DE102008034577A1 - Current measuring arrangement, has electrically conductive flat diamagnetic or paramagnetic shielding element lying with respect to sensor arrangement and comprising surface partially covers measuring circuit of sensor arrangement - Google Patents

Current measuring arrangement, has electrically conductive flat diamagnetic or paramagnetic shielding element lying with respect to sensor arrangement and comprising surface partially covers measuring circuit of sensor arrangement Download PDF

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    • G01R15/207—Constructional details independent of the type of device used

Abstract

The arrangement (1) has a load pathway (4) and a sensor arrangement (5) e.g. giant magneto resistance (GMR) sensor arrangement, arranged in two parallel planes, respectively. An insulation material (3) is arranged for insulation between the two planes, and an electrically conductive flat diamagnetic or paramagnetic shielding element (10) is provided in a third plane lying between the two planes. The shielding element is isolated from the load pathway, and lies with respect to the sensor arrangement. A surface of the element partially covers a measuring circuit (6) of the sensor arrangement.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strommessanordnung, umfassend eine in einer ersten Ebene angeordnete Lastleitungsbahn und eine in einer zweiten, zur ersten Ebene parallelen Ebene angeordnete Senscranordnung mit einer Messschaltung, wobei zur Isolierung zwischen den beiden Ebenen ein Isolierwerkstoff angeordnet ist.The The invention relates to a current measuring arrangement comprising one in one first level arranged load line track and one in a second, to first level parallel plane arranged Senscranordnung with a Measuring circuit, being used for insulation between the two levels Insulating material is arranged.

Solche Anordnungen sind weitgehend bekannt. Magnetwiderstandssensoren, insbesondere GMR-Sensoren (giant magneto resistance), werden als eine Alternative zu Hallsensoren immer bekannter. Solche Magnetwiderstandssensoren erlauben einen einfacheren Systemaufbau, eine größere Störsicherheit und ein geringes Rauschen. Insbesondere ist es bekannt, eine Sensoranordnung mit einer analogen Messschaltung und gegebenenfalls auch digitalen Elementen (FPGA, DSP) auf der Rückseite einer nicht leitenden Platte aus Isolierwerkstoff anzubringen, wobei der Lastkreis, insbesondere in einer U-Form, auf der Vorderseite an der rückseitig angeordneten Sensoranordnung vorbeigeführt wird. Die Sensoranordnung kann im Rahmen eines sogenannten „back end”-Prozesses im Rahmen eines CMOS-Prozesses, der die analoge Messchaltung und gegebenenfalls digitale Anteile realisiert, aufgebracht werden und benötigt somit keine zusätzliche Fläche.Such Arrangements are widely known. Magnetoresistance sensors, In particular, GMR sensors (giant magneto resistance), as an alternative to Hall sensors increasingly well-known. Such magnetoresistive sensors allow a simpler system structure, greater immunity to interference and low Noise. In particular, it is known to use a sensor arrangement an analog measuring circuit and possibly also digital elements (FPGA, DSP) on the back a non-conductive plate made of insulating material, wherein the load circuit, in particular in a U-shape, on the front at the back arranged sensor arrangement is passed. The sensor arrangement can be part of a so-called "backend" process in the context of a CMOS process, the analog measuring circuit and possibly digital components realized, applied and thus requires no additional area.

Es ergibt sich dabei somit ein Aufbau, bei dem die Lastleitungsbahn in einer ersten Ebene liegt, die Sensoranordnung aber in einer zweiten, zur ersten Ebene parallelen Ebene. Beide sind auf dem sie trennenden Isolierwerkstoff angeordnet.It This results in a structure in which the load line in a first plane, but the sensor arrangement in a second, to the first level parallel plane. Both are on the divide Insulating material arranged.

Im Rahmen der Optimierung des Messprozesses verkomplizieren sich die Sensoranordnungen zunehmend. So werden für viele Anwendungen in der Stromsensorik jeweils vier magnetoresistive Elemente zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet, um genauere, von Temperaturschwankungen, Fremdfeldern und dergleichen unabhängige Messungen zu erreichen. Um eine Temperaturdrift des Offsets zu vermeiden, wird neben einem temperaturkompensierten GMR-Stapel auch eine Verbindung zwischen den magnetoresistiven Stapeln (häufig „metal interconect” genannt) mit geringem ohmschen Widerstand bzw. hoher Paargenauigkeit entsprechender Widerstände benötigt.in the The optimization of the measurement process complicates the Sensor arrangements increasingly. So for many applications in the Current sensors each interconnected four magnetoresistive elements to form a Wheatstone bridge, to more precise, of temperature fluctuations, foreign fields and the like independent To achieve measurements. In order to avoid a temperature drift of the offset, In addition to a temperature-compensated GMR stack is also a connection between the magnetoresistive stacks (often called "metal interconect") needed with low resistance or high pair accuracy corresponding resistors.

Um diese Vorteile erreichen zu können, können die Leiterbahnen der Sensoranordnung nicht beliebig schmal ausgeführt werden. Es entstehen dabei, insbesondere durch die Leiterbahnen, die Kontaktstellen der Brückenabgriffe und die Versorgungszuführungen, Flächen, die bei dem geschilderten Aufbau in zwei Ebenen in räumlicher Nähe zur Lastleitungsbahn angeordnet sein müssen. Dadurch entsteht jedoch eine relativ hohe kapazitive Kopplung zwischen der Lastleitungsbahn (Primärkreis) und der Sensoranordnung (Sekundärkreis). Bei schnell veränderlichen Spannungen zwischen Primärkreis und Sekundärkreis, beispielsweise bei einer Spannungsänderungsrate (auch Flankensteilheit oder slew rate) von 1 kV/μs oder mehr, kommt es zu Messungenauigkeiten bei der Strommessung. Dann werden als Ausgangssignal beispielsweise eines Filters Spannungen erhalten, beispielsweise im Bereich von 900 mV, die deutlich höher sind als das Nutzsignal der Sensoranordnung, das etwa bei 20 mV für AMR-Sensoren (basierend auf dem anisotropen magnetoresistiven Effekt) bzw. bei 100 mV bei GMR-Sensoren liegt. Ab einer bestimmten Rate der Spannungsveränderung (slew rate) ist demnach keine Messung mit der Strommessanordnung mehr möglich, darunter kommt es zu deutlichen Messfehlern. Werden gar auch die digitalen Komponenten des Sensors gemeinsam mit der analogen Messschaltung auf dem Isolierwerkstoff, also dem Schaltungsträger, aufgebracht (häufig als hybrides System oder SoC, system an carrier, bezeichnet) so entstehen zusätzliche Flächen, die die kapazitive Kopplung noch erhöhen, so dass sich die Verhältnisse zwischen Signal und Störung weiter verschlechtern.Around to be able to achieve these benefits can the tracks of the sensor array are not made arbitrarily narrow. It arise, in particular by the conductor tracks, the contact points the bridge taps and the supply supplies, surfaces, in the described construction in two levels in spatial Close to Load line must be arranged. This, however, creates a relatively high capacitive coupling between the load line track (Primary circuit) and the sensor arrangement (secondary circuit). At fast changing Voltages between primary circuit and secondary circuit, for example, at a voltage change rate (also edge steepness or slew rate) of 1 kV / μs or more, it comes to measuring inaccuracies in the current measurement. Then, as the output of, for example, a filter, voltages obtained, for example, in the range of 900 mV, which are significantly higher as the payload of the sensor array, which is about 20 mV for AMR sensors (based on the anisotropic magnetoresistive effect) or at 100 mV for GMR sensors. From a certain rate of voltage change (slew rate) is therefore no measurement with the current measuring arrangement more is possible, underneath it comes to significant measurement errors. Will be even the digital components of the sensor together with the analog measuring circuit on the insulating material, so the circuit carrier applied (often as hybrid system or SoC, system to carrier) additional surfaces, which increase the capacitive coupling, so that the conditions between signal and fault continue to worsen.

Zur Lösung dieser Problematik ist es bekannt, möglichst kleine und gleiche Flächen im Layout zu verwenden, so dass die eingekoppelten Zusatzspannungen durch kapazitive Kopplung minimiert werden. Allerdings ist dabei nachteilhaft, dass kleine Flächen hohe Widerstände der Verbindungsleitungen und damit hohe Temperaturkoeffizienten des Offsets bedingen, was bei Temperaturschwankungen wieder zu Messfehlern führt. Das Konzept, möglichst gleiche Koppelkapazitäten durch möglichst gleiche Flächen zu erzielen, ist durch Fertigungstoleranzen beschränkt und löst insbesondere nicht das Problem des Gleichtaktanteils (common mode) der Störeinkopplung, der den nachgeschalteten Verstärker oder A/D-Wandler übersteuern kann.to solution This problem is known as small and the same surfaces to use in the layout, so that the coupled-in additional voltages be minimized by capacitive coupling. However, it is there disadvantageous that small areas high resistance the connecting lines and thus high temperature coefficient of Offsets cause, what with temperature fluctuations again to measurement errors leads. The concept, if possible same coupling capacities by as much as possible surfaces to achieve is limited by manufacturing tolerances and triggers in particular not the problem of the common mode component of the interference coupling, the downstream amplifier or override A / D converter can.

Weiterhin wurde kürzlich vorgeschlagen, bei AMR-Stromsensoren eine Elektrokeramik als Schaltungsträger, also als Isolierwerkstoff, zu verwenden, die durch eine niedrige relative Permittivität (Dielektrizitätskonstante) die kapazitive Kopplung reduziert. Aus Versuchen hat sich ergeben, dass darüber hinaus dennoch teilweise erhebliche Fehlmessungen auftreten, wenn große slew rates erreicht werden. Gerade solche erhöhten Flankensteilheiten sind jedoch durch die in den letzten Jahren entwickelten leistungselektronischen Schalter zu erwarten, die Ein- und Ausschaltvorgänge in immer kürzeren Zeiten realisieren (beispielsweise seien der „fast recovery insulated gate bipolar transistor” oder auch schnelle „superjunction-Feldeffekttransistoren” genannt).Farther was recently proposed in AMR current sensors an electroceramic circuit carrier, ie as an insulating material, to be used by a low relative permittivity (Dielectric constant) reduces the capacitive coupling. Experiments have shown that about it In addition, in some cases considerable erroneous measurements occur when size slew rates can be achieved. Just such increased edge steepnesses are however, by the electronic power developed in recent years Switch to expect the on and off operations in ever shorter times realize (for example, the "fast recovery insulated gate bipolar transistor "or also called fast "superjunction field effect transistors").

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Strommessanordnung anzugeben, die auch bei höherer Flankensteilheit (slew rate) noch verlässliche Messungen erlaubt.The invention is therefore the task The reason is to specify a current measuring arrangement which allows reliable measurements even at higher slew rate.

Zur Lösung dieses Problems ist bei einer Strommessanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass in einer dritten, zwischen der ersten und der zweiten Ebene liegenden Ebene wenigstens ein elektrisch von der Lastleitungsbahn isoliertes, auf einem bezüglich der Sensoranordnung im Wesentlichen konstanten Potential liegendes leitendes dia- oder paramagnetisches flächiges Abschirmelement vorgesehen ist, dessen Fläche wenigstens teilweise die Messschaltung der Sensoranordnung überdeckt.to solution This problem is in a current measuring arrangement of the aforementioned Art provided according to the invention, that in a third, between the first and the second level lying at least one electrically from the load line track isolated, on a re the sensor arrangement lying substantially constant potential conducting dia- or paramagnetic surface Shielding element is provided, the surface of which at least partially Measuring circuit of the sensor arrangement covers.

Durch die erfindungsgemäß vorgesehene zusätzliche para- oder diamagnetische Schicht, die das Abschirmelement bildet, kann die kapazitive Kopplung zwischen dem Primärkreis, also der Lastleitungsbahn, und dem Sekundärkreis, also der Sensoranordnung, deutlich abgesenkt werden, wenn das elektrische Potential, auf dem das Abschirmelement liegt, gegenüber der Versorgung des Signalkreises zeitlich konstant ist. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die analoge Messschaltung durch das Abschirmelement im Wesentlichen vollständig überdeckt ist. Wird ein hybrides System verwendet, umfasst also die Sensoranordnung auch einen digitalen Anteil, beispielsweise einen A/D-Wandler, Verstärker und Filter, so kann vorgesehen sein, dass auch der digitale Anteil zumindest teilweise von dem Abschirmelement überdeckt ist. Vorzugsweise sollte der gesamte Überlapp zwischen Sensoranordnung und Lastleitungsbahn durch das Abschirmelement überdeckt sein. Bei richtiger Auslegung des Abschirmelements, siehe dazu im Weiteren, kann ein Durchtreten der elektrischen Feldanteile, die von dem durch die Lastleitungsbahn strömenden Strom erzeugt werden, weitgehend verhindert werden, während das – durch die Messschaltung zu messende – Magnetfeld praktisch ungehindert durchtritt. Somit ist eine von der kapazitiven Kopplung auch für höhere slew rates fast ungestörte Strommessung möglich. In Versuchen zur vorliegenden Erfindung wurden durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene kapazitive Schirmmaßnahme in Gestalt des Abschirmelements Reduzierungen der Störeinkopplungen um ca. den Faktor 10.000 festgestellt. Vorteilhafterweise wird also die Empfindlichkeit der Sensoranordnung gegen Spannungspulse seitens der Lastleitungsbahn sehr deutlich reduziert.By the invention provided additional para- or diamagnetic layer forming the shielding element, can the capacitive coupling between the primary circuit, ie the load line, and the secondary circuit, So the sensor assembly, be lowered significantly when the electric Potential, on which the shielding element is located opposite to Supply of the signal circuit is constant in time. That's it Particularly advantageous if the analog measuring circuit by the Shielding element is substantially completely covered. Becomes a hybrid Used system, so the sensor array also includes a digital portion, For example, an A / D converter, amplifier and filter, it can be provided be that the digital share at least partially of the Shielding element covered is. Preferably, the entire overlap between the sensor assembly and load line track to be covered by the shielding. If you are right Design of the shielding, see below, a can Passing through the electrical field components of the through the load line track flowing Electricity generated can be largely prevented while that - by the Measuring circuit to be measured - magnetic field passes practically unhindered. Thus, one of the capacitive Coupling also for higher Slew rates almost undisturbed Current measurement possible. In experiments to the present invention were proposed by the present invention Capacitive screen measure in the form of the shielding element reductions of the interference couplings detected by about the factor 10,000. Advantageously, then the sensitivity of the sensor arrangement against voltage pulses from the side the load line significantly reduced.

Bei der optimalen Ausgestaltung des Abschirmelements, also hinsichtlich der Abmessungen und der Materialwahl, ist zu beachten, dass möglichst bis hin zu einer gewünschten Grenzfre quenz (die eine Änderungsrate wiedergibt) die elektrischen Felder, die durch den Laststrom erzeugt werden, möglichst abgeschirmt werden sollen, während das Magnetfeld nicht zu stark abgedämpft werden darf. Mit anderen Worten muss für eine betrags- und phasenrichtige Messung des Stromes bis zur beabsichtigten Grenzfrequenz die Ausgestaltung des Abschirmelements so gewählt werden, dass die Transmission des Magnetfeldanteils der durch den Laststrom erzeugten elektromagnetischen Welle groß genug bleibt.at the optimal configuration of the shielding, so in terms the dimensions and the choice of materials, it should be noted that as far as possible to a desired Grenzfre quenz (the one rate of change represents) the electric fields generated by the load current be, if possible while being shielded the magnetic field must not be damped too much. With others Words must be for a magnitude and in-phase measurement of the current up to the intended cutoff frequency the design of the shielding be chosen so that the transmission the magnetic field component of the electromagnetic generated by the load current Wave big enough remains.

Dazu kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Dicke des Abschirmelements abhängig von dem Material des Abschirmelements, einer Grenzfrequenz, bis zu der die Strommessanordnung nutzbar sein soll, und einer maximalen Dämpfung für Magnetfeldanteile eines von einem durch die Lastleitungsbahn fließenden Strom erzeugten Feldes bestimmt ist. Über grundsätzlich bekannte physikalische Zusammenhänge lässt sich ein Zusammenhang zwischen der Dicke des Abschirmelements und der dadurch bewirkten Dämpfung der Magnetfeldanteile ermitteln. So kann vorgesehen sein, dass die Dicke des Abschirmelements nach der Formel

Figure 00050001
bestimmt ist, wobei d die Dicke des Abschirmelementes ist, D die Dämpfung, fg die Grenzfrequenz, μ0 die magnetische Konstante, μ die relative Permeabilität des Abschirmelements und σ den spezifischen elektrischen Leitwert der Schicht bezeichnet. Für ein Abschirmelement aus Kupfer ergibt sich beispielsweise eine ideale Dicke von etwa 35 μm, um bei einer Grenzfrequenz von 100 kHz die Dämpfung auf ca. 1,5 dB zu begrenzen.For this purpose, it can be provided according to the invention that the thickness of the shielding element is determined by the material of the shielding element, a cutoff frequency up to which the current measuring arrangement is to be usable, and a maximum attenuation for magnetic field components of a field generated by a current flowing through the load line track. By way of basically known physical relationships, it is possible to determine a relationship between the thickness of the shielding element and the attenuation of the magnetic field components caused thereby. Thus, it can be provided that the thickness of the shielding element according to the formula
Figure 00050001
where d is the thickness of the shielding element, D is the attenuation, f g is the cutoff frequency, μ 0 is the magnetic constant, μ is the relative permeability of the shielding element, and σ is the specific electrical conductivity of the layer. For a shielding element made of copper, for example, an ideal thickness of about 35 μm results, in order to limit the attenuation to about 1.5 dB at a limit frequency of 100 kHz.

Allgemein kann das Abschirmelement aus einem Metall, vorzugsweise aus Kupfer, bestehen. Jedoch sind auch andere Metalle denkbar, beispielsweise können Gold, Aluminium oder Silber verwendet werden. Kupfer bietet den Vorteil, relativ günstig und leicht zu verarbeiten zu sein, während keine zu großen Dicken benötigt werden, wie beispielsweise bei Aluminium.Generally the shielding element may be made of a metal, preferably of copper, consist. However, other metals are conceivable, for example can Gold, aluminum or silver can be used. Copper offers the Advantage, relatively cheap and easy to work while not too big Thickness needed such as aluminum.

Alternativ zur Verwendung eines metallischen Abschirmelements kann auch vorgesehen sein, dass das Abschirmelement aus einer leitenden Keramik besteht. Auch leitende Kunststoffe, beispielsweise PDOT, oder Leitkohlenstoffe sind denkbar.alternative for use of a metallic shielding element can also be provided the shielding element consists of a conductive ceramic. Also conductive plastics, such as PDOT, or conductive carbons are conceivable.

Wie bereits dargelegt, ist das Abschirmelement an ein im Vergleich zum Versorgungspotential der Sensoranordnung konstantes Potential angeschlossen. Dazu kann vorgesehen sein, dass das Abschirmelement an das Versorgungspotential der Sensoranordnung selber oder an Masse angeschlossen ist. Dabei ist ein Anschluss an Masse vorzuziehen. Um eine möglichst effektive Schirmung der kapazitiven Kopplung zwischen der Lastleitungsbahn und der Sensoranordnung zu erreichen, sollten dabei die Stützkondensatoren entsprechend groß und die Versorgungsleitungen entsprechend niederohmig dimensioniert werden.As already stated, the shielding element is connected to a constant potential compared to the supply potential of the sensor arrangement. For this purpose, it may be provided that the shielding element is connected to the supply potential of the sensor arrangement itself or to ground. In this case, a connection to ground is preferable. To ensure the most effective possible shielding of the capacitive coupling between the load line track and to achieve the sensor arrangement, the support capacitors should be correspondingly large and the supply lines are dimensioned correspondingly low impedance.

Um zu verhindern, dass der eigentliche Signalbezugspunkt durch die Verschiebungsströme, die durch lastseitige Potentialsprünge verursacht werden, belastet wird, kann zudem vorgesehen sein, dass der Potentialanschluss des Abschirmelements über eine Spannungsfolgerschaltung oder eine „ground force”-Schaltung erfolgt. Diese vorteilhafte Ausgestaltung bei bipolarer Versorgung vermeidet indirekte Einflüsse der Spannungspulse durch Potentialschwankungen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Dynamik der Spannungsfolgerschaltung deutlich höher, insbesondere um einen Faktor 10–100, als die bereits erwähnte Grenzfrequenz ist, bis zu der die Strommessanordnung verlässliche Messwerte liefern soll.Around to prevent the actual signal reference point from passing through Displacement currents, which are caused by load-side potential jumps charged In addition, it can be provided that the potential connection of the Shielding over a voltage follower circuit or a ground force circuit takes place. This advantageous embodiment avoids bipolar supply indirect influences the voltage pulses due to potential fluctuations. In particular, can be provided that the dynamics of the voltage follower circuit clearly higher, especially by a factor of 10-100, as the already mentioned Cutoff frequency is up to the current measuring arrangement reliable readings should deliver.

Mit besonderem Vorteil kann vorgesehen sein, dass das Abschirmelement wenigstens eine Aussparung aufweist. Durch eine solche „Teilperforation” des Abschirmelements wird eine effektiv kleinere Dicke erreicht, insbesondere treten jedoch weniger Wirbelströme auf, die wiederum die Ursache für Messungenauigkeiten bieten könnten. Zudem wird durch die verrin gerte Fläche weniger zusätzliche Kapazität in die Gesamtanordnung eingeführt. Die Größe der Aussparungen ist dabei so zu wählen, dass die Verschiebungsdichte des elektrischen Feldes auf Höhe der zweiten Ebene dennoch gegen 0 geht. Dazu kann insbesondere vorgesehen sein, dass eine maximale Ausmessung der Aussparung kleiner ist als der kürzeste Abstand zwischen dem Abschirmelement und der Sensoranordnung. Allerdings kann die Größe der wenigstens einen Aussparung auch deutlich kleiner als dieser kürzeste Abstand sein.With particular advantage can be provided that the shielding has at least one recess. By such a "partial perforation" of the shielding an effectively smaller thickness is achieved, in particular occur but less eddy currents which, in turn, is the cause of measurement inaccuracies could offer. In addition, the reduced surface less additional capacity introduced into the overall arrangement. The size of the recesses is to choose so that the shift density of the electric field at the level of the second Level still goes to 0. This may be provided in particular that a maximum dimension of the recess is smaller than that shortest Distance between the shielding element and the sensor arrangement. Indeed can be the size of at least a recess also significantly smaller than this shortest distance be.

Alternativ oder zusätzlich zu der wenigsten einen Aussparung im Abschirmelement kann vorgesehen sein, dass mehrere beabstandete, insbesondere streifenförmige Abschirmelemente vorgesehen sind. Dadurch erhöht sich allerdings der zusätzliche Bedarf an niederohmigen Leitungsbahnen zur Anbindung der einzelnen Abschirmelemente an das entsprechende Potential. Wirbelströme werden jedoch weiter reduziert. Analog zum Fall der Aussparungen kann auch in diesem Fall vorgesehen sein, dass ein maximaler Abstand zwischen den Abschirmelementen kleiner ist als der kürzeste Abstand zwischen einem Abschirmelement und der Sensoranordnung.alternative or additionally at least one recess in the shielding element can be provided be that a plurality of spaced, in particular strip-shaped shielding are provided. This increases However, the additional needs on low-impedance conductor tracks for connecting the individual shielding elements to the corresponding potential. Eddy currents, however, are further reduced. Analogous to the case of the recesses can also be provided in this case be that a maximum distance between the shielding elements is smaller than the shortest Distance between a shielding element and the sensor arrangement.

Als Isolierwerkstoff kann ein Leiterplattenwerkstoff und/oder eine Keramik gewählt werden. Die Keramik bietet wegen ihrer besseren Temperatureigenschaften und ihrer niedrigen Dielektrizitätskonstante Vorteile.When Insulating material may be a printed circuit board material and / or a ceramic chosen become. The ceramic offers because of their better temperature properties and their low dielectric constant Advantages.

Zur Einbindung des Abschirmelements in die Strommessanordnung kann ferner vorgesehen sein, dass das Abschirmelement in einer Mehrlagenleiterplatte eingebettet ist. Verfahren zur Herstellung von Mehrlagenleiterplatten sind weithin bekannt, so dass auf diese Weise eine günstige Möglichkeit geschaffen wird, die erfindungsgemäße Strommessanordnung herzustellen.to Integration of the shielding element in the current measuring arrangement may further be provided that the shielding in a multi-layer printed circuit board is embedded. Method for producing multilayer printed circuit boards are well known, so in this way a cheap option is created to produce the current measuring arrangement according to the invention.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:Further Advantages and details of the present invention will become apparent from the embodiments described below and based on the drawings. Showing:

1 eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Strommessanordnung, 1 a plan view of a current measuring arrangement according to the invention,

2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in 1, 2 a section along the line II-II in 1 .

3 eine alternative Ausgestaltung eines Abschirmelements, 3 an alternative embodiment of a shielding element,

4 eine weitere alternative Ausgestaltung eines Abschirmelements, 4 a further alternative embodiment of a shielding element,

5 ein Signal bei einer Strommessanordnung des Standes der Technik, und 5 a signal in a current measuring arrangement of the prior art, and

6 ein Signal unter denselben Bedingungen wie in 5 bei der erfindungsgemäßen Strommessanordnung. 6 a signal under the same conditions as in 5 in the current measuring arrangement according to the invention.

1 und 2 zeigen eine erfindungsgemäße Strommessanordnung 1. Sie umfasst als Schaltungsträger 2 einen Isolierwerkstoff 3, wobei der vorliegende Blick in 1 auf die Rückseite des Schaltungsträgers 2 erfolgt. Objekte in tieferen Ebenen sind gestrichelt angedeutet. Die Strommessanordnung 1 dient dazu, einen Strom durch eine in einer ersten Ebene, nämlich auf der Vorderseite des Schaltungsträgers 2 angeordnete Lastleitungsbahn 4 zu messen. Diese verläuft vorliegend U-förmig, um geeignete Magnetfelder für eine magnetfeldbasierte Messung mit Hilfe einer GMR-Sensoranordnung 5 zu messen. 1 and 2 show a current measuring arrangement according to the invention 1 , It includes as a circuit carrier 2 an insulating material 3 , where the present look in 1 on the back of the circuit board 2 he follows. Objects in lower levels are indicated by dashed lines. The current measuring arrangement 1 serves a current through a in a first plane, namely on the front side of the circuit substrate 2 arranged load line track 4 to eat. In the present case, this extends in a U-shape to form suitable magnetic fields for a magnetic-field-based measurement with the aid of a GMR sensor arrangement 5 to eat.

Die Sensoranordnung 5 ist dabei nahe der Lastleitungsbahn 4 in einer zweiten, zur ersten Ebene parallelen Ebene auf der Rückseite des Schaltungsträgers 2 angeordnet. Der Isolierwerkstoff 3 befindet sich dementsprechend zwischen der ersten und der zweiten. Ebene und isoliert die Komponenten elektrisch. Vorliegend wurde als Isolierwerkstoff eine Elektrokeramik verwendet, es kann jedoch auch beispielsweise der Leiterplattenwerkstoff FR4 verwendet werden.The sensor arrangement 5 is close to the load line 4 in a second, parallel to the first plane level on the back of the circuit substrate 2 arranged. The insulating material 3 is accordingly between the first and the second. Level and electrically isolate the components. In the present case, an electroceramic material has been used as the insulating material, but it is also possible, for example, to use the printed circuit board material FR4.

Der genaue Aufbau einer solchen Sensoranordnung, beispielsweise als Wheatstone-Brücke mit Verbindungsleitungen, sowie die GMR-Stapelstrukturen sind im Stand der Technik bekannt und sollen daher hier nicht näher ausgeführt werden. Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Konzept lässt sich auf alle magnetfeldbasierten Messungen anwenden, beispielsweise also auch bei AMR-Sensoren.The exact structure of such a sensor arrangement, for example as a Wheatstone bridge with Connecting lines, as well as the GMR stacking structures are known in the art and therefore should not be further detailed here. The concept on which the present invention is based can be applied to all magnetic-field-based measurements, that is to say also to AMR sensors.

Die Sensoranordnung 5 umfasst eine analoge Messschaltung 6, die mehrere Leitungsbahnen 7 und weitere Komponenten 8, beispielsweise GMR-Sensorelemente, umfasst. Zudem umfasst die Sensoranordnung 5 auch einen digitalen Anteil 9, beispielsweise einen A/D-Wandler, Filter und/oder auch FPGAs oder DSPs. Durch die Anteile 7–9 kann es nun zu einer kapazitiven Kopplung mit der Lastleitungsbahn 4 kommen, die bei schnell veränderlichen Spannungen, beispielsweise bei Ein- und Ausschaltvorgängen mit einer slew rate im Bereich von einigen Kilovolt pro Sekunde die Messung stören könnten.The sensor arrangement 5 includes an analog measuring circuit 6 that have multiple cable ways 7 and other components 8th , For example, GMR sensor elements includes. In addition, the sensor arrangement comprises 5 also a digital share 9 For example, an A / D converter, filters and / or FPGAs or DSPs. By the shares 7 - 9 Now it can lead to a capacitive coupling with the load line 4 which could interfere with measurement at rapidly varying voltages, such as on and off cycles with a slew rate in the range of a few kilovolts per second.

Um diese kapazitiven Einkopplungen weitgehend zu verhindern, ist erfindungsgemäß in einer dritten, zwischen der ersten und der zweiten Ebene liegenden Ebene, vorliegend also innerhalb des Schaltungsträgers 2, ein Abschirmelement 10 vorgesehen, das vorliegend aus Kupfer besteht. Der Schaltungsträger 2 ist dabei als Mehrlagenplatine gefertigt worden, um das Abschirmelement 10 einzubringen.In order to largely prevent these capacitive couplings, according to the invention, in a third plane lying between the first and the second plane, in the present case within the circuit carrier 2 , a shielding element 10 provided, which consists in the present case of copper. The circuit carrier 2 has been manufactured as a multilayer board to the shielding 10 contribute.

Wie aus den 1 und 2 ersichtlich ist, überdeckt das Abschirmelement 10 in seiner Fläche die gesamte analoge Messschaltung 5. Auch ein Teil des digitalen Anteils 9 wird überdeckt, soweit die Lastleitungsbahn 4 hierauf einen Einfluss haben kann. Der gesamte Überlapp zwischen der Sensoranordnung 5 und der Lastleitungsbahn 4 ist somit überdeckt.Like from the 1 and 2 can be seen, covers the shielding 10 in its area the entire analog measuring circuit 5 , Also a part of the digital share 9 is covered, as far as the load line 4 can have an influence on this. The entire overlap between the sensor array 5 and the load line 4 is thus covered.

Die Dicke des Abschirmelements 10 ist dabei so gewählt, dass unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften des Kupfers, einer Grenzfrequenz 100 kHz, bis hin zu der eine verlässliche Messung möglich sein soll und einer maximalen Dämpfung der Magnetfeldanteile eines durch den Strom in der Lastleiterbahn 4 erzeugten elektromagnetischen Feldes von 1,5 dB noch eine betrags- und phasenrichtige Messung des Stromes erfolgen kann. Diese Dicke ergibt sich mit der allgemeinen Beziehung

Figure 00100001
die bereits in der allgemeinen Beschreibung erläutert wurde, zu 35 μm.The thickness of the shielding element 10 is chosen so that, taking into account the material properties of the copper, a cutoff frequency 100 kHz, to which a reliable measurement should be possible and a maximum attenuation of the magnetic field components of a through the current in the load conductor 4 generated electromagnetic field of 1.5 dB can still be a magnitude and in-phase measurement of the current. This thickness is given by the general relationship
Figure 00100001
which has already been explained in the general description, to 35 microns.

In 2 ist bei 11 zusätzlich der Potentialanschluss des dia- oder paramagnetischen Abschirmelements 10 an Masse dargestellt. So ist sichergestellt, dass das Abschirmelement 10 gegenüber der Sensoranordnung 5 auf einem zeitlich konstanten Potential gehalten wird. Der Potentialanschluss 11 ist dabei möglichst niederohmig ausgeführt. Zusätzlich ist eine Spannungsfolgerschaltung 12 vorgesehen, um zu verhindern, dass die im Abschirmelement 10 entstehenden Verschiebungsströme zu einer Verschiebung des Massebezugspunktes führen können, also um Einflüsse der in dem Abschirmelement 10 entstehenden Verschiebungsströme auf die restliche Anordnung zu vermeiden. Die Spannungsfolgerschaltung 12 weist dabei eine Dynamik auf, die um den Faktor 50 gegenüber der Grenzfrequenz erhöht ist.In 2 is at 11 additionally the potential connection of the dia- or paramagnetic shielding element 10 shown in mass. This ensures that the shielding element 10 opposite the sensor arrangement 5 is held at a constant time potential. The potential connection 11 is executed as low as possible. In addition, a voltage follower circuit 12 provided to prevent the in the shielding element 10 resulting displacement currents can lead to a shift of the ground reference point, ie to influences the in the shielding 10 to avoid resulting displacement currents to the rest of the arrangement. The voltage follower circuit 12 has a dynamic, which is by the factor 50 is increased compared to the cutoff frequency.

Alternative Ausgestaltungen für Abschirmelemente 10, 10'' sind in den 3 und 4 dargestellt.Alternative embodiments for shielding 10 . 10 '' are in the 3 and 4 shown.

Das in 3 gezeigte Abschirmelement 10' weist Aussparungen 13 auf, die der Minimierung von Wirbelströmen und der allgemeinen Flächenminderung des Abschirmelementes 10 dienen sollen, um möglichst wenig zusätzliche kapazitive Kopplungen in das System einzubringen. Der Durchmesser der hier kreisförmigen Aussparungen 13 ist so gewählt, dass er kleiner als der kleinste Abstand, also hier der horizontale Abstand in 2, des Abschirmelements 10' von der Sensoranordnung 5 ist. Auf diese Weise geht die Verschiebungsdichte des elektrischen Feldes auf Höhe der Sensoranordnung 5, also in der zweiten Ebene, gegen 0.This in 3 Shielding element shown 10 ' has recesses 13 on, the minimization of eddy currents and the general area reduction of the shielding 10 should serve to bring as little additional capacitive couplings in the system. The diameter of the circular recesses here 13 is chosen so that it is smaller than the smallest distance, so here the horizontal distance in 2 , the shielding element 10 ' from the sensor arrangement 5 is. In this way, the shift density of the electric field at the height of the sensor array 5 , ie in the second level, towards 0.

4 zeigt eine weitere Ausgestaltung, in der nicht nur ein Abschirmelement 10 oder 10' vorgesehen ist, sondern mehrere streifenförmige Abschirmelemente 10''. Diese sind parallel zueinander angeordnet, wobei ihr Abstand wiederum kleiner ist als der kürzeste Abstand zwischen den Abschirmelementen 10 und der Sensoranordnung 5. 4 shows a further embodiment, in which not only a shielding 10 or 10 ' is provided, but a plurality of strip-shaped shielding 10 '' , These are arranged parallel to one another, their spacing, in turn, being smaller than the shortest distance between the screening elements 10 and the sensor assembly 5 ,

Selbstverständlich ist es grundsätzlich auch möglich, die Ausgestaltung nach 3 und 4 zu kombinieren, so dass beispielsweise die streifenförmigen Abschirmelemente 10'' der 4 auch Aussparungen 13 aufweisen können. Dabei ist jedoch grundsätzlich darauf zu achten, dass die Abschirmwirkung nicht verloren geht.Of course, it is also possible in principle, the embodiment 3 and 4 to combine so that, for example, the strip-shaped shielding 10 '' of the 4 also recesses 13 can have. However, it must always be ensured that the shielding effect is not lost.

5 und 6 zeigen nun Graphen, die die Wirksamkeit des erfindungsgemäß vorgesehenen Abschirmelements 10, 10' bzw. 10'' zeigen. 5 zeigt das Sensorsignal am Ausgang eines Tiefpassfilters einer herkömmlichen Strommessanordnung des Standes der Technik nach einem Potentialsprung der Lastleitungsbahn 4 von 2 kV in 0,1 μs. Es entsteht ersichtlich eine Spannungsspitze von 900 mV, die die üblichen Messspannungen von bis zu 100 mV deutlich überschreitet. Wird nun jedoch ein Abschirmelement 10 gemäß den Ausgestaltungen der 1 und 2 verwendet, ergibt sich das in 6 gezeigte Antwortverhalten am Ausgang des Tiefpassfilters nach demselben Potentialsprung von 2 kV in 0,1 μs. Offensichtlich ist eine Verbesserung um bis zu einem Faktor 10.000 möglich, da das Abschirmelement 10 bzw. die Abschirmelemente 10' und 10'' eine kapazitive Einkopplung, die durch elektrische Feldanteile erzeugt wird, fast vollständig abschirmen, während das eigentliche Messsignal, der magnetische Feldanteil, erhalten bleibt. Mit anderen Worten ist die Ausgestaltung der Abschirmelemente 10, 10', 10'' so gewählt, dass eine hinreichende Transmission der magnetischen Feldanteile möglich ist, während die elektrischen Feldanteile die Messung bis zu der gewählten Grenzfrequenz nicht stören. 5 and 6 Now show graphs showing the effectiveness of the present invention provided shielding 10 . 10 ' respectively. 10 '' demonstrate. 5 shows the sensor signal at the output of a low-pass filter of a conventional current measuring arrangement of the prior art after a potential jump of the load line track 4 of 2 kV in 0.1 μs. The result is a voltage peak of 900 mV, which clearly exceeds the usual measuring voltages of up to 100 mV. But now a shielding 10 according to the embodiments of 1 and 2 used, this results in 6 shown response behavior at the output of the low-pass filter after the same potential jump of 2 kV in 0.1 microseconds. Obviously, an improvement of up to a factor of 10,000 is possible since the shielding element 10 or the shielding 10 ' and 10 '' a capacitive coupling, which is generated by electric field components, almost completely shield, while the actual measurement signal, the magnetic field component, is maintained. In other words, the configuration of the shielding elements 10 . 10 ' . 10 '' chosen so that a sufficient transmission of the magnetic field components is possible, while the electric field components do not interfere with the measurement up to the selected cutoff frequency.

Claims (15)

Strommessanordnung (1), umfassend eine in einer ersten Ebene angeordnete Lastleitungsbahn (4) und eine in einer zweiten, zur ersten Ebene parallelen Ebene angeordnete Sensoranordnung (5) mit einer Messschaltung (6), wobei zur Isolierung zwischen den beiden Ebenen ein Isolierwerkstoff (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einer dritten, zwischen. der ersten und der zweiten Ebene liegenden Ebe ne wenigstens ein elektrisch von der Lastleitungsbahn (4) isoliertes, auf einem bezüglich der Sensoranordnung (5) im Wesentlichen konstantem Potential liegendes leitendes flächiges dia- oder paramagnetisches Abschirmelement (10, 10', 10'') vorgesehen ist, dessen Fläche wenigstens teilweise die Messschaltung (6) der Sensoranordnung (5) überdeckt.Current measuring arrangement ( 1 ) comprising a load line track arranged in a first plane ( 4 ) and in a second, parallel to the first plane arranged sensor array ( 5 ) with a measuring circuit ( 6 ), wherein for isolation between the two planes an insulating material ( 3 ), characterized in that in a third, between. At least one of the first and second plane Ebe ne at least one electrically from the load line ( 4 ) isolated on a with respect to the sensor array ( 5 ) is a substantially constant potential lying flat surface dia- or paramagnetic shielding element ( 10 . 10 ' . 10 '' ) is provided whose surface at least partially the measuring circuit ( 6 ) of the sensor arrangement ( 5 ) covered. Strommessanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschaltung (6) analog ausgebildet ist und durch das Abschirmelement (10, 10', 10'') im Wesentlichen vollständig überdeckt ist.Current measuring arrangement according to claim 1, characterized in that the measuring circuit ( 6 ) is formed analogously and by the shielding ( 10 . 10 ' . 10 '' ) is substantially completely covered. Strommessanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (5) einen digitalen Anteil (9) umfasst, welcher zumindest teilweise von dem Abschirmele ment (10, 10', 10'') überdeckt ist.Current measuring arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the sensor arrangement ( 5 ) a digital share ( 9 ), which at least partially of the Abschirmele element ( 10 . 10 ' . 10 '' ) is covered. Strommessanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Abschirmelements (10, 10', 10'') abhängig von dem Material des Abschirmele ments (10, 10', 10''), einer Grenzfrequenz, bis zu der die Strommessanordnung (1) nutzbar sein soll, und einer maximalen Dämpfung für Magnetfeldanteile eines von einem durch die Lastleitungsbahn (4) fließenden Strom erzeugten Feldes bestimmt ist.Current measuring arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the thickness of the shielding element ( 10 . 10 ' . 10 '' ) depending on the material of Abschirmele element ( 10 . 10 ' . 10 '' ), a cut-off frequency up to which the current measuring arrangement ( 1 ) and a maximum attenuation for magnetic field components of one of a through the load line track ( 4 ) flowing current generated field is determined. Strommessanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Abschirmelementes (10, 10', 10'') nach der Formel
Figure 00130001
wobei d die Dicke des Abschirmelements (10, 10', 10''), D die Dämpfung, fg die Grenzfrequenz, μ die Permeabilität und σ die Leitfähigkeit des Materials des Abschirmelements (10, 10', 10'') bezeichnet, bestimmt ist.Current measuring arrangement according to claim 4, characterized in that the thickness of the shielding element ( 10 . 10 ' . 10 '' ) according to the formula
Figure 00130001
where d is the thickness of the shielding element ( 10 . 10 ' . 10 '' ), D the attenuation, f g the cutoff frequency, μ the permeability and σ the conductivity of the material of the shielding element ( 10 . 10 ' . 10 '' ), is determined. Strommessanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennnzeichnet, dass das Abschirmelement (10, 10', 10'') aus einem Metall, insbesondere aus Kupfer, besteht.Current measuring arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the shielding element ( 10 . 10 ' . 10 '' ) consists of a metal, in particular copper. Strommessanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschirmelement (10, 10', 10'') aus einer elektrisch leitenden Keramik oder einem leitenden Kunststoff oder einem Leitkohlenstoff besteht.Current measuring arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the shielding element ( 10 . 10 ' . 10 '' ) consists of an electrically conductive ceramic or a conductive plastic or a Leitkohlenstoff. Strommessanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschirmelement (10, 10', 10') an ein Versorgungspotential der Sensoranordnung (5) oder an Masse angeschlossen ist.Current measuring arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the shielding element ( 10 . 10 ' . 10 ' ) to a supply potential of the sensor arrangement ( 5 ) or connected to ground. Strommessanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Potentialanschluss (11) des Abschirmelements (10, 10', 10'') über eine Spannungsfolgerschaltung (12) oder eine „ground force”-Schaltung erfolgt.Current measuring arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the potential connection ( 11 ) of the shielding element ( 10 . 10 ' . 10 '' ) via a voltage follower circuit ( 12 ) or a ground force circuit. Strommessanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch Gekennzeichnet, dass das Abschirmelement (10') wenigstens eine Aussparung (13) aufweist.Current measuring arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the shielding element ( 10 ' ) at least one recess ( 13 ) having. Strommessanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximale Ausmessung der Aussparung (13) kleiner ist als der kürzeste Abstand zwischen dem Abschirmelement (10') und der Sensoranordnung (5).Current measuring arrangement according to claim 10, characterized in that a maximum measurement of the recess ( 13 ) is smaller than the shortest distance between the shielding element ( 10 ' ) and the sensor arrangement ( 5 ). Strommessanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere beabstandete, ins besondere streifenförmige Abschirmelemente (10'') vorgesehen sind.Current measuring arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of spaced, in particular strip-shaped shielding ( 10 '' ) are provided. Strommessanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein maximaler Abstand zwischen den Abschirmelementen (10'') kleiner ist als der kürzeste Abstand zwischen einem Abschirmelement (10'') und der Sensoranordnung (5).Current measuring arrangement according to claim 12, characterized in that a maximum distance between the shielding elements ( 10 '' ) is smaller than the shortest distance between a shielding element ( 10 '' ) and the sensor arrangement ( 5 ). Strommessanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolierwerkstoff (3) ein Leiterplattenwerkstoff und/oder eine Keramik ist.Current measuring arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the insulating material ( 3 ) is a printed circuit board material and / or a ceramic. Strommessanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschirmelement (10, 10', 10'') in einer Mehrlagenleiterplatte eingebettet ist.Current measuring arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the shielding element ( 10 . 10 ' . 10 '' ) is embedded in a multilayer printed circuit board.
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