DE102012221803B4

DE102012221803B4 - Stromsensorbaustein, Anordnung und System

Info

Publication number: DE102012221803B4
Application number: DE102012221803.3A
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2011-11-29
Filing date: 2012-11-28
Publication date: 2019-09-12
Anticipated expiration: 2032-11-29
Also published as: US9310398B2; US20130138372A1; CN103134974B; CN103134974A; DE102012221803A1

Abstract

Stromsensorbaustein, der dafür ausgelegt ist, einen Primärstrom zu erfassen, der in einem primären Leiter eines Substrats fließt, wobei der Stromsensorbaustein folgende Merkmale aufweist:
eine Kalibrationsstrom-Bereitstellungsvorrichtung, die dafür ausgelegt ist, einen Kalibrationsstrom für einen Kalibrationsleiter des Substrats bereitzustellen, wobei der Kalibrationsleiter und der primäre Leiter auf dem Substrat in einer definierten räumlichen Beziehung zueinander angeordnet sind, und wobei der primäre Leiter und der Kalibrationsleiter elektrisch voneinander isoliert sind;
einen Magnetfeldsensor, der dafür ausgelegt ist, ein Magnetfeld des in dem primären Leiter fließenden Primärstroms zu erfassen, um ein Primärsensorsignal bereitzustellen, und ferner dafür ausgelegt ist, ein Magnetfeld des durch den Kalibrationsleiter fließenden Kalibrationsstroms zu erfassen, um ein Kalibrationssensorsignal bereitzustellen; und
eine Steuerung, die dafür ausgelegt ist, das Primärsensorsignal und das Kalibrationssensorsignal zu empfangen, und dafür ausgelegt ist, das Primärsensorsignal auf der Basis des Kalibrationssensorsignals und der definierten räumlichen Beziehung zwischen dem primären Leiter und dem Kalibrationsleiter zu kalibrieren.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen einen Stromsensorbaustein. Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen eine Stromsensoranordnung. Bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen ein Stromsensorsystem, das eine Leiterplatte und einen Stromsensorbaustein umfasst. Bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen einen kernlosen magnetischen Stromsensor mit einem Kalibrationsdraht.
STAND DER TECHNIK
Stromsensoren können zur Messung eines durch einen Leiter fließenden Stroms verwendet werden. Magnetische Stromsensoren umfassen Magnetfeldsensoren zum Detektieren eines Magnetfelds eines durch einen Leiter fließenden Stroms und verwenden diese Informationen, um auf den Strom zu schließen. Kernlose magnetische Stromsensoren sind magnetische Stromsensoren ohne Flusskonzentratoren, die aus Materialien mit großer relativer Permeabilität bestehen.
Die US 8 604 777 B2 ist auf einen Stromsensor aus einer integrierten Schaltung gerichtet, der eine Selbstkalibrierung bei einer Stromteilerkonfiguration ermöglicht. Der Stromsensor weist einen integrierten Stromleiter, einen Magnetfeldumformer, eine Stufe mit steuerbarem Gewinn und eine Kalibrierungssteuerung auf. Der integrierte Stromleiter ist adaptiert, um einen Teil eines Kalibrierungsstroms aufzunehmen. Der Kalibrierungsstrom entspricht einem Vollausschlagsstrom. Der Magnetfeldumformer, der auf den Kalibrierungsstromteil anspricht, liefert ein Magnetfeldsignal, das einen Betrag, der proportional zu einem Magnetfeld, das durch den Kalibrierungsstromteil erzeugt wird, ist, hat. Die Stufe mit steuerbarem Gewinn ist konfiguriert, um das Magnetfeldsignal mit einem anpassbaren Gewinn zu verstärken, um ein verstärktes Magnetfeldsignal zu liefern. Die Kalibrierungssteuerung spricht auf ein Kalibrierungsbefehlssignal an, um den anpassbaren Gewinn der Stufe mit steuerbarem Gewinn an einen kalibrierten Gewinn anzupassen, um das verstärkte Magnetfeldsignal auf einem vorbestimmten Spannungspegel zu liefern, der einem gewünschten Stromsensorausgangssignalspannungspegel entspricht, wenn der Vollausschlagsstrom durch den integrierten Stromleiter aufgenommen wurde.
KURZFASSUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen einen Stromsensorbaustein bzw. ein -gehäuse (package) zum Erfassen eines in einem primären Leiter eines Substrats fließenden Stroms bereit. Der Stromsensorbaustein umfasst einen Magnetfeldsensor, eine Kalibrationsstrom-Bereitstellungsvorrichtung und eine Steuerung. Die Kalibrationsstrom-Bereitstellungsvorrichtung ist dafür ausgelegt, einen Kalibrationsstrom für einen Kalibrationsleiter des Substrats bereitzustellen, wobei der Kalibrationsleiter und der primäre Leiter auf dem Substrat in einer definierten räumlichen Beziehung zueinander angeordnet sind. Der Magnetfeldsensor ist dafür ausgelegt, ein Magnetfeld des in dem primären Leiter fließenden Primärstroms zu erfassen, um ein Primärsensorsignal bereitzustellen, und ein Magnetfeld des durch den Kalibrationsleiter fließenden Kalibrationsstroms zu erfassen, um ein Kalibrationssensorsignal bereitzustellen. Die Steuerung ist dafür ausgelegt, das Primärsensorsignal und das Kalibrationssensorsignal zu empfangen und das Primärsensorsignal auf der Basis des Kalibrationssensorsignals und der definierten räumlichen Beziehung zwischen dem primären Leiter und dem Kalibrationsleiter zu kalibrieren.
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Stromsensoranordnung zum Erfassen eines in einem primären Leiter eines Substrats fließenden Stroms bereit. Die Stromsensoranordnung umfasst einen Magnetfeldsensor und eine Steuerung. Der Magnetfeldsensor umfasst eine primäre Magnetfeldsensoreinheit und eine Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit, wobei die primäre Magnetfeldsensoreinheit dafür ausgelegt ist, ein Magnetfeld des durch den primären Leiter fließenden Primärstroms zu erfassen, um ein Primärsensorsignal bereitzustellen. Ähnlich ist die Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit dafür ausgelegt, ein Magnetfeld eines durch einen Kalibrationsleiter des Substrats fließenden Kalibrationsstroms zu erfassen, um ein Kalibrationssensorsignal bereitzustellen. Der Kalibrationsleiter und der primäre Leiter sind auf dem Substrat in einer definierten räumlichen Beziehung zueinander angeordnet. Die Steuerung ist dafür ausgelegt, das Primärsensorsignal und das Kalibrationssensorsignal zu empfangen und das Primärsensorsignal auf der Basis des Kalibrationssensorsignals und der definierten räumlichen Beziehung zwischen dem primären Leiter und dem Kalibrationsleiter zu kalibrieren.
Bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen ein Stromsensorsystem bereit, das eine Leiterplatte und einen auf der Leiterplatte angebrachten Stromsensorbaustein umfasst. Die Leiterplatte umfasst einen primären Leiter und einen Kalibrationsleiter. Der Kalibrationsleiter und der primäre Leiter sind auf der Leiterplatte in einer definierten räumlichen Beziehung zueinander angeordnet. Der Stromsensorbaustein umfasst einen Magnetfeldsensor, eine Kalibrationsstrom-Bereitstellungsvorrichtung und eine Steuerung. Die Kalibrationsstrom-Bereitstellungsvorrichtung ist dafür ausgelegt, einen Kalibrationsstrom für den Kalibrationsleiter der Leiterplatte bereitzustellen. Der Magnetfeldsensor ist dafür ausgelegt, ein Magnetfeld des in dem primären Leiter fließenden Primärstroms zu erfassen, um ein Primärsensorsignal bereitzustellen, und ein Magnetfeld des durch den Kalibrationsleiter fließenden Kalibrationsstroms zu erfassen, um ein Kalibrationssensorsignal bereitzustellen. Die Steuerung ist dafür ausgelegt, das Primärsensorsignal und das Kalibrationssensorsignal zu empfangen und das Primärsensorsignal auf der Basis des Kalibrationssensorsignals und der definierten räumlichen Beziehung zwischen dem primären Leiter und dem Kalibrationsleiter zu kalibrieren.
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Einrichtung zum Erfassen eines in einem primären Leiter eines Substrats fließenden Primärstroms bereit. Die Einrichtung zum Erfassen des Primärstroms umfasst eine Einrichtung zum Bereitstellen eines Kalibrationsstroms für einen Kalibrationsleiter des Substrats, wobei der Kalibrationsleiter und der primäre Leiter auf dem Substrat in einer definierten räumlichen Beziehung zueinander angeordnet sind. Die Einrichtung zum Erfassen des Primärstroms umfasst ferner eine Einrichtung zum Erfassen eines Magnetfelds des in dem primären Leiter fließenden Primärstroms zum Bereitstellen eines Primärsensorsignals und eines Magnetfelds des durch den Kalibrationsleiter fließenden Kalibrationsstroms zur Bereitstellung eines Kalibrationssensorsignals und eine Einrichtung zum Kalibrieren des Primärsensorsignals auf der Basis des Kalibrationssensorsignals und der definierten räumlichen Beziehung zwischen dem primären Leiter und dem Kalibrationsleiter.
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen ein Verfahren zum Erfassen eines in einem primären Leiter eines Substrats fließenden Primärstroms bereit. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Kalibrationsstroms für einen Kalibrationsleiter des Substrats, wobei der Kalibrationsleiter und der primäre Leiter auf dem Substrat in einer definierten räumlichen Beziehung zueinander angeordnet sind. Das Verfahren umfasst ferner das Erfassen eines Magnetfelds des in dem primären Leiter fließenden Primärstroms, um ein Primärsensorsignal bereitzustellen, und das Erfassen eines Magnetfelds des durch den Kalibrationsleiter fließenden Kalibrationsstroms, um ein Kalibrationssensorsignal bereitzustellen, und das Kalibrieren des Primärsensorsignals auf der Basis des Kalibrationssensorsignals und der definierten räumlichen Beziehung zwischen dem primären Leiter und dem Kalibrationsleiter.
Figurenliste
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden hier unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

1a zeigt eine veranschaulichende Ansicht eines Stromsensorbausteins gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
1b zeigt eine veranschaulichende Ansicht einer Stromsensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
1c zeigt eine veranschaulichende Ansicht einer Stromsensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Stromsensorsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3a zeigt eine veranschaulichende Ansicht eines bekannten Stromsensors.
3b zeigt eine veranschaulichende Ansicht eines bekannten Stromsensors.
4 zeigt eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht eines Stromsensorsystems ohne Kalibrationsleiter.
5 zeigt eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht eines Stromsensorsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht eines Stromsensorsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt eine Querschnittsansicht eines Stromsensorsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt eine Draufsicht eines Stromsensorsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 zeigt eine Draufsicht eines Stromsensorsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 zeigt eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht eines Stromsensorsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erfassen eines in einem primären Leiter einer Leiterplatte fließenden Stroms.

Gleiche oder äquivalente Elemente oder Elemente mit gleicher oder äquivalenter Funktionalität werden in der folgenden Beschreibung durch gleiche oder äquivalente Bezugszahlen bezeichnet.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In der folgenden Beschreibung werden mehrere Einzelheiten dargelegt, um eine umfassendere Erläuterung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bereitzustellen. Für Fachleute ist jedoch ersichtlich, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ohne diese spezifischen Einzelheiten ausgeübt werden können. In anderen Fällen werden wohlbekannte Strukturen und Einrichtungen nicht im Detail, sondern in Blockdiagrammform gezeigt, um eine Verschleierung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu vermeiden. Zusätzlich können Merkmale der verschiedenen im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, sofern es nicht spezifisch anders erwähnt wird.
1a zeigt eine veranschaulichende Ansicht eines Stromsensorbausteins (oder -gehäuses (package) 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Stromsensorbaustein 100 umfasst einen Magnetfeldsensor 102, eine Kalibrationsstrom-Bereitstellungsvorrichtung 104 und eine Steuerung 106. Die Kalibrationsstrom-Bereitstellungsvorrichtung 104 ist dafür ausgelegt, einen Kalibrationsstrom 109 für einen Kalibrationsleiter 110 des Substrats bereitzustellen, wobei der Kalibrationsleiter 110 und der primäre Leiter 108 auf dem Substrat in einer definierten räumlichen Beziehung zueinander angeordnet sind. Der Magnetfeldsensor 102 ist dafür ausgelegt, ein Magnetfeld des in dem primären Leiter fließenden Primärstroms zu erfassen, um ein Primärsensorsignal bereitzustellen, und ein Magnetfeld eines durch den Kalibrationsleiter 110 fließenden Kalibrationsstroms 109 zu erfassen, um ein Kalibrationssensorsignal bereitzustellen. Die Steuerung 106 ist dafür ausgelegt, das Primärsensorsignal und das Kalibrationssensorsignal zu empfangen und das Primärsensorsignal auf der Basis des Kalibrationssensorsignals und der definierten räumlichen Beziehung zwischen dem primären Leiter 108 und dem Kalibrationsleiter 110 zu kalibrieren.
Man beachte, dass der primäre Leiter 108 und der Kalibrationsleiter 110 in 1a lediglich zur Veranschaulichung gezeigt sind. Wie aus der nachfolgenden Besprechung hervorgehen wird, können der primäre Leiter 108 und der Kalibrationsleiter 110 mehrere verschiedene Größen und/oder Formen und mehrere verschiedene Anordnungen mit Bezug auf einander und auf den Stromsensorbaustein 100 umfassen.
Bei Ausführungsformen umfasst der Stromsensorbaustein 100 einen Magnetfeldsensor 102, der dafür ausgelegt ist, ein Magnetfeld eines in einem primären Leiter 108 fließenden Primärstroms 107 zu erfassen. Das erfasste Magnetfeld hängt jedoch nicht nur von dem Betrag des Primärstroms 107 ab, sondern auch von der Distanz zwischen dem primären Leiter 108 und dem Magnetfeldsensor 102. Um die Genauigkeit der Strommessung zu verbessern, umfasst der Stromsensorbaustein 100 eine Kalibrationsstrom-Bereitstellungsvorrichtung 104 und eine Steuerung 106. Die Kalibrationsstrom-Bereitstellungsvorrichtung 104 ist dafür ausgelegt, einen Kalibrationsstrom 109 für den Kalibrationsleiter 110 bereitzustellen. Der Kalibrationsleiter 110 und der primäre Leiter 108 sind auf einem Substrat in einer definierten räumlichen Beziehung zueinander angeordnet. Daher kann die Steuerung 106 dafür ausgelegt werden, die Strommessung auf der Basis des Kalibrationssensorsignals (das das erfasste Magnetfeld des Kalibrationsstroms 109 beschreibt) und der definierten räumlichen Beziehung zwischen dem primären Leiter 108 und dem Kalibrationsleiter 110 zu kalibrieren.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Stromsensorbaustein 100 eine Einrichtung zum Verbinden der Kalibrationsstrom-Bereitstellungsvorrichtung 104 und des Kalibrationsleiters 110 (z.B. um den Kalibrationsstrom 109 in den Kalibrationsleiter 110 des Substrats einzuspeisen) umfassen.
Wie bereits erwähnt, sind der Kalibrationsleiter 110 und der primäre Leiter 108 auf dem Substrat in einer definierten räumlichen Beziehung zueinander angeordnet. Bei Ausführungsformen kann sich der Ausdruck „definierte räumliche Beziehung“ auf eine definierte, vordefinierte oder bekannte Distanz und/oder Lage beziehen, die mittels eines ein-, zwei- oder dreidimensionalen Koordinatensystems beschrieben werden kann, wie etwa eines kartesischen oder polaren Koordinatensystems oder einer Kombination von beidem. Ähnlich kann sich der Ausdruck „räumliche Beziehung“ auf eine Distanz und/oder Lage beziehen, die mittels eines ein-, zwei- oder dreidimensionalen Koordinatensystems beschrieben werden kann, wie etwa eines kartesischen oder polaren Koordinatensystems oder einer Kombination von beidem.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann die Steuerung 106 dafür ausgelegt werden, eine räumliche Beziehung zwischen dem Magnetfeldsensor 102 und dem Kalibrationsleiter 110 auf der Basis des Kalibrationssensorsignals zu bestimmen und eine räumliche Beziehung zwischen dem Magnetfeldsensor 102 und dem primären Leiter 108 auf der Basis der bestimmten räumlichen Beziehung zwischen dem Magnetfeldsensor 102 und dem Kalibrationsleiter 110 und der definierten räumlichen Beziehung zwischen dem Kalibrationsleiter 110 und dem primären Leiter 108 zu bestimmen. Die Steuerung 106 kann dafür ausgelegt werden, das Primärsensorsignal auf der Basis der bestimmten räumlichen Beziehung zwischen dem Magnetfeldsensor 102 und dem primären Leiter 108 zu kalibrieren.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann die Kalibrationsstrom-Bereitstellungsvorrichtung 104 dafür ausgelegt werden, den Kalibrationsstrom 109 dergestalt bereitzustellen, dass eine Stärke des Kalibrationsstroms 109 um mindestens einen Faktor 100 (oder 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 oder 1000) kleiner als eine Vollskalastärke des Primärstroms 107 ist. Ferner kann die Kalibrationsstrom-Bereitstellungsvorrichtung 104 dafür ausgelegt werden, den Kalibrationsstrom 109 so bereitzustellen, dass eine Stärke des Kalibrationsstroms 109 kleiner oder gleich 100 mA (oder 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20 oder 10 mA) ist.
Wenn zum Beispiel die Vollskalastärke des zu messenden Primärstroms 107 im Bereich von 10 bis 100 A (oder 20 bis 90 A, 30 bis 80 A oder 40 bis 70 A) liegt, kann die Kalibrationsstrom-Bereitstellungsvorrichtung 104 dafür ausgelegt werden, den Kalibrationsstrom 109 so bereitzustellen, dass eine Stärke des Kalibrationsstroms 109 im Bereich von 10 bis 100 mA (oder 20 bis 90 mA, 30 bis 80 mA oder 40 bis 70 mA) liegt.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Stromsensorbaustein 100 einen ersten Anschluss bzw. Anschlussstift (pin) umfassen, der dafür ausgelegt ist, den Kalibrationsstrom 109 für den Kalibrationsleiter 110 bereitzustellen. Ferner kann der Stromsensorbaustein 100 einen zweiten Anschluss bzw. Anschlussstift (pin) umfassen, wobei der erste Anschluss und der zweite Anschluss dafür ausgelegt werden können, den Kalibrationsleiter 110 zu kontaktieren.
Im Folgenden wird eine Stromsensoranordnung 100 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die folgende Beschreibung gilt natürlich auch für den in 1a gezeigten Stromsensorbaustein 100. Zusätzlich gelten Merkmale und Ausführungsformen des in 1a gezeigten Stromsensorbausteins 100 auch für die in 1b und 1c gezeigte Stromsensoranordnung 100. Wieder sind der primäre Leiter 108 und der Kalibrationsleiter 110 in 1b und 1c lediglich zur Veranschaulichung gezeigt.
1b zeigt eine veranschaulichende Ansicht einer Stromsensoranordnung 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Stromsensoranordnung 100 umfasst einen Magnetfeldsensor 102 und eine Steuerung 106. Der Magnetfeldsensor 102 umfasst eine Primär-Magnetfeldsensoreinheit 102_1 und eine Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit 102_2, wobei die Primär-Magnetfeldsensoreinheit 102_1 dafür ausgelegt ist, ein Magnetfeld eines durch einen primären Leiter 108 eines Substrats fließenden Primärstroms 107 zu erfassen, um ein Primärsensorsignal bereitzustellen, und wobei die Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit 102_2 dafür ausgelegt ist, ein Magnetfeld eines durch einen Kalibrationsleiter 110 des Substrats fließenden Kalibrationsstroms 109 zu erfassen, um ein Kalibrationssensorsignal bereitzustellen. Der Kalibrationsleiter 110 und der primäre Leiter 108 sind auf dem Substrat in einer definierten räumlichen Beziehung zueinander angeordnet. Die Steuerung 106 ist dafür ausgelegt, das Primärsensorsignal und das Kalibrationssensorsignal zu empfangen und das Primärsensorsignal auf der Basis des Kalibrationssensorsignals und der definierten räumlichen Beziehung zwischen dem primären Leiter 108 und dem Kalibrationsleiter 110 zu kalibrieren.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann eine Magnetfeldempfindlichkeit der Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit 102_2 um mindestens einen Faktor 10 (oder 50, 70, 100, 300, 500, 700 oder 1000) höher als eine Magnetfeldempfindlichkeit der Primär-Magnetfeldsensoreinheit 102_1 sein. Zum Beispiel kann die Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit 102_2 eine anisotrope, gigant-, tunnel- oder kolossalmagnetoresistive Sensoreinheit sein. Die Primär-Magnetfeldsensoreinheit 102_1 kann eine Hall-Einrichtung sein.
Bei bestimmten Ausführungsformen können der Magnetfeldsensor 102 und die Steuerung 106 in einem Stromsensorbaustein 100 integriert werden. Darüber hinaus kann der Stromsensorbaustein 100 auf einem Substrat (z.B. einer Leiterplatte), das den primären Leiter 108 und den Kalibrationsleiter 110 umfasst, angebracht werden.
Da der Kalibrationsstrom 109 im Vergleich zu dem Primärstrom 107 klein sein kann, kann sein Magnetfeld mit einer anderen Art von Sensor als das Magnetfeld des primären Leiters 108 detektiert werden. Zum Beispiel kann ein Sensorsystem 100 verwendet werden, das das Magnetfeld des starken Primärstroms 107 durch den primären Leiter 108 mit Hall-Platten 102_1 detektiert - das aber das Magnetfeld des schwachen Kalibrationsstroms 109 durch den Kalibrationsleiter 110 mit viel empfindlicheren GMR-Sensorelementen (gigant- magnetoresistiv) 102_2 detektiert. Zum Beispiel können hochempfindliche XMR, z.B. GMR, AMR, CMR oder TMR (GMR = gigant-magnetoresistiv, AMR = anisotrop-magnetoresistiv, CMR = kolossal-magnetoresistiv, TMR = tunnel-magnetoresistiv) als Kalibrationssensoren 102_2 verwendet werden, um mit mäßigen Kalibrationsströmen umzugehen. Darüber hinaus können bei bestimmten Ausführungsformen die primären Sensoren 102_1 und die Kalibrationssensoren 102_2 verschiedene Magnetfeldkomponenten detektieren.
Bisher wurden Systeme 100 beschrieben, die die Stärke des Magnetfelds des Kalibrationsstroms 109 mit der Stärke des Magnetfelds des Primärstroms 107 vergleichen. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die räumliche Abhängigkeit des Magnetfelds des Kalibrationsstroms 109 mit mehreren Kalibrationssensoren 102_2 zu detektieren und eine Positionstoleranz zwischen dem Sensorsystem 100 dem Kalibrationsleiter 110 zu berechnen und um schließlich daraus abzuleiten, wie stark das Magnetfeld eines festen Primärstroms 107 ist, wie aus der folgenden Besprechung deutlich werden wird.
1c zeigt eine Stromsensoranordnung 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Stromsensoranordnung 100 umfasst einen Magnetfeldsensor 102, der eine Primär-Magnetfeldsensoreinheit 102_1 und eine Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit 102_2 und eine Steuerung 106 umfasst, wie oben bereits ausführlich beschrieben. Die Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit 102_2 kann ein erstes und ein zweites Kalibrations-Magnetfeldsensorelement 102_2a und 102_2b umfassen, die in einer definierten räumlichen Beziehung zueinander angeordnet sind, wobei das erste und zweite Kalibrations-Magnetfeldsensorelement 102_2a und 102_2b dafür ausgelegt sind, das Magnetfeld des durch den Kalibrationsleiter 110 fließenden Kalibrationsstroms 109 zu erfassen, um ein erstes und ein zweites Kalibrationssensorsignal bereitzustellen. Die Steuerung 106 kann dafür ausgelegt werden, die Primärsensorsignale auf der Basis einer Differenz zwischen dem ersten Kalibrationssensorsignal und dem zweiten Kalibrationssensorsignal und auf der Basis der definierten räumlichen Beziehung zwischen dem ersten und zweiten Magnetfeldsensorelement 102_2a und 102_2b zu kalibrieren.
Zum Beispiel können zwei GMR-Sensoren 102_2a und 102_2b dergestalt auf dem Chip 100 angeordnet werden, dass sie ein Magnetfeld derselben Stärke von dem Kalibrationsleiter 110 erfassen, mit exakter Positionierung des Stromsensorbausteins 100 auf dem Substrat (z.B. einer Leiterplatte). In einem solchen Fall ist die exakte bekannte Größe des Kalibrationsstroms 109 gleichgültig, da nur die Symmetrie relevant ist. Wenn beide Kalibrations-GMR 102_2a und 102_2b zum Beispiel ein Kalibrationsfeld mit um 3% unterschiedlicher Stärke erfassen, kann der Sensorbaustein 100 zum Beispiel um 0,1 mm mit Bezug auf das Substrat (z.B. eine Leiterplatte) in einer Richtung verschoben werden. Dies kann später von dem System 100 beim Berechnen des Primärstroms 107 aus den Messwerten der Primär-Stromsensoren 102_1 berücksichtigt werden. Mit diesem Verfahren kann eine seitliche Positionstoleranz korrigiert werden, nicht aber eine vertikale (in der Dickerichtung). Für Letzteres kann wieder Kenntnis über die genaue Stärke des Kalibrationsstroms 109 und die genaue magnetische Empfindlichkeit der Kalibrationssensoren 102_2a und 102_2b mit Bezug auf die primären Sensoren 102_1 erforderlich sein (was jedoch absolut möglich ist, insbesondere wenn die Primär-Magnetfeldsensoreinheit 102_1 und die Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit 102_2 von derselben Art sind oder vom Hersteller aufeinander justiert wurden).
Bei bestimmten Ausführungsformen kann die in 1b und 1c gezeigte Stromsensoranordnung 100 (und auch der in 1a gezeigte Stromsensorbaustein 100) einen in einer definierten räumlichen Beziehung zu der Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit 102_2 angeordneten Kompensationsleiter 116 und eine Kompensationsstrom-Bereitstellungsvorrichtung 118 umfassen, die dafür ausgelegt ist, einen Kompensationsstrom 117 für den Kompensationsleiter 116 bereitzustellen. Die Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit 102_2 kann dafür ausgelegt werden, eine Kombination eines Magnetfelds des Kompensationsstroms 117 und des Magnetfelds des Kalibrationsstroms 109 zu erfassen, um das Kalibrationssensorsignal bereitzustellen. Die Steuerung 106 kann dafür ausgelegt werden, das Kalibrationssensorsignal zu empfangen und die Kompensationsstrom-Bereitstellungsvorrichtung 118 so zu steuern, den Kompensationsstrom 117 so bereitzustellen, dass das Magnetfeld des Kompensationsstroms 117 und das Magnetfeld des Kalibrationsstroms 109 einander an der Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit 102_2 kompensieren, oder die Kompensationsstrom-Bereitstellungsvorrichtung 104 auf der Basis des Kalibrationssensorsignals zu steuern, um den Kalibrationsstrom 109 so bereitzustellen, dass das Magnetfeld des Kompensationsstroms und das Magnetfeld des Kalibrationsstroms 109 einander an der Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit 102_2 kompensieren. Die Steuerung 106 kann ferner dafür ausgelegt werden, das Primärsensorsignal auf der Basis einer bekannten Stärke des Kompensationsstroms 117 oder eines bekannten Verhältnisses von Stärken des Kompensationsstroms 117 und des Kalibrationsstroms 109 und der definierten räumlichen Beziehung zwischen dem Kompensationsleiter 116 und der Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit 102_2 zu kalibrieren.
Wenn zum Beispiel nur das Kompensationsmagnetfeld Bcomp des Kompensationsstroms 117 (Icomp) an der Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit 102_2 vorliegt, wird das Ausgangssignal der Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit 102_2 gegeben durch: $Vcomp = Scal*Bcomp$
Dabei ist Scal die magnetische Empfindlichkeit der Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit 102_2. Das Kompensationsmagnetfeld Bcomp, das an der Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit 102_2 vorliegt, kann berechnet werden als: $Bcomp = C1*lcomp$
C1 ist ein geometrischer Faktor, der die Distanz zwischen dem Kompensationsleiter 116 und der Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit 102_2 umfasst (oder beschreibt).
Wenn nur das Kalibrationsmagnetfeld Bcal des Kalibrationsstroms 109 (Ical) an der Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit 102_2 vorliegt, wird das Ausgangssignal der Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit 102_2 gegeben durch: $Vcal = Scal/Bcal$
Das an der Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit 102_2 vorliegende Kalibrationsmagnetfeld Bcal kann berechnet werden als: $Bcal = C2*lcal$
Dabei ist C2 ein geometrischer Faktor, der die Distanz zwischen dem Kalibrationsleiter 110 und der Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit 102_2 umfasst (oder beschreibt). Mit den Gleichungen (I) bis (IV) kann C2 berechnet werden als: $C2 = C1* (lcomp/lcal) * (Vcal/Vcomp)$
Wie in Gleichung (V) gezeigt, hängt die Distanz zwischen dem Kalibrationsleiter 110 und der Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit 102_2, die in C2 kodiert ist, von dem Verhältnis zwischen dem Kompensationsstrom 117 und dem Kalibrationsstrom 109 ab.
Als Alternative können der Kompensationsstrom 117 und der Kalibrationsstrom 109 gleichzeitig bereitgestellt (oder eingeschaltet) werden, wobei die Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit 102_2 als Nullpunktdiskriminator dienen kann. In diesem Fall kann eine Regelschleife verwendet werden, um den Kalibrationsstrom 109 oder den Kompensationsstrom 117 zu vergrößern (oder zu verkleinern), bis das Kompensationsmagnetfeld und das Kalibrationsmagnetfeld an der Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit 102_2 einander kompensieren (Bcomp + Bcal = 0). Dies führt zu: $C1*lcomp = - C2*lcal$
Auf der Basis von Gleichung (VI) kann C2 berechnet werden als: $C2 = - C1* (lcomp/lcal)$
Wieder hängt C2 von dem Verhältnis zwischen dem Kompensationsstrom 117 und dem Kalibrationsstrom 109 ab. In diesem Fall kann daher eine bekannte Stärke des Kalibrationsstroms 109 oder Kompensationsstroms 117 nicht erforderlich sein, sondern stattdessen ein bekanntes Verhältnis von Stärken des Kalibrationsstroms 109 und des Kompensationsstroms 117. Selbst wenn der Kompensationsstrom 117 eine nichtlineare Temperaturkurve umfasst, bleibt das Verhältnis von Stärken fest, solange der Kalibrationsstrom dieselbe nichtlineare Temperaturkurve umfasst. Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann ein Stromspiegel verwendet werden, um den Kompensationsstrom 117 und den Kalibrationsstrom 109 dergestalt bereitzustellen, dass der Kompensationsstrom 117 und der Kalibrationsstrom 109 ein festes Verhältnis von Stärken umfassen.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Stromsensorbaustein 100 einen Kompensationsleiter 116 umfassen, dessen Strom 117 ein Magnetfeld an dem Kalibrations-GMR 102_2 erzeugt. In einem Regelkreis kann einer der zwei Ströme (Kompensationsstrom 117 oder Kalibrationsstrom 109) mittels negativer Rückkopplung justiert werden, so dass die Summe des Kompensationsmagnetfelds und des Kalibrationsmagnetfelds an dem Kalibrations-GMR 102_2 (fast) null ist. Der Kalibrations-GMR 102_2 kann somit als ein Nullpunktdiskriminator dienen, der bestimmt, dass die Summe des Kompensationsmagnetfelds und des Kalibrationsmagnetfelds (fast) gleich null sind, statt das Kalibrationsmagnetfeld zu messen. Da der Kalibrations-GMR 102_2 und der Kompensationsleiter 116 in einer definierten räumlichen Beziehung zueinander angeordnet werden können (z.B. können beide durch exakte Halbleitertechnologie-Herstellungsverfahren ultragenau auf dem Chip 100 positioniert werden), erzeugt ein definierter Kompensationsstrom 117, der in dem Kompensationsleiter 116 fließt, an dem Kalibrations-GMR 102_2 ein Magnetfeld bekannter Stärke. Wenn der Regelkreis voll effektiv ist, weist das Magnetfeld des Kalibrationsstroms 109 an dem Kalibrations-GMR 102_2 dieselbe Größe auf, aber ein entgegengesetztes Vorzeichen (als das Magnetfeld des Kompensationsstroms 117). Da der Kalibrationsstrom 109 (oder zumindest das Verhältnis zwischen dem Kalibrationsstrom 109 und dem Kompensationsstrom 117) bekannt ist, kennt das System 100 die Stärke des Kalibrationsmagnetfelds an dem Kalibrations-GMR 102_2. Da der primäre Leiter 108 eine definierte räumliche Beziehung mit Bezug auf den Kalibrationsleiter 110 aufweist, und auch die Primär-Magnetfeldsensoreinheit 102_1 mit Bezug auf den Kalibrations-GMR 102_2, kennt das System 100 das Magnetfeld pro Primärstrom 107 an der Primär-Magnetfeldsensoreinheit 102_1, wodurch Kalibration gegeben wird. Zu diesem Zweck kann der Kalibrations-GMR 102_2 eine große magnetische Empfindlichkeit aufweisen, aber keine definierte magnetische Empfindlichkeit. Dadurch muss die magnetische Empfindlichkeit des Kalibrations-GMR 102_2 nicht linear sein. Wie aus der folgenden mathematischen Betrachtung deutlich werden wird, beeinflusst die magnetische Empfindlichkeit des Kalibrations-GMR 102_2 die Kalibration des Systems 100 nicht.
Das Kompensationsmagnetfeld Bcomp an dem Kalibrations-GMR 102_2 durch Stromfluss in dem Onchip-Kompensationsleiter 116 und das Kalibrationsmagnetfeld Bcal an dem Kalibrations-GMR 102_2 durch Stromfluss in dem Kalibrationsleiter 110 auf der Leiterplatte 112 können berechnet werden als: $Bcomp = lcomp*Ccomp$
$Bcal = lcal*Ccal$
Dabei ist Icomp der Stromfluss in dem Kompensationsleiter 116, Ccomp ist das Magnetfeld an dem Kalibrations-GMR 102_2 pro Ampere des in dem Kompensationsleiter 116 fließenden Kompensationsstroms 117 (eine rein geometrische Funktion), Ical ist der Stromfluss in dem Kalibrationsleiter 110 und Ccal ist das Magnetfeld an dem Kalibrations-GMR 102_2 pro Ampere des in dem Kalibrationsleiter 110 fließenden Kalibrationsstroms 109. Aufgrund der Regelschleife ist Bcomp + Bcal = 0, was zu Folgendem führt: $Ccal = Comp*lcomp/lcal$
Ccomp, Icomp und Ical (rechte Seite von Gleichung (3)) sind bekannt, so dass Ccal durch das System 100 berechnet werden kann.
Das Magnetfeld Bp an dem Primär-Feldsensor 102_1 durch den Primär-Feldsensor 102_1 durch Stromfluss in dem primären Leiter 108 kann berechnet werden als: $Bp = lp*Cp$
Dabei ist Ip der zu messende Primärstrom 107 und Cp ist das Magnetfeld an der Primär-Magnetfeldsensoreinheit 102_1 pro Stromfluss in dem primären Leiter 108. Die Primär-Magnetfeldsensoreinheit 102_1 kann Bp messen und daraus mittels Folgendem Ip berechnen: $lp = Bp/Cp = Bp* (Ccal/Cp) / Ccal$
Da der primäre Leiter 108 und der Kalibrationsleiter 110 exakt miteinander (auf der Leiterplatte 112) ausgerichtet sind, ist das Verhältnis von (Ccal/Cp) fest und kann als bekannt vorausgesetzt werden. Ferner ist wie oben erläutert Ccal mittels des Regelkreises bekannt. Somit sind Bp, Ccal und Cp (rechte Seite von Gleichung (5)) bekannt, so dass Ip durch das System 100 berechnet werden kann. Wie angegeben, ist die magnetische Empfindlichkeit des Kalibrations-GMR 102_2 in den Gleichungen nicht anwesend.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann die Stromsensoranordnung 100 eine Kalibrationsstrom-Bereitstellungsvorrichtung 104 umfassen, die dafür ausgelegt ist, den Kalibrationsstrom 109 für den Kalibrationsleiter 110 bereitzustellen.
Darüber hinaus kann die Steuerung 106 dafür ausgelegt werden, ein Kalibrationssignal bereitzustellen, wobei die Kalibrationsstrom-Bereitstellungsvorrichtung 104 dafür ausgelegt werden kann, den Kalibrationsstrom 109 auf der Basis des Kalibrationssignals bereitzustellen.
Wie bereits erwähnt, können der Magnetfeldsensor 102 und die Steuerung 106 in einen Stromsensorbaustein 100 integriert werden. Natürlich können auch die Kalibrationsstrom-Bereitstellungsvorrichtung 106 und/oder die Kompensationsstrom-Bereitstellungsvorrichtung 118 in den Stromsensorbaustein 100 integriert werden, wobei der Kompensationsleiter 116 an dem Stromsensorbaustein 100 angeordnet oder in dem Stromsensorbaustein 100 integriert werden kann.
Zum Beispiel kann der Kalibrationsstrom 109 durch eine Kombination einer Teilschaltung des Stromsensorbausteins 100 und eines externen passiven Elements (z.B. eines Widerstands, Kondensators oder einer Induktivität) erzeugt werden. Dabei kann die Teilschaltung dafür ausgelegt werden, eine definierte temperaturunabhängige Spannung (die als Bandabstandspannung bekannt ist) bereitzustellen, die an den externen Widerstand angelegt werden kann. Der durch den Widerstand fließende Strom kann somit direkt als der Kalibrationsstrom 109 verwendet werden, oder nachdem er verarbeitet (z.B. durch einen Stromspiegel umskaliert, verstärkt oder gedämpft) wurde. Der externe Widerstand kann dabei mit einer hohen Genauigkeit und hohen Stabilität über die Temperatur hinweg und Lebensdauer versehen werden.
Ferner kann der Stromsensorbaustein 100 gemäß bestimmten Ausführungsformen den Magnetfeldsensor 102 und die Steuerung 106 umfassen, wobei der Kalibrationsstrom 109 durch eine externe Kalibrationsstrom-Bereitstellungsvorrichtung 104 bereitgestellt wird. In diesem Fall kann der Stromsensorbaustein 100 dafür ausgelegt werden, das Primärsensorsignal bereitzustellen, das den Primärstrom als Vielfache des Kalibrationsstroms beschreibt.
Gemäß dem Konzept der vorliegenden Erfindung kann der Stromsensorbaustein 100 auf einem Substrat oder einer Leiterplatte angebracht werden, das bzw. die den primären Leiter 108 und den Kalibrationsleiter 110 umfasst. Dabei kann der Stromsensorbaustein 100 so auf dem Substrat angebracht werden, dass der erste Anschluss und der zweite Anschluss den Kalibrationsleiter 110 kontaktieren (oder mit diesem verbunden sind), um den Kalibrationsstrom 109 in dem Kalibrationsleiter 110 einzuspeisen.
Im Folgenden werden Merkmale des in 1a gezeigten Stromsensorbausteins 100 mittels einer Stromsensoranordnung 120 beschrieben, die eine Leiterplatte 112 und einen auf der Leiterplatte 112 angebrachten Stromsensorbaustein 100 umfasst. Natürlich gilt die folgende Beschreibung auch für die in 1b und 1c gezeigte Stromsensoranordnung 100.
2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Stromsensorsystems 120 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Stromsensorsystem 120 umfasst eine Leiterplatte 112 und einen auf der Leiterplatte 112 angebrachten Stromsensorbaustein 100.
Die Leiterplatte 112 umfasst einen primären Leiter 108 und einen Kalibrationsleiter 110. Der Kalibrationsleiter 110 und der primäre Leiter 108 sind auf der Leiterplatte 112 in einer definierten räumlichen Beziehung zueinander angeordnet.
Der Stromsensorbaustein 100 umfasst einen Magnetfeldsensor 102, eine Kalibrationsstrom-Bereitstellungsvorrichtung 104 und eine Steuerung 106. Die Kalibrationsstrom-Bereitstellungsvorrichtung 104 ist dafür ausgelegt, einen Kalibrationsstrom 109 für den Kalibrationsleiter 110 bereitzustellen. Der Magnetfeldsensor 102 ist dafür ausgelegt, ein Magnetfeld des in dem primären Leiter 108 fließenden Primärstroms 107 zur Bereitstellung eines Primärsensorsignals (auf der Basis des erfassten Magnetfelds des Primärstroms 107) und ein Magnetfeld des durch den Kalibrationsleiter 110 fließenden Kalibrationsstroms 109 zur Bereitstellung eines Kalibrationssensorsignals (auf der Basis des erfassten Magnetfelds des Kalibrationsstroms 109) zu erfassen. Die Steuerung 106 ist dafür ausgelegt, das Primärsensorsignal und das Kalibrationssensorsignal zu empfangen und das Primärsensorsignal auf der Basis des Kalibrationssensorsignals und der definierten räumlichen Beziehung zwischen dem primären Leiter 108 und dem Kalibrationsleiter 110 zu kalibrieren.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Stromsensorbaustein einen Magnetfeldsensor 102 und eine Steuerung 106 umfassen. Der Magnetfeldsensor 102 umfasst eine Primär-Magnetfeldsensoreinheit 102_1 und eine Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit 102_2, wobei die Primär-Magnetfeldsensoreinheit 102_1 dafür ausgelegt ist, ein Magnetfeld des durch den primären Leiter 108 fließenden Primärstroms 107 zu erfassen, um ein Primärsensorsignal bereitzustellen, und wobei die Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit 102_2 dafür ausgelegt ist, ein Magnetfeld eines durch den Kalibrationsleiter 110 fließenden Kalibrationsstroms 109 zu erfassen, um ein Kalibrationssensorsignal bereitzustellen. Die Steuerung 106 ist dafür ausgelegt, das Primärsensorsignal und das Kalibrationssensorsignal zu empfangen und das Primärsensorsignal auf der Basis des Kalibrationssensorsignals und der definierten räumlichen Beziehung zwischen dem primären Leiter 108 und dem Kalibrationsleiter 110 zu kalibrieren.
Anders ausgedrückt, kann der Stromsensorbaustein 100 die Merkmale des in 1a gezeigten Stromsensorbausteins 100 und/oder die Merkmale der in den 1b und 1c gezeigten Stromsensoranordnung 100 umfassen, einschließlich einer Kombination von beidem. Zum Beispiel kann der Magnetfeldsensor 102 des Stromsensorsystems 120 eine Primär-Magnetfeldsensoreinheit 102_1 und eine Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit 102_2 wie in 1b gezeigt umfassen. Darüber hinaus kann die Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit 102_2 ein erstes und ein zweites Kalibrations-Magnetfeldsensorelement 102_2a und 102_2b wie in 1c gezeigt umfassen.
Wie in 2 gezeigt, kann der Kalibrationsleiter 110 auf einer ersten Schicht 122 der Leiterplatte 112 angeordnet werden, wobei der primäre Leiter 108 auf einer zweiten Schicht 124 der Leiterplatte 112 angeordnet werden kann, die von der ersten Schicht 122 verschieden ist. Dabei kann der Stromsensorbaustein 100 so auf der Leiterplatte 112 angebracht werden, dass die erste Schicht 122 der Leiterplatte 100 dem Stromsensorbaustein 100 näher als die zweite Schicht 124 ist. Darüber hinaus können der primäre Leiter 108 und der Kalibrationsleiter 110 elektrisch voneinander isoliert werden.
3a und 3b zeigen veranschaulichende Ansichten bekannter Stromsensoren. Wie in 3a und 3b gezeigt, wird ein Halbleiterchip in einem Baustein 10 verwendet, worunter der primäre Stromleiter 12 liegt. Der Strom führt zu einem magnetischen Fluss, der hauptsächlich horizontal in der Ebene der Chipoberfläche liegt. Es liegen zwei hochpermeable Platten (Flusskonzentratoren) 14a und 14b vor, die den Fluss sammeln und ein großes Streufeld zwischen ihnen beiden herstellen. Das Streufeld besitzt signifikante vertikale Beiträge auf der Chipoberfläche und kann durch planare Hall-Platten gemessen werden. Wenn zwei Hall-Platten an den zwei gegenüberliegenden Rändern der Flusskonzentratoren 14a und 14b verwendet werden, können sie subtrahiert werden. Dadurch werden homogene Hintergrundfelder vertikal zu dem Chip aufgehoben. Das System ist dennoch nicht robust gegenüber horizontalen Hintergrundfeldern. Zu diesem Zweck wird eine U-förmige magnetische Abschirmung vorgeschlagen, z.B. wie in 3b gezeigt. Wirbelströme in den Flusskonzentratoren und dem Chip-Paddle des Systemträgers und der U-förmigen Abschirmung begrenzen die Bandbreite jedoch noch stark. Darüber hinaus wird die Genauigkeit des Systems auch durch die Verzerrung des Magnetfelds durch die permeable Abschirmung bestimmt.
3a zeigt eine Leiterplatte (PCB) mit einer Leiterbahn 12, die den zu messenden Strom führt. Diese Bahn 12 verläuft unter dem Sensorbaustein 10 und erzeugt ein magnetisches B-Feld, wie in 3a angegeben. 3b zeigt, wie eine permeable U-förmige magnetische Abschirmung 16 um den Sensor 10 und die Leiterplatte 18 herum zu platzieren ist.
4 zeigt eine Draufsicht 126 und Querschnittsansicht 128 eines Stromsensorsystems 120 ohne Kalibrationsleiter 110. Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst ein Halbleitersubstrat (oder-chip) 130 (nicht gezeigte) Magnetfeldsensoren 102. Es kann in einem herkömmlichen an der Oberfläche angebrachten Bauelementebaustein (SMD-Baustein) 100 aufgebaut werden, wobei der Chip 130 an einem Systemträger/Chip-Paddle 132 (nur in dem Querschnitt 128, nicht in der Draufsicht 126 gezeigt) angebracht und über Bonddrähte 134 mit Anschlüssen 136 verbunden und mit Gussmasse 138 überdeckt wird. Dieser SMD-Baustein 100 kann auf einer Leiterplatte (PCB) 112 angebracht werden, die feine Leiterbahnen 140 zur Verbindung des Sensors 100 mit anderen Schaltungselementen des Systems 120 umfasst. Der Klarheit halber sind in 4 nur zwei solche Bahnen 140 gezeigt. Der zu messende Strom 107 (oder Primärstrom 107) fließt in einer Bahn 108 (oder einem primären Leiter 108), die gewöhnlich breiter als die anderen ist, um Wärmeverluste gering zu halten. Diese Bahn 108 kann sich in derselben Schicht der Leiterplatte 112 oder in einer anderen Schicht befinden. Der Klarheit halber ist die Hochstrombahn 108 an der Unterseite 124 (oder zweiten Schicht 124) der Leiterplatte 112 befindlich gezeichnet. Dies würde auch zu einer guten Spannungsisolation zwischen der Hochstrombahn 108 und dem Rest der Schaltung führen. Der Strom 107 führt zu einem Magnetfeld, das durch den Magnetfeldsensor detektiert werden kann. Die Größe des Felds ist proportional zu der Größe des Stroms 107, so dass der Sensor 100 den Strom 107 schätzen kann, wenn die Größe der Strombahn 108 und/oder ihre Distanz zu den Sensorelementen 102 bekannt sind.
Obwohl es möglich ist, über eine wohldefinierte Form der Strombahn 108 zu verfügen, ist es gewöhnlich kostspielig, über eine wohldefinierte Position des Sensorelements 102 mit Bezug auf die Strombahn 108 zu verfügen. Einerseits kann das Sensorelement 102 über dem Chip 130 innerhalb des SMD-Bausteins 100 Positionstoleranzen aufweisen, die sich aus variierender Chipdicke, Dicke der Chipanbringungsschicht zwischen Chip-Paddle 132 und Chip 130, Biegung von Anschlüssen 136 und/oder Lot zwischen Anschlüssen 136 und Bahnen 140 (nicht gezeigt) ergeben können. Außerdem kann die seitliche Chip-Anbringungsgenauigkeit auf etwa +/- 50 bis 150 µm beschränkt sein. Andererseits kann es auch schwierig sein, Verzerrungen des SMD-Bausteins 100 und Verzerrungen der Leiterplatte 112 vorherzusagen, die sich aus thermomechanischer und hydromechanischer Anspannung ergeben können. Es kann auch eine signifikante Positionstoleranz des SMD-Bausteins 100 auf der Leiterplatte 112 vorliegen, die sich aus Toleranzen des Fertigungsprozesses ergeben kann.
Neben diesen Positionstoleranzen kann es auch ferromagnetische Komponenten in der Nähe des Sensors 100 geben, die das Magnetfeld des zu messenden Stroms 107 verzerren und zu einem Messfehler führen.
Gemäß dem Konzept der vorliegenden Erfindung umfasst die Leiterplatte 112 einen primären Leiter 108 und einen Kalibrationsleiter 110. Der Kalibrationsleiter 110 und der primäre Leiter 108 sind elektrisch voneinander isoliert und in einer definierten räumlichen Beziehung zueinander auf der Leiterplatte 112 angeordnet. Anders ausgedrückt, umfasst die Leiterplatte 112 einen zweiten Leiter 110 - den Kalibrationsdraht 110, der mit Bezug auf die Hochstrombahn 108 (sowohl in der seitlichen als auch der Dickerichtung der Schichten) genau positioniert und dennoch dagegen isoliert und mit dem Magnetfeldsensorbaustein 100 verbunden ist. Der Sensor 100 speist einen wohldefinierten Strom 109 (oder Kalibrationsstrom 109) in diesen Kalibrationsdraht 110 ein. Er führt zu einem Magnetfeld, das durch den Sensor 100 (oder den Stromsensorbaustein 100) detektiert werden kann. Der Sensor 100 verwendet dieses Kalibrationsfeld zum Kalibrieren der Strommessung. Solange die Form des Magnetfelds des Kalibrationsdrahts 110 der des zu messenden Stroms 107 ähnlich ist, kann es alle Effekte der Positionstoleranz und Verzerrungen der Form aufgrund nahegelegener ferromagnetischer Komponenten widerspiegeln.
5 zeigt eine Draufsicht 126 und eine Querschnittsansicht 128 eines Stromsensorsystems 120 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der primäre Leiter 108 und der Kalibrationsleiter 110 können so auf der Leiterplatte 112 angeordnet werden, dass der primäre Leiter 108 und der Kalibrationsleiter 110 den Erfassungsbereich des Stromsensorbausteins 100 überkreuzen. Ferner kann der Kalibrationsleiter 110 so auf der Leiterplatte 112 angeordnet werden, dass der Kalibrationsleiter 110 den Erfassungsbereich des Stromsensorbausteins 100 mindestens zwei Mal überkreuzt.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Erfassungsbereich des Stromsensorbausteins 100 ein an den Stromsensorbaustein 100 angrenzender Bereich sein, zum Beispiel der Bereich unter dem Stromsensorbaustein 100. Darüber hinaus kann der Erfassungsbereich des Stromsensorbausteins 100 der Bereich sein, in dem eine Größe des erfassten Magnetfelds des zu messenden Stroms (z.B. des Primärstroms 107 und/oder des Kalibrationsstroms 109) im Bereich von 10% bis 100% des Messbereichs des Magnetfeldsensors 102 liegt.
Zum Beispiel kann der in 5 gezeigte Kalibrationsleiter 110 sieben Arme 110a bis 110g umfassen, die in einer Flussrichtung des Primärstroms 107 angeordnet sind, wobei drei der sieben Arme 110c bis 110e den Erfassungsbereich des Stromsensorbausteins 100 überkreuzen.
Der Stromsensorbaustein 100 kann einen ersten Anschluss 136a und einen zweiten Anschluss 136b zum Kontaktieren des Kalibrationsleiters 110 umfassen. Der erste Anschluss 136a kann auf einer ersten Seite 144a des Stromsensorbausteins 100 angeordnet sein, während der zweite Anschluss 136b auf einer zweiten Seite 144b des Stromsensorbausteins 100 gegenüber der ersten Seite 144a angeordnet sein kann. Der Stromsensorbaustein 100 kann so auf der Leiterplatte 112 angebracht werden, dass der erste Anschluss 136a und der zweite Anschluss 136b den Kalibrationsleiter 110 kontaktieren (oder mit diesem verbunden sind), um den Kalibrationsstrom 109 in den Kalibrationsleiter 110 einzuspeisen.
Bei Ausführungsformen kann der Stromsensorbaustein 100 vier Seiten 144a bis 144d umfassen, wobei die erste Seite 144a und die zweite Seite 144b parallel (oder antiparallel) zu einer Flussrichtung des Primärstroms 107 und/oder des Kalibrationsstroms 109 angeordnet werden können und wobei eine dritte Seite 144c und eine vierte Seite 144d senkrecht zu der Flussrichtung des Primärstroms 107 und/oder des Kalibrationsstroms 109 angeordnet werden können.
Wie in 5 gezeigt, kann der Stromsensorbaustein 100 so auf der Leiterplatte 112 angebracht werden, dass der erste Anschluss 136a mit dem sechsten Arm 110f des Kalibrationsleiters 110 verbunden ist und der zweite Anschluss 136b mit dem zweiten Arm 110b des Kalibrationsleiters 110 verbunden ist.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann der primäre Leiter 108 eine Verjüngung 150 umfassen, wobei der primäre Leiter 108 so auf der Leiterplatte 112 angeordnet werden kann, dass die Verjüngung 150 in dem Erfassungsbereich des Stromsensorbausteins 100 angeordnet ist. Die Verjüngung 150 kann verwendet werden, um die Stromdichte des Primärstroms 107 und somit das Magnetfeld des Primärstroms 107 in dem Erfassungsbereich des Stromsensorbausteins 100 zu vergrößern.
Der Kalibrationsdraht 110 kann auf derselben Oberfläche der Leiterplatte 112, auf der sich der Sensor 100 befindet, platziert werden, und der Hochstromdraht 108 kann auf einem anderen Niveau platziert werden, z.B. in der Leiterplatte 112 (bei einer mehrschichtigen Leiterplatte 112) oder auf der Unterseite 124 (oder zweiten Schicht 124) der Leiterplatte 112. Dies hilft dabei, die Spannungsisolation zwischen der Hochstrom- und Hochspannungsschaltung und der Niederspannungserfassungsschaltung 100 zu vergrößern. Darüber hinaus kann die Distanz zwischen dem Kalibrationsdraht 110 und dem Sensor 100 minimiert werden, so dass eine verbesserte (oder sogar beste) Qualität des Kalibrationssignals erhalten wird, während der Strom 109 durch den Kalibrationsdraht 110 immer noch klein gehalten wird.
Die Teile des Kalibrationsdrahts 110 unter dem Sensor 100 (d.h. 110c, 110d und 110e) können in der Richtung des Hauptstroms 107 (oder Primärstroms 107) ausgerichtet sein. Typischerweise besitzen sie minimale Linienbreite und minimalen Rasterabstand - beides abhängig von der Technologie der Leiterplatte 112. Das Ziel besteht darin, so viele Drähte wie möglich unter dem Sensor 100 unterzubringen, um die Amperewindungen der Kalibrationsspule 110 (oder des Kalibrationsleiters 110) zu maximieren, während die Größe des Stroms 109 (oder Kalibrationsstroms 109) durch sie immer noch klein gehalten wird. Der Strom 109 (oder Kalibrationsstrom 109) muss von dem Sensor 100 geliefert werden (oder genauer gesagt durch die Kalibrationsstrom-Bereitstellungsvorrichtung 104), und hohe Kalibrationsströme 109 würden somit die Verlustleistung des Sensors 100 und auch die Chipgröße vergrößern, weil größere aktive Bauelemente (z.B. Transistoren) notwendig sein können, um größere Ströme (Kalibrationsströme 109) zu steuern. Andererseits sollte der Widerstand des Kalibrationsdrahts 110 klein genug sein, damit der Sensor 100 mit typischen Versorgungsspannungen von z.B. 5V oder 3,3V oder 3V arbeiten kann. Wenn die verfügbare Versorgungsspannung des Sensors 100 VDD ist und der Kalibrationsstrom 109 Ical ist, sollte der Widerstand der Kalibrationsspule 110 VDD/Ical nicht übersteigen. Zu diesem Zweck kann es notwendig sein, bei 110a und 110g breitere Strombahnen als bei 110c, 110d und 110e zu verwenden. Darüber hinaus können auch die zu dem primären Leiter 108 senkrechten Strombahnen breiter als die Strombahnen 110c, 110d und 110e, z.B. die inneren Bahnen und/oder äußeren Bahnen, sein.
Man beachte, dass das Magnetfeld der Bahn 110a an dem Sensor 100 - obwohl es schwach ist - ein dem Magnetfeld der Bahn 110g entgegengesetztes Vorzeichen aufweist. Deshalb sollte die Bahn 110a in einer ausreichenden Distanz zu der Bahn 110c platziert werden. Man beachte, dass das Magnetfeld der Bahn 110g an dem Sensor 100 ein dem Magnetfeld der Bahn 110a entgegengesetztes Vorzeichen aufweist. Deshalb sollten sich die Bahnen 110a und 110g in gleichen Distanzen zu dem Sensor 100 befinden - dann heben sich ihre Auswirkungen auf den Sensor 100 auf. Aus denselben Gründen können auch die zu dem primären Leiter 108 senkrechten Strombahnen in gleichen Distanzen zu dem Sensor 100 angeordnet werden. Bei bestimmten Ausführungsformen kann das Layout der Leiterplatte 112 aus Gründen der magnetischen, thermischen und/oder mechanischen Anspannung mit Bezug auf die vertikale gestrichelte Linie 142 symmetrisch sein.
Wie in 5 gezeigt, kann eine dritte Verbindungsschicht notwendig sein, um alle anderen Sensoranschlüsse 136 zu verbinden, weil der Kalibrationsdraht 110 Schleifen um die Anschlüsse 136 herum erzeugt. Bei bestimmten Ausführungsformen kann eine dreischichtige Leiterplatte 112 verwendet werden, wobei die mittlere Schicht von Kupferbahnen verwendet werden kann, um die Sensoranschlüsse 136 zu kontaktieren, oder Brücken verwendet werden können, um den Kalibrationsdraht 110 zu überkreuzen. Im Prinzip ist es auch möglich, lange Leitungen zu verwenden, die weit nach links und rechts des Bausteins 100 reichen und über die Bahnen 110a und 110g springen - automatische Pick-and-Place-Geräte zum Zusammenbau der Leiterplatten 112 werden jedoch mit solchen langen Leitungen wahrscheinlich Probleme haben. Die folgenden Ausführungsformen behandeln dieses Problem.
6 zeigt eine Draufsicht 126 und eine Querschnittsansicht 128 eines Stromsensorsystems 120 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im Gegensatz zu 5 ist der Kalibrationsleiter 110 so auf der Leiterplatte 112 angeordnet, dass der Kalibrationsleiter 110 den Erfassungsbereich des Stromsensorbausteins 100 zwei Mal überkreuzt.
Darüber hinaus kann der Kalibrationsleiter 110 so auf der Leiterplatte 112 angeordnet werden, dass der Kalibrationsstrom 109 durch den Erfassungsbereich des Stromsensorbausteins 100 in einer ersten Richtung und in einer zu der ersten Richtung antiparallelen zweiten Richtung fließt, so dass das Magnetfeld des in der ersten Richtung fließenden Kalibrationsstroms ein dem Magnetfeld des in der zweiten Richtung fließenden Kalibrationsstroms 109 entgegengesetztes Vorzeichen umfasst. Die erste Richtung kann zu einer Flussrichtung des Primärstroms 107 parallel (oder antiparallel) sein.
Wie in 6 gezeigt, kann der Kalibrationsleiter 110 eine U-Form mit einem ersten langen Arm 110b und einem zweiten langen Arm 110c und einem kurzen Arm 110d umfassen, wobei der erste lange Arm 110b und der zweite lange Arm 110c in einer Flussrichtung des Primärstroms 107 angeordnet sind und wobei der kurze Arm 110d senkrecht zu der Flussrichtung des Primärstroms 107 angeordnet ist.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Magnetfeldsensor 102 ein erstes Magnetfeldsensorelement 102a und ein zweites Magnetfeldsensorelement 102b (z.B. wie in 7 gezeigt) umfassen. Das erste Magnetfeldsensorelement 102a kann dafür ausgelegt sein, das Magnetfeld des Primärstroms 107 und das Magnetfeld des in der ersten Richtung fließenden Kalibrationsstroms 109 zu erfassen, um ein erstes Sensorsignal auf der Basis des erfassten Magnetfelds des Primärstroms 107 und des erfassten Magnetfelds des in der ersten Richtung fließenden Kalibrationsstroms 109 bereitzustellen. Das zweite Magnetfeldsensorelement 102b kann dafür ausgelegt sein, das Magnetfeld des Primärstroms 107 und das Magnetfeld des in der zweiten Richtung fließenden Kalibrationsstroms zu erfassen, um ein zweites Sensorsignal auf der Basis des erfassten Magnetfelds des Primärstroms 107 und des erfassten Magnetfelds des in der zweiten Richtung fließenden Kalibrationsstroms 109 bereitzustellen.
Die Steuerung 106 kann dafür ausgelegt sein, eine Stärke des Kalibrationsstroms 109 auf der Basis einer Subtraktion des ersten Sensorsignals und des zweiten Sensorsignals zu bestimmen (z.B. erstes Sensorsignal - zweites Sensorsignal = Kalibrationssensorsignal).
Ferner kann die Steuerung 106 dafür ausgelegt sein, eine Stärke des Primärstroms 107 auf der Basis einer Addition des ersten Sensorsignals und des zweiten Sensorsignals zu bestimmen (z.B. erstes Sensorsignal + zweites Sensor- signal = Primärsensorsignal).
Bei bestimmten Ausführungsformen kann das erste Magnetfeldsensorelement 102a so in dem Stromsensorbaustein 100 angeordnet sein, dass eine Empfindlichkeit des ersten Magnetfeldsensorelements 102a gegenüber dem Magnetfeld des in dem ersten Arm 110b fließenden Kalibrationsstroms 109 um mindestens einen Faktor 2 (oder 3, 5, 8, 10, 50 oder 100) höher als gegenüber dem Magnetfeld des in dem zweiten Arm 110c fließenden Kalibrationsstroms 109 ist. Darüber hinaus kann das zweite Magnetfeldsensorelement 102b so in dem Stromsensorbaustein 100 angeordnet sein, dass eine Empfindlichkeit des zweiten Magnetfeldsensorelements 102b gegenüber dem Magnetfeld des in dem zweiten Arm 110c fließenden Kalibrationsstroms 109 um mindestens einen Faktor 2 (oder 3, 5, 8, 10, 50 oder 100) höher als gegenüber dem Magnetfeld des in dem ersten Arm 110b fließenden Kalibrationsstroms 109 ist.
Zum Beispiel kann das Stromsensorsystem 120 einen ringförmigen Kalibrationsdraht 110 umfassen. In dem Teil 110b des Kalibrationsdrahts 110 kann der Kalibrationsstrom 109, aber ohne Beschränkung darauf, dieselbe Richtung wie der Strom 107 (oder Primärstrom 107) aufweisen, während er in dem Teil 110c, aber ohne Beschränkung darauf, eine entgegengesetzte Richtung aufweisen kann. Dann ist das durch den Teil 110b erzeugte Magnetfeld dem Feld des Stroms 107 (oder Primärstroms 107) ähnlich, während das durch den Teil 110c erzeugte Feld das entgegengesetzte Vorzeichen aufweist. Ein Sensorsystem 100, das das Feld des Stroms 107 (oder Primärstroms 107) detektiert, kann die beiden Beiträge der Teile 110b und 110c aufheben, so dass sie sich in dem Gesamtsignal (oder Primärsensorsignal oder Stromsensorausgangssignal, das den Primärstrom beschreibt) des Sensors 100 nicht zeigen. Das System 100 kann jedoch zwei Teilsysteme 102a und 102b (oder zwei Magnetfeldsensorelemente 102a und 102b) umfassen, wobei eines hauptsächlich gegenüber dem Feld des Teils 110b empfindlich ist und das andere hauptsächlich das Feld des Teils 110c detektiert. Wenn die Signale beider Teilsysteme 102a und 102b addiert werden, heben sich die Beiträge der Teile 110b und 110c auf, so dass nur der Beitrag des Stroms 107 (oder Primärstroms 107) übrig bleibt - wenn die Signale der beiden Teilsysteme 102a und 102b (oder der beiden Magnetfeldsensorelemente 102a und 102b) subtrahiert werden, ist das Ergebnis jedoch proportional zu dem Kalibrationsstrom 109, ohne jeglichen Einfluss des Hauptstroms 107. Bei der Betrachtung von realen Positionierungstoleranzen zwischen dem Stromsensorbaustein 100 und der Leiterplatte 112 kann dessen ungeachtet ein kleiner dem Primärstrom 107 entsprechender Teil in dem Kalibrationssensorsignal verbleiben, wobei ein kleiner dem Kalibrationsstrom 109 entsprechender Teil in dem Gesamt- oder Primärsensorsignal verbleiben kann. Dies kann mittels eines Systems linearer Gleichungen beschrieben werden, das immer gelöst werden kann, was zu einer Linearkombination des Kalibrationssensorsignals und des Gesamt- oder Primärsensorsignals, die von dem Kalibrationsstrom unabhängig ist, und einer zweiten Linearkombination, die von dem Primärstrom unabhängig ist, führt.
Man beachte, dass die in 3 gezeigte räumliche Beziehung zwischen dem primären Leiter 108 und dem Kalibrationsleiter 110 lediglich für Veranschaulichungszwecke gedacht ist. Bei Ausführungsformen können der primäre Leiter 108 und der Kalibrationsleiter 110 mehrere verschiedene Größen und/oder Formen und mehrere verschiedene Anordnungen mit Bezug aufeinander und auf den Stromsensorbaustein 100 umfassen. Wenn zum Beispiel Magnetfeldsensorelemente wie in 3a gezeigt oder magnetoresistive Sensorelemente verwendet werden (d.h. Magnetfeldsensoren, die gegenüber zu dem Stromsensorbaustein 100 und/oder der Leiterplatte 112 parallelen Magnetfeldkomponenten empfindlich sind), kann der Kalibrationsleiter 110 parallel und/oder antiparallel zu dem primären Leiter 108 angeordnet werden. Wenn Hall-Elemente verwendet werden (d.h. Magnetfeldsensoren, die gegenüber zu dem Stromsensorbaustein 100 und/oder der Leiterplatte 112 senkrechten Magnetfeldkomponenten empfindlich sind), kann der Kalibrationsleiter 100 darüber hinaus in einem beliebigen Winkel (z.B. zwischen 0° und 90°) oder sogar senkrecht zu dem primären Leiter 108 angeordnet werden.
7 zeigt eine Querschnittsansicht 128 eines Stromsensorsystems 120 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im Gegensatz zu 6 umfasst der Stromsensorbaustein 100 ein drittes Magnetfeldsensorelement 102c, das zwischen dem (ersten) Magnetfeldsensorelement 102a und dem zweiten Magnetfeldsensorelement 102b angeordnet ist, dergestalt, dass eine Empfindlichkeit des dritten Magnetfeldsensorelements 102c gegenüber dem Magnetfeld des in dem ersten Arm 110b fließenden Kalibrationsstroms 109 und gegenüber dem Magnetfeld des in dem zweiten Arm 110c fließenden Kalibrationsstroms 109 (fast) dieselbe ist.
Die drei in 7 gezeigten Magnetfeldsensorelemente 102a bis 102c können gegenüber Bx-Feldern (einer zu der Flussrichtung des Primärstroms 107 und/oder Kalibrationsstroms 109 senkrechten und zu der ersten und/oder zweiten Schicht 122 und 124 der Leiterplatte 112 parallelen Magnetfeldkomponente) empfindlich sein, wie etwa vertikal-Hall-Bauelemente oder magnetoresistive Bauelemente wie Widerstände des Typs AMR (AMR = anisotrop magnetoresistiv) oder GMR (GMR = gigant-magnetoresistiv). Im Folgenden wird ein ringförmiger (oder U-förmiger) Kalibrationsdraht 110 angenommen, wobei der Kalibrationsstrom 109 in dem Teil 110b (oder in dem ersten langen Arm 110b) in die Zeichnungsebene von 7 hinein und in dem Teil 110c (oder in dem zweiten langen Arm 110c) aus der Zeichnungsebene von 7 heraus fließt. Der Teil 110b erzeugt Bx > 0 auf der Oberfläche des Chips 130, während der Teil 110c Bx < 0 auf der Oberfläche des Chips 130 erzeugt. Das Sensorsystem 100 kann drei Magnetfeldsensorelemente 102a bis 102c umfassen, die alle Bx-Felder detektieren. Im Normalbetrieb kann das System 100 (oder genauer gesagt, die Steuerung 106) die Differenz von Bx-Feldern zwischen dem Teil 102c und dem Mittelwert des Teils 102a plus Teil 102b berechnen: Gesamtsignal = Bx(102c) - Bx(102a)/2 -Bx(102b)/2. Wenn das Element 102c genau zwischen den Teil 110b und dem Teil 110c (in einer Draufsicht) gesetzt wird, heben sich die Beiträge des Stroms 109 durch Teil 110b und Teil 110c auf, und somit reagiert das Sensorelement 102c nicht auf den Kalibrationsstrom 109. Dennoch reagiert das Element 102a hauptsächlich auf den Strom 109 durch den Teil 110b und nur schwach auf dem Strom 109 durch den Teil 110c, während das Element 102b nur schwach auf den Strom 109 durch den Teil 110b und stark auf dem Strom 109 durch den Teil 110c reagiert. In einem Kalibrationmodus kann das System 100 (oder genauer gesagt, die Steuerung 106) das an den Elementen 102a und 102b wirkende Bx-Feld subtrahieren. Das Ergebnis dieser Subtraktion ist proportional zu dem Kalibrationsstrom 109 und kann auch bestimmte Beiträge aus dem Strom 107 (oder Primärstrom 107) durch den primären Leiter 108 (dies hängt von der Symmetrie des Drahts 108 mit Bezug auf die Sensorelemente 102a bis 102c ab). Das System 100 (oder genauer gesagt, die Kalibrationsstrom-Bereitstellungsvorrichtung 104) kann den Kalibrationsstrom 109 mit einer bestimmten Frequenz oder mit einem bestimmten Muster, sogar mit einen Pseudozufallsmuster, modulieren, um ihn von dem Strom 107 durch den Draht 108 (oder primären Leiter 108) zu unterscheiden.
8 zeigt eine Draufsicht 126 eines Stromsensorsystems 120 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Kalibrationsleiter kann eine U-Form mit einem ersten langen Arm 110b, einem zweiten langen Arm 110c und einem kurzen Arm 110d umfassen, wobei der erste lange Arm 110b und der zweite lange Arm 110c in einer Flussrichtung des Primärstroms 107 angeordnet sind und wobei der kurze Arm 110d senkrecht zu der Flussrichtung des Primärstroms 107 angeordnet ist.
Der Stromsensorbaustein 100 kann einen ersten Anschluss 136a umfassen, der den zweiten Arm 110c des Kalibrationsleiters 110 kontaktiert (oder mit diesem verbunden ist), und einen zweiten Anschluss 136b, der den ersten Arm 110b des Kalibrationsleiters 110 kontaktiert (oder mit diesem verbunden ist), um den Kalibrationsstrom 109 in den Kalibrationsleiter 110 einzuspeisen. Wie in 8 gezeigt, können der erste Anschluss 136a und der zweite Anschluss 136b auf derselben Seite der Leiterplatte 112, z.B. auf der dritten Seite 144c der Leiterplatte 112, angeordnet werden.
Anders ausgedrückt, kann der Stromsensorbaustein 100 Anschlüsse 136a und 136b für den Kalibrationsstrom 109 an dem dritten und vierten Rand des Bausteins 100 wie in 8 gezeigt bereitstellen.
9 zeigt eine Draufsicht 126 eines Stromsensorsystems 120 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im Gegensatz zu 8 umfasst der Kalibrationsleiter 110 einen dritten langen Arm 110h, der zwischen den zwei langen Armen 110b und 110c angeordnet ist, dergestalt, dass der dritte lange Arm 110h auch den Erfassungsbereich des Stromsensorbausteins 100 überkreuzt.
Der Stromsensorbaustein 100 kann einen ersten Anschluss 136a umfassen, der den zweiten Arm 110c des Kalibrationsleiters 110 kontaktiert (oder mit diesem verbunden ist), und einen zweiten Anschluss 136b, der den dritten Arm 110h des Kalibrationsleiters 110 kontaktiert (oder mit diesem verbunden ist), um den Kalibrationsstrom 109 in den Kalibrationsleiter 110 einzuspeisen. Wie in 8 gezeigt, kann der erste Anschluss 136a auf einer dritten Seite 144c der Leiterplatte 112 angeordnet sein, wobei der zweite Anschluss 136b auf einer vierten Seite 144d der Leiterplatte angeordnet sein kann, die von der dritten Seite 144c verschieden ist.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann einer der beiden mit dem Kalibrationsdraht 110 verbundenen Anschlüsse 136a und 136b auch der Masseanschluss oder Signalmasse oder Niederspannungsmasse oder sogar die Masse des Pfads des Primärstroms 107 sein. Es ist auch möglich, einen Anschluss 136a oder 136b zum Kontaktieren des Kalibrationsdrahts 110 über einen Bonddraht mit dem Masseanschluss zu verbinden. Als Alternative können die beiden jeweiligen Anschlüsse 136a und 136b über einen Systemträgerteil verbunden werden (sie sind z.B. beide Verlängerungen des Chip-Paddle 132).
10 zeigt eine Draufsicht 126 und eine Querschnittsansicht 128 eines Stromsensorsystems 120 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Für bestimmte Anwendungen kann es notwendig sein, den Kalibrationsdraht 110 und die Primärstrombahn 108 auf demselben Niveau zu platzieren (entweder Oberseite 122 der PCB 112 oder Unterseite 124 der PCB 112 oder in einer Zwischenschicht). Gründe hierfür wären, dass wie in DCBs (DCB = Direktkupfer-Bond) nur eine einzige Schicht verfügbar ist, oder dass die Polymer/Papier-Matrix zwischen den Leiterschichten schlechte Dimensionsstabilität hat. In diesem Fall kann ein Layout wie in 10 gezeigt aussehen - insbesondere kann es möglich sein, über die Sensoranschlüsse 136a und 136b nur auf einer Seite des Stromsensorbausteins 100 zu verfügen, z.B. auf der ersten Seite 144a des Stromsensorbausteins 100.
Bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen einen Stromsensorbaustein 100 bereit, der mindestens einen Sensoranschluss 136a verwendet, der einen Kalibrationsstrom 109 liefert, der durch den Sensor 100 erzeugt wird. Dieser kal-Strom 109 (oder Kalibrationsstrom 109) wird in einen Kalibrationsdraht 110 bzw. eine Kalibrationsspule 110 eingespeist, der bzw. die auf der PCB 112 (entweder auf der oberen 122, dazwischenliegenden oder der unteren 124 Schicht) platziert wird. Der Kalibrationsdraht 110 besitzt eine wohldefinierte Geometrie und Position mit Bezug auf den primären Leiter 108, der den zu messenden Strom 107 führt. Das Sensorsystem 100 vergleicht die durch den Kalibrationsdraht 110 erzeugten Magnetfelder mit dem durch den primären Leiter 108 erzeugten Magnetfeld. Aus diesem Verhältnis kann es das Verhältnis von kal-Strom 109 durch Primärstrom 107 schätzen. Wenn der kal-Strom 109 bekannt ist, folgt der Primärstrom 107.
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen einen Magnetstromsensorbaustein 100 bereit, der mindestens einen Anschlusspunkt/Anschluss 136a aufweist, der einen Kalibrationsstrom 109 liefert.
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen ein Herstellungsverfahren bereit. Das Verfahren umfasst das Anbringen eines Magnetstromsensors 100 auf einem Substrat 112 oder einer PCB 112, das bzw. die einen primären Leiter 108 und eine Kalibrationsspule 110 trägt, wobei sich beide in wohldefinierter Position mit Bezug auf einander befinden und der primäre Leiter 108 galvanisch gegenüber der Sensorschaltung 100 isoliert ist, während die Kalibrationsspule 110 nicht gegenüber der Sensorschaltung 100 galvanisch isoliert ist.
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen einen Magnetstromsensor 100 bereit, bei dem der primäre Leiter 108 und die Kalibrationsspule 110 in verschiedenen Schichten des Substrats bzw. der PCB 112 (z.B. der oberen 122 und unteren 124 oder oberen 122 und dazwischenliegenden) hergestellt werden.
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen einen Magnetstromsensor 100 bereit, bei dem der Kalibrationsdraht 110 dem Sensor 100 näher als der primäre Leiter 108 ist (so dass die Spannungsisolation zwischen dem primären Leiter 108 und dem Sensor 100 maximiert werden kann).
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen einen Magnetstromsensor 100 bereit, bei dem der Kalibrationsdraht 110 ein Magnetfeld erzeugt, das in dem Signal des zu messenden Stroms 108 hauptsächlich unterdrückt ist (z.B. erzeugt der Kalibrationsdraht 110 ein Magnetfeld ungerader Symmetrie, während der primäre Strom 107 ein Feld gerader Symmetrie erzeugt, und daher können die beiden durch Symmetrie getrennt werden).
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen einen Magnetstromsensor 100 bereit, bei dem der primäre Leiter 108 ein Magnetfeld erzeugt, das in dem Signal des Kalibrationsdrahts 110 hauptsächlich unterdrückt ist.
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen einen Magnetstromsensor 100 bereit, der einen Kalibrationsdraht 110 außerhalb des Sensorbausteins 100 aufweist, wobei die beiden Enden des Kalibrationsdrahts 110 mit verschiedenen Seiten des Sensorbausteins 100 verbunden sind (z.B. wird der Kalibrationsstrom 109 durch einen Sensoranschluss 136a an der rechten Zeile von Anschlüssen (ersten Seite 144a) geliefert, während die Kalibrationsspule 110 an der linken (zweiten Seite 144b) oder oberen (dritten Seite 144c) oder unteren Seite (vierte Seite 144d) des Sensorbausteins 100 auf Masse gelegt ist - man beachte, dass die Masseverbindung über einen eigenen Anschluss oder einfach über Massefläche erfolgen kann).
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen einen Magnetstromsensor 100 bereit, der kalibriert wird, nachdem der Baustein 100 auf das Substrat bzw. die PCB 112 installiert wird und/oder nachdem alle anderen magnetisch störenden Komponenten auf diesem Substrat 112 installiert sind. Dies kann nach dem Zusammenbau bei einer End-of-Line-Prüfung oder wiederholt während des Betriebs oder in Serviceintervallen geschehen.
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen einen Magnetstromsensor 100 bereit, der in einer geschlossenen Regelschleife arbeitet, wobei der Kalibrationsstrom 109 durch den Kalibrationsdraht 110 auf einen spezifischen Wert justiert wird, bei dem sein Magnetfeld an den Sensorelementen 102 das Magnetfeld des Stroms 107 durch den primären Leiter 108 aufhebt. Dabei ist der Kalibrationsdraht 110 außerhalb des Sensorbausteins 100, genau wie der primäre Leiter 108.
11 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 200 zum Erfassen eines Primärstroms, der in einem primären Leiter eines Substrats fließt. In einem Schritt 202 wird ein Kalibrationsstrom für einen Kalibrationsleiter des Substrats bereitgestellt, wobei der Kalibrationsleiter und der primäre Leiter auf dem Substrat in einer definierten räumlichen Beziehung zueinander angeordnet sind. In einem Schritt 204 wird ein Magnetfeld des in dem primären Leiter fließenden Primärstroms erfasst, um ein Primärsensorsignal bereitzustellen, und ein Magnetfeld des durch den Kalibrationsleiter fließenden Kalibrationsstroms wird erfasst, um ein Kalibrationssensorsignal bereitzustellen. In einem Schritt 206 wird das Primärsensorsignal auf der Basis des Kalibrationssensorsignals und der definierten räumlichen Beziehung zwischen dem primären Leiter und dem Kalibrationsleiter kalibriert.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Kalibrationsstrom so bereitgestellt werden, dass eine Stärke des Kalibrationsstroms um mindestens einen Faktor 100 (oder 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 oder 1000) kleiner als eine Vollskalastärke des Primärstroms ist.
Ferner kann der Kalibrationsstrom so bereitgestellt werden, dass eine Stärke des Kalibrationsstroms kleiner oder gleich 100 mA (oder 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20 oder 10 mA) ist.
Obwohl bestimmte Aspekte im Kontext einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist klar, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens repräsentieren, wobei ein Block oder eine Einrichtung einem Verfahrensschritt oder einem Merkmal eines Verfahrensschritts entspricht. Analog repräsentieren im Kontext eines Verfahrensschritts beschriebene Aspekte auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks, Postens oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung. Bestimmte oder alle der Verfahrensschritte können durch eine Hardwarevorrichtung, zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung ausgeführt werden (oder diese verwenden). Bei bestimmten Ausführungsformen können einer oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch eine solche Vorrichtung ausgeführt werden.
Im Allgemeinen können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert werden, wobei der Programmcode wirkt, um eines der Verfahren auszuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer läuft. Der Programmcode kann zum Beispiel auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert werden.
Andere Ausführungsformen umfassen das Computerprogramm zum Ausführen eines der hier beschriebenen Verfahren, das auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.
Anders ausgedrückt, ist deshalb eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Ausführen eines der hier beschriebenen Verfahren, wenn das Computerprogramm auf einem Computer läuft, aufweist.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verfahren ist deshalb ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), der darauf aufgezeichnet das Computerprogramm zum Ausführen eines der hier beschriebenen Verfahren umfasst. Der Datenträger, das digitale Speichermedium oder das aufgezeichnete Medium sind typischerweise greifbar und/oder nichtflüchtig.
Eine weitere Ausführungsform umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, zum Beispiel einen Computer oder eine programmierbare Logikeinrichtung, der bzw. die dafür konfiguriert oder ausgelegt ist, eines der hier beschriebenen Verfahren auszuführen.
Eine weitere Ausführungsform umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Ausführen eines der hier beschriebenen Verfahren installiert ist.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann eine programmierbare Logikeinrichtung (zum Beispiel ein Field Programmable Gate Array) verwendet werden, um bestimmte oder alle der Funktionalitäten der hier beschriebenen Verfahren auszuführen. Bei bestimmten Ausführungsformen kann ein Field Programmable Gate Array mit einem Mikroprozessor zusammenarbeiten, um eines der hier beschriebenen Verfahren auszuführen. Im Allgemeinen können die Verfahren durch eine beliebige Hardwarevorrichtung ausgeführt werden.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind lediglich veranschaulichend für die Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Es versteht sich, dass anderen Fachleuten Modifikationen und Abwandlungen der Anordnungen und der Details, die hier beschrieben werden, einfallen werden. Es ist deshalb beabsichtigt, nur durch den Schutzumfang der anhängigen Patentansprüche beschränkt zu werden, und nicht durch die hier als Beschreibung und Erläuterung der Ausführungsformen präsentierten spezifischen Details.

Claims

Stromsensorbaustein, der dafür ausgelegt ist, einen Primärstrom zu erfassen, der in einem primären Leiter eines Substrats fließt, wobei der Stromsensorbaustein folgende Merkmale aufweist: eine Kalibrationsstrom-Bereitstellungsvorrichtung, die dafür ausgelegt ist, einen Kalibrationsstrom für einen Kalibrationsleiter des Substrats bereitzustellen, wobei der Kalibrationsleiter und der primäre Leiter auf dem Substrat in einer definierten räumlichen Beziehung zueinander angeordnet sind, und wobei der primäre Leiter und der Kalibrationsleiter elektrisch voneinander isoliert sind; einen Magnetfeldsensor, der dafür ausgelegt ist, ein Magnetfeld des in dem primären Leiter fließenden Primärstroms zu erfassen, um ein Primärsensorsignal bereitzustellen, und ferner dafür ausgelegt ist, ein Magnetfeld des durch den Kalibrationsleiter fließenden Kalibrationsstroms zu erfassen, um ein Kalibrationssensorsignal bereitzustellen; und eine Steuerung, die dafür ausgelegt ist, das Primärsensorsignal und das Kalibrationssensorsignal zu empfangen, und dafür ausgelegt ist, das Primärsensorsignal auf der Basis des Kalibrationssensorsignals und der definierten räumlichen Beziehung zwischen dem primären Leiter und dem Kalibrationsleiter zu kalibrieren.
Stromsensorbaustein nach Anspruch 1, wobei die Steuerung ferner dafür ausgelegt ist, eine räumliche Beziehung zwischen dem Magnetfeldsensor und dem Kalibrationsleiter auf der Basis des Kalibrationssensorsignals zu bestimmen, und dafür ausgelegt ist, eine räumliche Beziehung zwischen dem Magnetfeldsensor und dem primären Leiter auf der Basis der bestimmten räumlichen Beziehung zwischen dem Magnetfeldsensor und dem Kalibrationsleiter und der definierten räumlichen Beziehung zwischen dem Kalibrationsleiter und dem primären Leiter zu bestimmen; wobei die Steuerung ferner dafür ausgelegt ist, das Primärsensorsignal auf der Basis der bestimmten räumlichen Beziehung zwischen dem Magnetfeldsensor und dem primären Leiter zu kalibrieren.
Stromsensorbaustein nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Kalibrationsstrom-Bereitstellungsvorrichtung dafür ausgelegt ist, den Kalibrationsstrom so bereitzustellen, dass eine Stärke des Kalibrationsstroms kleiner oder gleich 100 mA ist.
Stromsensorbaustein nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Magnetfeldsensor eine Primär-Magnetfeldsensoreinheit und eine Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit aufweist, wobei die Primär-Magnetfeldsensoreinheit dafür ausgelegt ist, das Magnetfeld des durch den primären Leiter fließenden Primärstroms zu erfassen, um das Primärsensorsignal bereitzustellen, und wobei die Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit dafür ausgelegt ist, das Magnetfeld des durch den Kalibrationsleiter fließenden Kalibrationsstroms zu erfassen, um das Kalibrationssensorsignal bereitzustellen.
Stromsensorbaustein nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Stromsensorbaustein einen ersten Anschluss aufweist, der dafür ausgelegt ist, den Kalibrationsstrom für den Kalibrationsleiter bereitzustellen.
Stromsensorbaustein nach Anspruch 5, wobei der Stromsensorbaustein einen zweiten Anschluss aufweist, wobei der erste Anschluss und der zweite Anschluss dafür ausgelegt sind, den Kalibrationsleiter zu kontaktieren.
Stromsensoranordnung zum Erfassen eines Primärstroms, der in einem primären Leiter eines Substrats fließt, wobei die Stromsensoranordnung folgende Merkmale aufweist: einen Magnetfeldsensor mit einer Primär-Magnetfeldsensoreinheit und einer Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit, wobei die Primär-Magnetfeldsensoreinheit dafür ausgelegt ist, ein Magnetfeld des durch den primären Leiter fließenden Primärstroms zu erfassen, um ein Primärsensorsignal bereitzustellen, und wobei die Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit dafür ausgelegt ist, ein Magnetfeld eines durch einen Kalibrationsleiter des Substrats fließenden Kalibrationsstroms zu erfassen, um ein Kalibrationssensorsignal bereitzustellen, wobei der Kalibrationsleiter und der primäre Leiter auf dem Substrat in einer definierten räumlichen Beziehung zueinander angeordnet sind, und wobei der primäre Leiter und der Kalibrationsleiter elektrisch voneinander isoliert sind; und eine Steuerung, die dafür ausgelegt ist, das Primärsensorsignal und das Kalibrationssensorsignal zu empfangen, und dafür ausgelegt ist, das Primärsensorsignal auf der Basis des Kalibrationssensorsignals und der definierten räumlichen Beziehung zwischen dem primären Leiter und dem Kalibrationsleiter zu kalibrieren.
Stromsensoranordnung nach Anspruch 7, wobei eine Magnetfeldempfindlichkeit der Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit um mindestens einen Faktor 10 höher als eine Magnetfeldempfindlichkeit der Primär-Magnetfeldsensoreinheit ist.
Stromsensoranordnung nach Anspruch 8, wobei die Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit eine anisotrope-, gigant-, tunnel- oder kolossal-magnetoresistive Sensoreinheit ist.
Stromsensoranordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit ein erstes Kalibrations-Magnetfeldsensorelement und ein zweites Kalibrations-Magnetfeldsensorelement aufweist, die in einer definierten räumlichen Beziehung zueinander angeordnet sind, wobei das erste Kalibrations-Magnetfeldsensorelement und das zweite Kalibrations-Magnetfeldsensorelement dafür ausgelegt sind, das Magnetfeld des durch den Kalibrationsleiter fließenden Kalibrationsstroms zu erfassen, um ein erstes Kalibrationssensorsignal und ein zweites Kalibrationssensorsignal bereitzustellen; und wobei die Steuerung dafür ausgelegt ist, das Primärsensorsignal auf der Basis einer Differenz zwischen dem ersten Kalibrationssensorsignal und dem zweiten Kalibrationssensorsignal und auf der Basis der definierten räumlichen Beziehung zwischen dem ersten Magnetfeldsensorelement und dem zweiten Magnetfeldsensorelement zu kalibrieren.
Stromsensoranordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei der Magnetfeldsensor und die Steuerung in einen Stromsensorbaustein integriert sind.
Stromsensoranordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, die ferner eine Kalibrationsstrom-Bereitstellungsvorrichtung aufweist, die dafür ausgelegt ist, den Kalibrationsstrom für den Kalibrationsleiter bereitzustellen.
Stromsensoranordnung nach Anspruch 12, wobei die Steuerung dafür ausgelegt ist, ein Kalibrationssignal bereitzustellen, wobei die Kalibrationsstrom-Bereitstellungsvorrichtung dafür ausgelegt ist, den Kalibrationsstrom auf der Basis des Kalibrationssignals bereitzustellen.
Stromsensoranordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 13, wobei die Stromsensoranordnung einen Kompensationsleiter, der in einer definierten räumlichen Beziehung zu der Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit angeordnet ist, und eine Kompensationsstrom-Bereitstellungsvorrichtung, die dafür ausgelegt ist, einen Kompensationsstrom für den Kompensationsleiter bereitzustellen, aufweist; wobei die Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit dafür ausgelegt ist, eine Kombination aus einem Magnetfeld des Kompensationsstroms und dem Magnetfeld des Kalibrationsstroms zu erfassen, um das Kalibrationssensorsignal bereitzustellen; wobei die Steuerung dafür ausgelegt ist, das Kalibrationssensorsignal zu empfangen, und dafür ausgelegt ist, die Kompensationsstrom-Bereitstellungsvorrichtung dafür zu steuern, den Kompensationsstrom so bereitzustellen, dass das Magnetfeld des Kompensationsstroms und das Magnetfeld des Kalibrationsstroms einander an der Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit kompensieren, oder dafür ausgelegt ist, die Kalibrationsstrom-Bereitstellungsvorrichtung auf der Basis des Kalibrationssensorsignals dafür zu steuern, den Kalibrationsstrom so bereitzustellen, dass das Magnetfeld des Kompensationsstroms und das Magnetfeld des Kalibrationsstroms einander an der Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit kompensieren; und wobei die Steuerung ferner dafür ausgelegt ist, das Primärsensorsignal auf der Basis eines bekannten Verhältnisses von Stärken des Kompensationsstroms und des Kalibrationsstroms und der definierten räumlichen Beziehung zwischen dem Kompensationsleiter und der Kalibrations-Magnetfeldsensoreinheit zu kalibrieren.
Stromsensorsystem, das folgende Merkmale aufweist: eine Leiterplatte; und einen auf der Leiterplatte angebrachten Stromsensorbaustein; wobei die Leiterplatte einen primären Leiter und einen Kalibrationsleiter aufweist, wobei der Kalibrationsleiter und der primäre Leiter auf der Leiterplatte in einer definierten räumlichen Beziehung zueinander angeordnet sind, wobei der primäre Leiter und der Kalibrationsleiter elektrisch voneinander isoliert sind; und wobei der Stromsensorbaustein folgende Merkmale aufweist: eine Kalibrationsstrom-Bereitstellungsvorrichtung, die dafür ausgelegt ist, einen Kalibrationsstrom für den Kalibrationsleiter der Leiterplatte bereitzustellen; einen Magnetfeldsensor, der dafür ausgelegt ist, ein Magnetfeld eines in dem primären Leiter fließenden Primärstroms zu erfassen, um ein Primärsensorsignal bereitzustellen, und ferner dafür ausgelegt ist, ein Magnetfeld des durch den Kalibrationsleiter fließenden Kalibrationsstroms zu erfassen, um ein Kalibrationssensorsignal bereitzustellen; und eine Steuerung, die dafür ausgelegt ist, das Primärsensorsignal und das Kalibrationssensorsignal zu empfangen, und dafür ausgelegt ist, das Primärsensorsignal auf der Basis des Kalibrationssensorsignals und der definierten räumlichen Beziehung zwischen dem primären Leiter und dem Kalibrationsleiter zu kalibrieren.
Stromsensorsystem nach Anspruch 15, wobei der Kalibrationsleiter auf einer ersten Schicht der Leiterplatte angeordnet ist und wobei der primäre Leiter auf einer zweiten Schicht der Leiterplatte angeordnet ist, die von der ersten Schicht verschieden ist.
Stromsensorsystem nach Anspruch 16, wobei der Stromsensorbaustein so auf der Leiterplatte angebracht ist, dass die erste Schicht der Leiterplatte dem Stromsensorbaustein näher ist als die zweite Schicht.
Stromsensorsystem nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei der primäre Leiter und der Kalibrationsleiter so auf der Leiterplatte angeordnet sind, dass der primäre Leiter und der Kalibrationsleiter einen Erfassungsbereich des Stromsensorbausteins überkreuzen.
Stromsensorsystem nach Anspruch 18, wobei der Kalibrationsleiter so auf der Leiterplatte angeordnet ist, dass der Kalibrationsleiter den Erfassungsbereich des Stromsensorbausteins mindestens zwei Mal überkreuzt.
Stromsensorsystem nach Anspruch 19, wobei der Kalibrationsleiter eine U-Form mit einem ersten langen Arm, einem zweiten langen Arm und einem kurzen Arm aufweist, wobei der erste lange Arm und der zweite lange Arm in einer Flussrichtung des Primärstroms angeordnet sind und wobei der kurze Arm senkrecht zu der Flussrichtung des Primärstroms angeordnet ist, wobei der erste lange Arm und der zweite lange Arm den Erfassungsbereich des Stromsensorbausteins überkreuzen.
Stromsensorsystem nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei der primäre Leiter eine Verjüngung aufweist, wobei der primäre Leiter so auf der Leiterplatte angeordnet ist, dass die Verjüngung in dem Erfassungsbereich des Stromsensorbausteins angeordnet ist.
Stromsensorsystem nach einem der Ansprüche 15 bis 21, wobei eine Breite des Kalibrationsleiters um mindestens einen Faktor zwei kleiner als eine Breite des Stromsensorbausteins ist.
Einrichtung zum Erfassen eines in einem primären Leiter eines Substrats fließenden Stroms, wobei die Einrichtung zum Erfassen des Stroms folgende Merkmale aufweist: eine Einrichtung zum Bereitstellen eines Kalibrationsstroms für einen Kalibrationsleiter des Substrats, wobei sich der Kalibrationsleiter und der primäre Leiter auf dem Substrat in einer definierten räumlichen Beziehung zueinander befinden und wobei der Kalibrationsleiter und der primäre Leiter auf dem Substrat in einer definierten räumlichen Beziehung zueinander angeordnet sind, und wobei der primäre Leiter und der Kalibrationsleiter elektrisch voneinander isoliert sind; eine Einrichtung zum Erfassen eines Magnetfelds eines in dem primären Leiter fließenden Primärstroms, um ein Primärsensorsignal bereitzustellen, und zum Erfassen eines Magnetfelds des durch den Kalibrationsleiter fließenden Kalibrationsstroms, um ein Kalibrationssensorsignal bereitzustellen; und eine Einrichtung zum Kalibrieren des Primärsensorsignals auf der Basis des Kalibrationssensorsignals und der definierten räumlichen Beziehung zwischen dem primären Leiter und dem Kalibrationsleiter.
Verfahren zum Erfassen eines Stroms, der in einem primären Leiter eines Substrats fließt, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Bereitstellen eines Kalibrationsstroms für einen Kalibrationsleiter des Substrats, wobei der Kalibrationsleiter und der primäre Leiter auf dem Substrat in einer definierten räumlichen Beziehung zueinander angeordnet sind, und wobei der primäre Leiter und der Kalibrationsleiter elektrisch voneinander isoliert sind; Erfassen eines Magnetfelds eines in dem primären Leiter fließenden Primärstroms, um ein Primärsensorsignal bereitzustellen, und Erfassen eines Magnetfelds des durch den Kalibrationsleiter fließenden Kalibrationsstroms, um ein Kalibrationssensorsignal bereitzustellen; und Kalibrieren des Primärsensorsignals auf der Basis des Kalibrationssensorsignals und der definierten räumlichen Beziehung zwischen dem primären Leiter und dem Kalibrationsleiter.
Computerlesbares nichtflüchtiges digitales Speichermedium, auf dem ein Computerprogramm gespeichert ist, mit einem Programmcode zum Ausführen eines Verfahrens zum Erfassen eines Stroms, der in einem primären Leiter eines Substrats fließt, wenn er auf einem Computer läuft, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Bereitstellen eines Kalibrationsstroms für einen Kalibrationsleiter des Substrats, wobei der Kalibrationsleiter und der primäre Leiter auf dem Substrat in einer definierten räumlichen Beziehung zueinander angeordnet sind, wobei der primäre Leiter und der Kalibrationsleiter elektrisch voneinander isoliert sind; Erfassen eines Magnetfelds eines in dem primären Leiter fließenden Primärstroms, um ein Primärsensorsignal bereitzustellen, und Erfassen eines Magnetfelds des durch den Kalibrationsleiter fließenden Kalibrationsstroms, um ein Kalibrationssensorsignal bereitzustellen; und Kalibrieren des Primärsensorsignals auf der Basis des Kalibrationssensorsignals und der definierten räumlichen Beziehung zwischen dem primären Leiter und dem Kalibrationsleiter.