CN217936069U - 特种车载磁平衡霍尔电流传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种特种车载磁平衡霍尔电流传感器，包括金属机壳和印制电路板，所述印制电路板上集成有电流检测单元以及与所述电流检测单元电连接的接线端口，且所述接线端口通过正电源线、负电源线及电流输出线与所述电流检测单元电连接；所述印制电路板包括由低阻抗平面构成的干扰泄放地层，且所述正电源线经由第一滤波电容组与所述干扰泄放地层电连接，所述电流输出线经由第二滤波电容组与所述干扰泄放地层电连接，所述负电源线经由第三滤波电容组与所述干扰泄放地层电连接。本实用新型通过将连接线上接收的共模干扰电流由滤波电容导入干扰泄放地层，从而减小了检测误差，降低了误报警的几率。

Description

特种车载磁平衡霍尔电流传感器

技术领域

本实用新型涉及电流检测领域，更具体地说，涉及一种特种车载磁平衡霍尔电流传感器。

背景技术

车载用磁平衡电流检测传感器包括金属外壳和位于金属外壳内的印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)，其通过金属外壳两侧的两个金属螺钉直接固定到配电箱安装支架上，安装支架及配电箱系统接保护地PE。该电流传感器可通过非屏蔽线穿心输入检测电流±400A，且该电流传感器通过3芯屏蔽线缆连接供电辅助电源DC±12V和输出两线制电流±200mA。另外，因绝缘安全需要，电流传感器的金属外壳和印制电路板不能直接相连，需间距数毫米距离，以满足相应的安规电气间隙和爬电距离要求。

当电流传感器在特种环境下的车载配电箱内应用时，由于安装空间严重受限，其不可避免的与大功率干扰源逆变器、接触器、继电器、大功率开关等近距离靠近。现有的电流传感器在特种车载配电箱内试运行时，均有不同程度问题：当没有检测电流时，输出却有±5-±10mA，严重超过其标称精度等级1级(最大允许误差为±2mA)数倍左右，造成系统检测误差过大，无法满足系统正常工作要求；当配电电源电流在额定范围内某以数值时，系统上位机偶尔会检测到异常大或异常小的电流值，造成整个系统误报警，即使用软件方式也不能完全消除此状况(因配电箱内部各部件不同工作状态下，可能出现电流瞬时过冲或跌落，其无法与瞬态电磁干扰下的影响相区隔)。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对上述电流传感器应用于特种环境下的车载配电箱时因靠近大功率干扰源而导致检测误差过大、容易造成误报警的问题，提供一种特种车载磁平衡霍尔电流传感器。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案是，提供一种特种车载磁平衡霍尔电流传感器，包括金属机壳和印制电路板，所述印制电路板上集成有电流检测单元以及与所述电流检测单元电连接的接线端口，且所述接线端口通过正电源线、负电源线及电流输出线与所述电流检测单元电连接；所述印制电路板包括由低阻抗平面构成的干扰泄放地层，且所述正电源线经由第一滤波电容组与所述干扰泄放地层电连接，所述电流输出线经由第二滤波电容组与所述干扰泄放地层电连接，所述负电源线经由第三滤波电容组与所述干扰泄放地层电连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述金属机壳与连接到所述接线端口的线缆的屏蔽层电连接；所述印制电路板通过多个导电固定件锁紧固定到所述金属机壳并与所述金属机壳电连接，且所述干扰泄放层分别经由Y电容与每一所述导电固定件电连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述导电固定件为螺钉，所述印制电路板上具有多个分别与多个所述Y电容电连接的螺钉焊盘，所述螺钉穿过螺钉焊盘将所述印制电路板锁紧固定到所述金属机壳，同时将所述螺钉焊盘与所述金属机壳电连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述第一滤波电容组包括三个并联连接且电容值分别为1纳法、0.1微法、10微法的陶瓷滤波电容，所述第二滤波电容组包括两个并联连接且电容值分别为0.1微法和1纳法的陶瓷滤波电容，所述第三滤波电容组包括三个并联连接且电容值分别为1纳法、0.1微法、10微法的陶瓷滤波电容。

作为本实用新型的进一步改进，所述电流检测单元包括推挽输出比较反馈平衡电路，所述正电源线、负电源线及电流输出线分别与所述推挽输出比较反馈平衡电路电连接，且所述正电源线和推挽输出比较反馈平衡电路之间连接有第一π型滤波电路，所述负电源线和推挽输出比较反馈平衡电路之间连接有第二π型滤波电路。

作为本实用新型的进一步改进，所述第一π型滤波电路包括第一电感和第四滤波电容组，所述第一电感的两端分别与所述正电源线与推挽输出比较反馈平衡电路电连接，所述第四滤波电容组包括并联连接在所述第一电感的第一端与干扰泄放地层之间且电容值分别为1纳法、0.1微法、10微法的三个陶瓷滤波电容、以及并联连接在所述第一电感的第二端与干扰泄放地层之间且电容值分别为1纳法、0.1微法、10微法的三个陶瓷滤波电容。

作为本实用新型的进一步改进，所述第二π型滤波电路包括第二电感和第五滤波电容组，所述第二电感的两端分别与所述负电源线与推挽输出比较反馈平衡电路电连接，所述第五滤波电容组包括并联连接在所述第二电感的第一端与干扰泄放地层之间且电容值分别为1纳法、0.1微法、10微法的三个陶瓷滤波电容、以及并联连接在所述第二电感的第二端与干扰泄放地层之间且电容值分别为1纳法、0.1微法、10微法的三个陶瓷滤波电容。

作为本实用新型的进一步改进，所述正电源线与电流输出线之间串接有第一双极性电压瞬态抑制器，所述负电源线与电流输出线之间串接有第二双极性电压瞬态抑制器。

作为本实用新型的进一步改进，所述印制电路板包括顶层、参考地层、电源层和底层，且所述顶层、参考地层、电源层和底层沿所述印制电路板的高度方向依次相叠；所述干扰泄放地层由参考地层的覆铜以及分别位于所述顶层、电源层和底层的外周的覆铜构成。

作为本实用新型的进一步改进，在所述干扰泄放地层中，位于所述顶层、电源层和底层的外周的覆铜通过多个间隔设置的导电过孔与所述参考地层的覆铜电连接。

本实用新型具有以下有益效果：通过在印制电路板设置干扰泄放地层，并在接线端口的各条连接线与干扰泄放地层之间串接滤波电容，以将连接线上接收的共模干扰电流通过滤波电容导入干扰泄放地层，从而减小了检测误差，降低了误报警的几率。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的特种车载磁平衡霍尔电流传感器的示意图；

图2是本实用新型实施例提供的特种车载磁平衡霍尔电流传感器中电流检测单元的示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，是本实用新型实施例提供的特种车载磁平衡霍尔电流传感器的结构示意图，该特种车载磁平衡霍尔电流传感器可应用于车辆(例如军用车辆等)，并实现电流检测。本实施例的特种车载磁平衡霍尔电流传感器包括金属机壳10和安装在金属机壳10内的印制电路板11，其中金属机壳10具有导电性能，并可对其内的印制电路板11起到保护作用。上述印制电路板11上集成有电流检测单元111和接线端口112，该接线端口112与电流检测单元111电连接，且该接线端口112可经由线缆14(例如可采用屏蔽线)连接直流电源15以及用于进行检测信号分析的上位机等。

在本实施例中，接线端口112通过正电源线(+12V)、负电源线(-12V)及电流输出线(IOUT)与电流检测单元111电连接(即接线端口112至少包括三个接线段子)。并且，印制电路板11包括干扰泄放地层GND’，该干扰泄放地层GND’由印制电路板11上的一个低阻抗面(例如其阻抗接近零)构成，正电源线经由第一滤波电容组C1与干扰泄放地层GND’电连接，电流输出线经由第二滤波电容组C2与干扰泄放地层GND’电连接，负电源线经由第三滤波电容组C3与干扰泄放地层GND’电连接。

上述第一滤波电容组C1、第二滤波电容组C2、第三滤波电容组C3在印制电路板11上分别紧邻接线端口112分布，这样，正电源线、负电源线及电流输出线可将从线缆14上接收到的工模干扰电流分别经由第一滤波电容组C1、第二滤波电容组C2、第三滤波电容组C3导入干扰泄放地层GND’，减少了由线缆14引入到印制电路板11的公民干扰，从而减小了特种车载磁平衡霍尔电流传感器的检测误差，降低了误报警的几率。

特别地，为提高抗干扰的频率范围，第一滤波电容组C1包括三个并联连接且电容值分别为1纳法、0.1微法、10微法的陶瓷滤波电容，第二滤波电容组C2包括两个并联连接且电容值分别为0.1微法和1纳法的陶瓷滤波电容，第三滤波电容组C3包括三个并联连接且电容值分别为1纳法、0.1微法、10微法的陶瓷滤波电容。特别地，为避免响应延迟，第二滤波电容组C2并不包括10微法电容。

因特种车载磁平衡霍尔电流传感器体积受限，很难使用传统大体积机箱产品那样屏蔽层采用抱箍加螺钉紧压方式做到360°低阻抗搭接，甚至连180°搭接也很难实现(因其会占用较多的印制电路板11的空间)。外界各种宽频率范围的共模干扰，包括瞬态共模干扰(民标中的电快速瞬变脉冲群EFT/B的瞬态共模电压或军标中的电缆束注入脉冲激励传导敏感度CS115/电缆和电源线阻尼正弦瞬态传导敏感度CS116的瞬态共模电流、静电放电ESD)、持续共模干扰(民标中的CS射频场感应的传导敏感度的共模电压或军标中的电缆束注入传导敏感度CS114或汽车电子标准中的大电流注入BCI的共模电流)，屏蔽层均不能完全为高频共模电流Ic在足够宽的频率范围内提供低阻抗，让其尽快沿其路径回流至外部干扰源。为此，在本实用新型的一个实施例中，金属机壳10与连接到接线端口112的线缆14的屏蔽层电连接；印制电路板11通过多个导电固定件锁紧固定到金属机壳10并与金属机壳10电连接，且干扰泄放层GND’分别经由Y电容与每一导电固定件电连接，从而将高频几十MHz至上百MHz干扰旁路至金属机壳10，再由线缆14的屏蔽层回流至外部工模干扰源源头。

具体地，线缆14的屏蔽层可留有约1cm“猪”尾巴16，并焊接到金属机壳10上，从而可在一定程度上增加屏蔽层提供的高频工模干扰低阻抗回流路径上的阻抗，对干扰泄放产生一定程度影响。

在本实用新型的一个实施例中，上述导电固定件可采用螺钉12，相应地，印制电路板11上具有多个分别与多个Y电容电连接的螺钉焊盘，螺钉12穿过螺钉焊盘将印制电路板11锁紧固定到金属机壳10，同时将螺钉焊盘与金属机壳10电连接。当印制电路板11的尺寸为10cm(长)*8cm(宽)时，为进一步降低干扰泄放层GND’与金属机壳10的高频阻抗，可采用4只1nF贴片Y电容Y1～Y4并联，每只Y电容分别紧邻一个螺钉12以实现多点接“地”。连接在螺钉焊盘和干扰泄放层GND’的Y电容具体可采用1nF贴片电容。

结合图2所示，在本实用新型的一个实施例中，电流检测单元111具体包括霍尔电路和与霍尔电路电连接的推挽输出比较反馈平衡电路(具体可由运放和三极管组成)，正电源线、负电源线及电流输出线分别与所述推挽输出比较反馈平衡电路电连接。其中霍尔电路可根据穿过穿心孔13的线缆(非屏蔽线)的电流生成相应的检测信号，该检测信号被送入到推挽输出比较反馈平衡电路进一步处理。

由于推挽输出比较反馈平衡电路处于不断的高低电压转换之中，因此有较高的电流变化率di/dt噪声源，为满足特种产品应用的低电磁辐射限值要求，正电源线和推挽输出比较反馈平衡电路之间连接有第一π型滤波电路，负电源线和推挽输出比较反馈平衡电路之间连接有第二π型滤波电路。通过第一π型滤波电路和第二π型滤波电路，可实现板级EMI滤波。

考虑到在不同频率范围下的源阻抗和负载阻抗失配变化，上述第一π型滤波电路和第二π型滤波电路可采用电感和陶瓷电容组成。具体地，第一π型滤波电路包括第一电感L1和第四滤波电容组，其中第一电感L1的两端分别与正电源线与推挽输出比较反馈平衡电路电连接，第四滤波电容组包括并联连接在第一电感L1的第一端与干扰泄放地层GND’之间且电容值分别为1纳法、0.1微法、10微法的三个陶瓷滤波电容、以及并联连接在第一电感L1的第二端与干扰泄放地层GND’之间且电容值分别为1纳法、0.1微法、10微法的三个陶瓷滤波电容。第二π型滤波电路包括第二电感L2和第五滤波电容组，第二电感L2的两端分别与负电源线与推挽输出比较反馈平衡电路电连接，第五滤波电容组包括并联连接在第二电感L2的第一端与干扰泄放地层GND’之间且电容值分别为1纳法、0.1微法、10微法的三个陶瓷滤波电容、以及并联连接在第二电感L2的第二端与干扰泄放地层GND’之间且电容值分别为1纳法、0.1微法、10微法的三个陶瓷滤波电容。考虑到电流传感器输出直流电流的us级响应时间，第一电感L1和第二电感L2典型值取1uH。

在布线时，第一π型滤波电路和第二π型滤波电路最好紧邻高di/dt“动点”以缩小滤波环路面积，同时还应尽量缩小其“动点”面积(即不同元件的焊盘彼此相互尽可能靠近)。

对于直流电源15和信号耦合到的瞬态尖峰能量脉冲EOS，如浪涌SURGE(此处只考虑插拔浪涌250V/2Ω)或静电ESD，还可在正电源线与电流输出线之间串接第一双极性电压瞬态抑制器，在负电源线与电流输出线之间串接第二双极性电压瞬态抑制器，以进行初步防护。考虑到输出电流最大为DC 0～±200mA(最大阻性负载40Ω)下的最高输出电压为DC±0～8V，上述第一双极性电压瞬态抑制器和第二双极性电压瞬态抑制器的最大不动作电压可为22V、功率可为400W(10/1000us电流波)。

在本实用新型的一个实施例中，印制电路板11可采用四层结构，即顶层TOP、参考地层GND、电源层POWER和底层BOTTOM，且顶层TOP、参考地层GND、电源层POWER和底层BOTTOM沿印制电路板11的高度方向依次相叠。考虑到产品结构紧凑，顶层TOP和底层BOTTOM可均密布电子元件。干扰泄放地层GND’由参考地层GND的覆铜以及分别位于顶层TOP、电源层POWER和底层BOTTOM的外周的覆铜构成；电源层POWER中间走两个高di/dt电源网络。

为抑制串扰，使得滤波效果最大化，在本实用新型的一个实施例中，在所述干扰泄放地层GND’中，位于顶层TOP、电源层POWER和底层BOTTOM的外周的覆铜通过多个间隔设置(例如间隔1～2cm)的导电过孔与所述参考地层的覆铜电连接，从而避免经过滤波的信号/电源不会被重新污染。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种特种车载磁平衡霍尔电流传感器，包括金属机壳和印制电路板，所述印制电路板上集成有电流检测单元以及与所述电流检测单元电连接的接线端口，且所述接线端口通过正电源线、负电源线及电流输出线与所述电流检测单元电连接；其特征在于，所述印制电路板包括由低阻抗平面构成的干扰泄放地层，且所述正电源线经由第一滤波电容组与所述干扰泄放地层电连接，所述电流输出线经由第二滤波电容组与所述干扰泄放地层电连接，所述负电源线经由第三滤波电容组与所述干扰泄放地层电连接。

2.根据权利要求1所述的特种车载磁平衡霍尔电流传感器，其特征在于，所述金属机壳与连接到所述接线端口的线缆的屏蔽层电连接；所述印制电路板通过多个导电固定件锁紧固定到所述金属机壳并与所述金属机壳电连接，且所述干扰泄放层分别经由Y电容与每一所述导电固定件电连接。

3.根据权利要求2所述的特种车载磁平衡霍尔电流传感器，其特征在于，所述导电固定件为螺钉，所述印制电路板上具有多个分别与多个所述Y电容电连接的螺钉焊盘，所述螺钉穿过螺钉焊盘将所述印制电路板锁紧固定到所述金属机壳，同时将所述螺钉焊盘与所述金属机壳电连接。

4.根据权利要求1所述的特种车载磁平衡霍尔电流传感器，其特征在于，所述第一滤波电容组包括三个并联连接且电容值分别为1纳法、0.1微法、10微法的陶瓷滤波电容，所述第二滤波电容组包括两个并联连接且电容值分别为0.1微法和1纳法的陶瓷滤波电容，所述第三滤波电容组包括三个并联连接且电容值分别为1纳法、0.1微法、10微法的陶瓷滤波电容。

5.根据权利要求1所述的特种车载磁平衡霍尔电流传感器，其特征在于，所述电流检测单元包括推挽输出比较反馈平衡电路，所述正电源线、负电源线及电流输出线分别与所述推挽输出比较反馈平衡电路电连接，且所述正电源线和推挽输出比较反馈平衡电路之间连接有第一π型滤波电路，所述负电源线和推挽输出比较反馈平衡电路之间连接有第二π型滤波电路。

6.根据权利要求5所述的特种车载磁平衡霍尔电流传感器，其特征在于，所述第一π型滤波电路包括第一电感和第四滤波电容组，所述第一电感的两端分别与所述正电源线与推挽输出比较反馈平衡电路电连接，所述第四滤波电容组包括并联连接在所述第一电感的第一端与干扰泄放地层之间且电容值分别为1纳法、0.1微法、10微法的三个陶瓷滤波电容、以及并联连接在所述第一电感的第二端与干扰泄放地层之间且电容值分别为1纳法、0.1微法、10微法的三个陶瓷滤波电容。

7.根据权利要求5所述的特种车载磁平衡霍尔电流传感器，其特征在于，所述第二π型滤波电路包括第二电感和第五滤波电容组，所述第二电感的两端分别与所述负电源线与推挽输出比较反馈平衡电路电连接，所述第五滤波电容组包括并联连接在所述第二电感的第一端与干扰泄放地层之间且电容值分别为1纳法、0.1微法、10微法的三个陶瓷滤波电容、以及并联连接在所述第二电感的第二端与干扰泄放地层之间且电容值分别为1纳法、0.1微法、10微法的三个陶瓷滤波电容。

8.根据权利要求1所述的特种车载磁平衡霍尔电流传感器，其特征在于，所述正电源线与电流输出线之间串接有第一双极性电压瞬态抑制器，所述负电源线与电流输出线之间串接有第二双极性电压瞬态抑制器。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的特种车载磁平衡霍尔电流传感器，其特征在于，所述印制电路板包括顶层、参考地层、电源层和底层，且所述顶层、参考地层、电源层和底层沿所述印制电路板的高度方向依次相叠；所述干扰泄放地层由参考地层的覆铜以及分别位于所述顶层、电源层和底层的外周的覆铜构成。

10.根据权利要求9所述的特种车载磁平衡霍尔电流传感器，其特征在于，在所述干扰泄放地层中，位于所述顶层、电源层和底层的外周的覆铜通过多个间隔设置的导电过孔与所述参考地层的覆铜电连接。

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