的影响。可将各种电接触垫放置在绝缘介电层25顶部，且可以相应的设置多个接线引脚14，线圈分流电阻R_SC直接沉积在基板20上。以此方式集成时，可很容易地将单片式电压传感器芯片封装成不同形状，包括但不限于：TSOP，MSOP，DIP等各种芯片封装格式。

图6是单片式电压隔离器芯片的横截面图。该单片式电压隔离器芯片包括一磁屏蔽和/或磁聚集器30，该磁屏蔽和/或磁聚集器30同时具有对分流线圈3的磁场放大的作用和屏蔽环境中杂散磁场的影响的作用。

图7所示是另一种单片电压传感器芯片，该芯片包括一个反馈线圈5，其产生反馈磁场+HFB29，-HFB27用来线性化单片电压传感器的响应，并扩展其响应范围。

在图6和图7所示的两种单片式电压传感器方案中，ADC模数转换器14，微处理器15和接口逻辑16都可以集成到基板20上。这是低成本电压传感器的优选实施方案。

以上对本实用新型的特定实施例结合图示进行了说明，但本实用新型的保护内容不仅仅限定于以上实施例，在本实用新型的所属技术领域中，只要掌握通常知识，就可以在其技术要旨范围内，进行多种多样的变更。

Claims (14)

1.一种独立封装的隔离式电压传感器（18），其主要用来测量电路中两个节点之间的电势差，其特征是所述传感器包括：    串联的内部电阻（R_SC）与电压分流线圈（L），串联在隔离电压传感器的输入端之间；

一磁性传感器（11），该传感器与电压分流线圈（L）紧邻配置，并与其磁耦合，该磁性传感器检测流过电压分流线圈（L）的电流（I_SC），并响应该电流（I_SC）输出一电压信号（V_MTJ），该输出电压信号代表隔离式电压传感器两个输入端之间的电势差；

一对模拟电压信号进行采样并转换成数字形式的采样模块（14）；

一对采样数据处理的数据处理模块（15）；

一将处理后的数据转换成可与后续的离片系统数据形式相兼容的接口逻辑模块（16）。

2.如权利要求1所述的电压传感器，其特征是：所述磁性传感器包括MTJ器件。

3.如权利要求1所述的电压传感器，其特征是：所述磁性传感器、采样模块、数据处理模块、接口逻辑模块与分流电阻线圈、输入信号电气和物理隔离，隔离是通过使用的绝缘介电层来实现的。

4.如权利要求1所述的电压传感器，其特征是：所述磁性传感器由至少一个MTJ器件组成。

5.如权利要求4所述的电压传感器，其特征是：所述磁性传感器具有用以控制传感器的响应幅值的一偏置电压响应特征曲线。

6.如权利要求4所述的电压传感器，其特征是：至少有一个磁性传感器具有一个用以线性化传感器响应的片上电磁铁。

7.一种独立封装的隔离式电压传感器（18），主要用来隔离模拟输入信号和模拟输出信号，其特征是所述传感器包括：

一串联的内部电阻（R_SC）与电压分流线圈（L），串联在隔离电压传感器的输入端之间；

一磁性传感器（11），该传感器与电压分流线圈（L）紧邻配置，并与其磁耦合，该磁性传感器检测流过电压分流线圈的电流，并响应该电流输出一电压信号（V_MTJ），该输出电压信号代表隔离式电压传感器两个输入端之间的电势差。

8.如权利要求7所述的电压传感器，其特征是：所述磁性传感器包括MTJ器件。

9.如权利要求7所述的电压传感器，其特征是：所述磁性传感器与输入信号、分流电阻线圈电气和物理隔离，隔离是通过使用的绝缘介电层来实现的。

10.如权利要求7所述的电压传感器，其特征是：磁性传感器由至少一个MTJ器件组成。

11.如权利要求10所述的电压传感器，其特征是所述磁性传感器具有用以控制传感器的响应幅值的的一偏置电压响应特征曲线。

12.如权利要求10所述的电压传感器，其特征是至少一个磁性传感器具有一用以线性化传感器响应的片上电磁铁。

13.一种采用MTJ器件的隔离式电压传感器，其特征是：MTJ器件的输出线性正比于加到MTJ器件上的偏置电压，所述MTJ器件及其偏置电压被用来对传感器的响应进行自动缩放调整。

14.一种采用MTJ器件的隔离式电压传感器，其特征是：MTJ器件具有一片上电磁铁，所述片上电磁铁用以线性化MTJ传感器的响应。

Images