DE102014016248B4 - Printed circuit board with at least one four-pole current measuring element - Google Patents

Printed circuit board with at least one four-pole current measuring element Download PDF

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Abstract

Leiterplatte (1) mit mindestens einem (Vierpol-)Strommesselement (20), welches aus mindestens einem Hochstromleiter (5) besteht, der mit zwei beabstandeten Stromanschlüsse (6, 7) verbunden ist, zwischen welchen zwei beabstandete Messanschlüsse (3, 4) angeordnet sind, wobei das (Vierpol-) Strommesselement (20) als Shunt ausgebildet ist und in den Aufbau der Leiterplatte (1) integriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte mindestens eine Kupfer-Innenlage (2) aufweist, welche mindestens im Bereich der Stromanschlüsse (6, 7) und der Messanschlüsse (4, 5) mit dem Hochstromleiter (5) kontaktiert ist.Circuit board (1) with at least one (four-pole) current measuring element (20), which consists of at least one high-current conductor (5) which is connected to two spaced power connections (6, 7), between which two spaced measurement connections (3, 4) are arranged where the (four-pole) current measuring element (20) is designed as a shunt and is integrated into the structure of the printed circuit board (1), characterized in that the printed circuit board has at least one copper inner layer (2) which is at least in the area of the power connections (6, 7) and the measuring terminals (4, 5) are in contact with the high-current conductor (5).

Description

Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte mit mindestens einem VierpolstromMesselement.The invention relates to a circuit board with at least one four-pole current measuring element.

Leiterplatten, also Printed Circuit Board (PCBs), Printed Wiring Board (PWBs), Platine oder gedruckte Schaltung werden zur Verdrahtung bzw. elektrischen Verbindung und zur mechanischen Befestigung von elektrischen bzw. elektronischen Komponenten (el. Komponenten bzw. el. Bauteile) verwendet. Die elektrischen Bauteile werden hierzu radial in die Löcher der Leiterplatte mechanisch befestigt und elektrisch kontaktiert. Ferner können sie auf der Oberfläche montiert (surface mount technology SMT bzw. surface mount devices SMD) oder in Innenlagen vergraben werden (burried components).Printed circuit boards, ie Printed Circuit Boards (PCBs), Printed Wiring Boards (PWBs), circuit boards or printed circuits are used for wiring or electrical connection and for mechanically fastening electrical or electronic components (el. Components or el. Parts). For this purpose, the electrical components are mechanically fastened radially in the holes of the printed circuit board and electrically contacted. They can also be mounted on the surface (surface mount technology SMT or surface mount devices SMD) or buried in inner layers (burried components).

Die fortschreitende Entwicklung der Leiterplatten zeigt zum einen, dass die el. Bauteile immer kleiner und komplexer werden, was zu einer hohen Erwärmung führt. Somit steigt der Bedarf nach Ableitung der Verlustwärme der el. Bauteile stetig an. Des Weiteren werden immer höhere Ströme auf relativ kleinen Leiterplattenflächen vorgesehen bzw. benötigt. Das Einsatzgebiet hierfür kann beispielsweise ein modernes LED-Element im EV (Electro Vehicle) Bereich oder allg. in der Leistungselektronik sein. Es müssen daher die Kupferquerschnitte der Verdrahtungsstrukturen auf und in Leiterplatten auf die geplanten Ströme dimensioniert werden, so dass die Erwärmung der Kupferleitungen an sich innerhalb geplanter Grenzen bleibt. Ferner werden die Kupferstrukturen aktiv zur Ableitung der Verlustwärme von el. Bauteilen verwendet.On the one hand, the progressive development of printed circuit boards shows that the electrical components are becoming smaller and more complex, which leads to high temperatures. Thus, the need to dissipate the heat loss of the electrical components is constantly increasing. Furthermore, higher and higher currents are provided or required on relatively small printed circuit board areas. The area of application for this can be, for example, a modern LED element in the EV (Electro Vehicle) sector or in power electronics in general. The copper cross-sections of the wiring structures on and in printed circuit boards must therefore be dimensioned for the planned currents so that the heating of the copper lines themselves remains within planned limits. Furthermore, the copper structures are actively used to dissipate heat loss from electrical components.

Neben der Dickkupfertechnik mit Kupfer-Strukturen von typisch 200 µm bis 400 µm Kupferdicke (ätztechnisch hergestellt und/oder galvanisch verstärkt) und der Integration von gestanzten Kupferstrukturen in Leiterplatten wurde eine Hochstrom- und Wärmemanagement-Leiterplattentechnologie auf Basis von mittels Ultraschall flächig und semi-kalt kontaktierter Dickkupferelemente (Profil-Legetechnik) auf übliche ätztechnisch hergestellte Kupferstrukturen entwickelt.In addition to the thick copper technology with copper structures of typically 200 µm to 400 µm copper thickness (manufactured by etching and/or galvanically reinforced) and the integration of stamped copper structures in circuit boards, a high-current and heat management circuit board technology based on ultrasonic flat and semi-cold technology was developed contacted thick copper elements (profile laying technique) on conventional copper structures produced by etching.

Aus dem Stand der Technik ist eine Vierpolstrommessung bei Leiterplatten bekannt. Die Vierpolstrommessung besteht im Wesentlichen aus einer Vierpunkt- oder Vierspitzenmessung. Hierzu wird ein sogenannter Shunt verwendet, welcher ein niederohmiger elektrischer Widerstand ist und zur Messung des elektrischen Stromes verwendet wird. Generell weist der Shunt zwei Stromanschlüsse und zwei Anschlüsse zur Messung des Spannungsabfalls auf.A four-pole current measurement for printed circuit boards is known from the prior art. The four-pole current measurement essentially consists of a four-point or four-point measurement. A so-called shunt is used for this purpose, which is a low-impedance electrical resistance and is used to measure the electrical current. In general, the shunt has two current terminals and two terminals for measuring the voltage drop.

Der Shunt wirkt als Messwiderstand, wobei der Strom, der durch den Shunt fließt, verursacht einen zu ihm proportionalen Spannungsabfall, welcher messbar ist. Üblicherweise werden sehr geringe Spannungsabfälle mit geeigneten Messeinrichtungen gemessen und der Strom nach dem Ohmschen-Gesetz ermittelt.The shunt acts as a measuring resistor, whereby the current flowing through the shunt causes a voltage drop proportional to it, which can be measured. Usually, very small voltage drops are measured with suitable measuring devices and the current is determined according to Ohm's law.

Als Metallprofil-Shunt Material kann Kupfer verwendet werden oder KupferLegierungen mit beispielsweise Mangan, Nickel, Aluminium und dergleichen mit bevorzugt einem geringen Temperaturkoeffizienten. Grundsätzlich kann jedoch bei einem gewählten Shunt-Material der Temperaturkoeffizient durch die Messung der Temperatur im Messergebnis des Stromes berücksichtigt bzw. korrigiert werden.Copper or copper alloys with, for example, manganese, nickel, aluminum and the like with preferably a low temperature coefficient can be used as the metal profile shunt material. In principle, however, with a selected shunt material, the temperature coefficient can be taken into account or corrected by measuring the temperature in the measurement result of the current.

Bisher war bei einer Strommessung in der Leiterplattentechnik nur bekannt, dass ein Shunt auf die äußere Oberfläche der Mehrlagen-Leiterplatte aufgebracht wird und dort eine Strommessung stattfindet. Solch eine Ausführungsform wird beispielsweise mit der WO 2014/099094 A1 gezeigt. Bei derartigen Shunts besteht das Problem, dass bei hohen Strömen sich der Shunt in unerwünschter Weise erwärmt. Solch eine Erwärmung sollte möglichst unterbunden werden. Aus diesem Grund verwendet man als Shunt hochstromgeeignete Kupferprofile, welche Ströme im Bereich von > 30 Ampere hindurchfließen lassen.Previously, when measuring current in printed circuit board technology, it was only known that a shunt was applied to the outer surface of the multi-layer printed circuit board and a current measurement took place there. Such an embodiment is, for example, with the WO 2014/099094 A1 shown. The problem with such shunts is that the shunt heats up in an undesired manner at high currents. Such warming should be prevented as far as possible. For this reason, copper profiles suitable for high currents are used as shunts, which allow currents in the range of > 30 amperes to flow through.

Die Anordnung eines Shunts auf der Oberfläche einer Leiterplatte hat jedoch wesentliche Nachteile:

  1. 1. Es fällt die Fläche, die der Shunt an der Oberfläche benötigt, für Bestückungszwecke weg;
  2. 2. Es ist eine separate Bestückung der Leiterplatte notwendig;
  3. 3. Die zusätzliche Anbringung des Bauteils auf der Leiterplatte verursacht zusätzliche Kosten, erhöht die Bauhöhe der Leiterplatte und verschlechtert die Bearbeitbarkeit der Leiterplatte.
Des Weiteren kann der Shunt nicht als integraler Bestandteil der Verschaltung an der Leiterplatte verwendet werden. Er ist jeweils immer nur ein isoliertes Messelement.However, the arrangement of a shunt on the surface of a printed circuit board has significant disadvantages:
  1. 1. The area that the shunt requires on the surface is eliminated for assembly purposes;
  2. 2. It is necessary to assemble the circuit board separately;
  3. 3. The additional mounting of the component on the circuit board causes additional costs, increases the overall height of the circuit board, and deteriorates the workability of the circuit board.
Furthermore, the shunt cannot be used as an integral part of the wiring on the printed circuit board. It is always just an isolated measuring element.

Mit der DE 103 10 503 A1 wird eine Einrichtung zur Messung eines elektrischen Stroms mit einem von dem zu messenden Strom durchflossenen Messwiderstand und einer Messeinrichtung zur Messung des an dem Messwiderstand infolge des Stromflusses entstehenden Spannungsabfalls offenbart.With the DE 103 10 503 A1 discloses a device for measuring an electric current with a measuring resistor through which the current to be measured flows and a measuring device for measuring the voltage drop occurring at the measuring resistor as a result of the current flow.

Die DE 103 10 498 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Integration eines Messwiderstandes auf Keramikschaltungsträger.the DE 103 10 498 A1 discloses a method and a device for integrating a measuring resistor on a ceramic circuit carrier.

Mit der US 6 028 426 A wird ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte mit einem Vierpol-Strommesselement offenbart, welches einen Hochstromleiter aufweist, der mit zwei beabstandeten Stromanschlüssen verbunden ist.With the U.S. 6,028,426 A discloses a method of manufacturing a printed circuit board with a four-pole current sensing element having a high current conductor connected to two spaced apart power terminals.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Leiterplatte mit einem Messelement zu vereinfachen bzw. zu verbessern.The invention is now based on the object of simplifying or improving a printed circuit board with a measuring element.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Anspruches 1 und des Anspruches 7 gekennzeichnet.The invention is characterized by the technical teaching of claim 1 and claim 7 in order to solve the task at hand.

Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass das (Vierpolstrom-)Messelement als Shunt im Leiterplattenaufbau integriert ist.An essential feature of the invention is that the (four-pole current) measuring element is integrated as a shunt in the printed circuit board structure.

Diese Anordnung des Messelementes hat den Vorteil, dass die integrierte Leiterplatte bereits schon bei der Herstellung mit einem derartigen Messaufbau versehen wird. Somit kann mindestens ein (Vierpolstrom-)Messelement im Leiterplattenaufbau integriert werden.This arrangement of the measuring element has the advantage that the integrated circuit board is already provided with such a measuring structure during production. Thus, at least one (four-pole current) measuring element can be integrated into the circuit board structure.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Vierpolstrommesselement Teil einer Leiterbahnenführung. Dies bedeutet, dass jede beliebige Leiterbahn in der Leiterplatte, die für eine Hochstromanwendung geeignet ist, als Vierpolstrommesselement umfunktioniert werden kann.In a preferred embodiment, the four-pole current measuring element is part of a printed conductor layout. This means that any circuit board trace that is suitable for a high current application can be repurposed as a four-pole current sensing element.

Das Vierpolstrommesselement besteht aus zwei Hochstromanschlüssen, über den der zu messende Strom fließt und aus zwei im Bereich dieses Messelementes angeordneten Messanschlüssen, zwischen denen der Spannungsabfall gemessen wird, wobei zwischen den beiden Messanschlüssen ein definierter Widerstand besteht.The four-pole current measuring element consists of two high-current connections, via which the current to be measured flows, and two measuring connections arranged in the area of this measuring element, between which the voltage drop is measured, with a defined resistance between the two measuring connections.

Entscheidend ist, dass die Messanschlüsse stets mit gleichem Abstand angeordnet werden, um einen gleichbleibenden Widerstand zwischen den Messanschlüssen zu erreichen.It is crucial that the measuring connections are always arranged at the same distance in order to achieve a constant resistance between the measuring connections.

Die vorliegende Erfindung sieht mehrere verschiedene Ausführungsformen vor, die alle in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen.The present invention provides several different embodiments, all of which fall within the scope of the present invention.

In einer ersten Ausführungsform der Erfindung werden in einem (separaten) Herstellungsprozess ein oder mehrere (Vierpolstrom-)Messelemente hergestellt, welche in einfacher oder mehrfacher Form bei der Herstellung der Leiterplatte im Leiterplattenaufbau integriert werden. Es handelt sich also um definierte Vierpolstrommesselemente, die zusätzlich zu den übrigen Elementen im Leiterplattenaufbau integriert werden.In a first embodiment of the invention, one or more (four-pole current) measuring elements are produced in a (separate) production process, which are integrated in a single or multiple form in the production of the circuit board in the circuit board structure. It is therefore a matter of defined four-pole current measuring elements that are integrated in addition to the other elements in the printed circuit board structure.

In einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung ist es hingegen vorgesehen, dass man bei der Konstruktion und der Bestückung der Leiterplatte eine hochstromführende Leiterbahn aussucht und lediglich an bestimmten, definierten Stellen, die für die Messung notwendigen Messanschlüsse anzuordnen. Hierbei muss lediglich der Abstand zwischen den Messanschlüssen bezogen auf andere Leiterbahnen immer gleich sein.In a second embodiment of the invention, on the other hand, it is provided that a high-current-carrying conductor track is selected during the design and assembly of the printed circuit board and that the measuring connections required for the measurement are only arranged at certain, defined points. In this case, only the distance between the measuring connections in relation to other conductor tracks must always be the same.

Dies bedeutet, man kann ad hoc bei der Entwicklung in der Leiterplatte eine bestimmte, hochstromführende Leiterbahn als Vierpolstrommesselement definieren, indem man im Innenbereich zwischen den hochstromführenden Anschlüssen nun die erfindungsgemäßen Messanschlüsse zum Abgreifen der Messspannung anordnet.This means that one can ad hoc define a specific, high-current-carrying trace as a four-pole current measuring element during development in the printed circuit board by arranging the measuring connections according to the invention for tapping off the measuring voltage in the inner area between the high-current-carrying connections.

Damit ist es auf vereinfachte Weise möglich neben beliebigen hochstromführenden Leiterplattenaufbau ein Vierpolstrommesselement zu integrieren.It is thus possible in a simplified way to integrate a four-pole current measuring element next to any high-current-carrying printed circuit board structure.

Für die Ausbildung eines Vierpolstrommesselementes sind also nur insgesamt vier Stellen bzw. Punkte an einem hochstromführenden Kupferprofil notwendig, welche bevorzugt die außen liegenden Anschlussstellen für den Anschluss eines Hochstromes und die genau definierte Kontaktierung auf dem Hochstromleiter mittels Messanschlüssen sind. Die Kontaktierung oder Anbringung von Messanschlüssen auf diesen Hochstromleiter kann in verschiedenen Ausführungsformen erfolgen.For the formation of a four-pole current measuring element, only four locations or points on a high-current-carrying copper profile are necessary, which are preferably the external connection points for connecting a high-current and the precisely defined contacting on the high-current conductor by means of measuring connections. The contacting or attachment of measuring connections to this high-current conductor can take place in various embodiments.

In einer Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Messanschlüsse selbst unmittelbar auf dem Hochstromleiter als kontaktierende Bohrung ausgeführt sind. An diese kontaktierende Bohrung kann direkt der Messanschluss oder die Messleitung angeschlossen werden.In one embodiment, it is provided that the measuring connections themselves are designed directly on the high-current conductor as a contacting bore. The measuring connection or the measuring line can be connected directly to this contacting hole.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass lediglich eine Kontaktstelle auf der Oberfläche des Hochstromleiters angeordnet ist und ausgehend von dieser Kontaktstelle entfernt die Messleitungen angeordnet sind. Eine solche Kontaktstelle kann z. B. als kontaktierender Kanal ausgebildet sein.In a further embodiment of the invention, it is provided that only one contact point is arranged on the surface of the high-current conductor and the measuring lines are arranged at a distance from this contact point. Such a contact point can e.g. B. be designed as a contacting channel.

Wichtig ist, dass man lediglich am Hochstromleiter die Kontaktierung anbringen muss, die Abführung der Messleitungen jedoch in einer anderen Ebene der Mehrlagen-Leiterplatte vornehmen kann.It is important that the contacts only have to be attached to the high-current conductor, but that the measuring lines can be routed on a different level of the multi-layer circuit board.

Die Kontaktierung kann beispielsweise über Ultraschall, über Reibschweißen, über Löten, über galvanische Verkupferung und dergleichen mehr erfolgen.The contact can be made, for example, via ultrasound, friction welding, soldering, galvanic copper plating and the like.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung liegt demnach darin, dass es nun erstmals möglich ist, in einem beliebigen, hochstromführenden Leiterplattenaufbau ein Vierpolstrommesselement zu definieren, indem einfach im Zwischenraum zwischen zwei hochstromführenden Anschlusspunkten ein Messabstand für die Anbringung von Messanschlüssen zur Messung des Spannungsabfalls in diesem Bereich vorgesehen wird.The main advantage of the invention is that it is now possible for the first time to define a four-pole current measuring element in any high-current-carrying printed circuit board structure by simply providing a measuring distance for the attachment of measuring connections for measuring the voltage drop in this area in the space between two high-current-carrying connection points will.

Mit der gegebenen technischen Lehre ergibt sich der wesentliche Vorteil, dass nun der Leiterplattenaufbau sehr klein gehalten werden kann, denn es sind keine zusätzlichen Elemente notwendig, weil man jede beliebige hochstromführende Leiterbahn als Vierpolstrommesselement definieren kann.With the given technical teaching, there is the essential advantage that the printed circuit board structure can now be kept very small, because no additional elements are necessary, because any high-current-carrying conductor track can be defined as a four-pole current measuring element.

Weiter Vorteil der Erfindung ist die kostengünstige Herstellung und die günstige Wärmeabfuhr, denn die umliegenden Bauteile und Bestandteile der Mehrlagen-Leiterplatte werden sozusagen als Kühlelemente für den sich möglicherweise im Betrieb erwärmenden Hochstromleiter verwendet, wodurch eine günstige Wärmeabfuhr gegeben ist.Another advantage of the invention is the inexpensive production and the favorable heat dissipation, because the surrounding components and components of the multi-layer printed circuit board are used as cooling elements for the high-current conductor that may heat up during operation, resulting in favorable heat dissipation.

Die Anbringung der Stromanschlüsse an den Hochstromleiter kann in verschiedener Weise erfolgen.The attachment of the power connections to the high-current conductor can be done in different ways.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass diese Anschlüsse jeweils stirnseitig aus der Mehrlagen-Leiterplatte herausgeführt sind und damit direkt mit einem stromführenden Anschlusskabel kontaktiert werden können.In a preferred embodiment, it is provided that these connections are led out of the multi-layer printed circuit board on the face side and can thus be contacted directly with a live connection cable.

In einer anderen Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass diese Anschlüsse als Anschlussfahnen hochgebogen sind und dadurch Kontaktelemente zu anschließenden Stromkabeln bilden.In another embodiment, it can be provided that these connections are bent up as connection lugs and thereby form contact elements for connecting power cables.

In einer weiteren Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass die Stromanschlüsse für den Hochstromleiter in der Leiterplatte selbst integriert sind. Hierbei sind z. B. stromführende Leitkanäle vorgesehen, die für eine Einpresstechnik geeignete Bohrungen aufweisen.In a further refinement, provision can be made for the power connections for the high-current conductor to be integrated in the printed circuit board itself. Here z. B. current-carrying guide channels are provided, which have suitable holes for a press-in technique.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die Dimension und die Geometrie des Vierpolstrommesselementes beliebig definiert werden kann, d. h. es kann jede beliebige Leiterbahnführung in der Leiterplatte, die eine Hochstromleiterbahn betrifft, als Vierpolstrommesselement umdefiniert werden.Another advantage of the invention is that the dimension and the geometry of the four-pole current measuring element can be defined arbitrarily, i. H. it can be redefined as a four-pole current measuring element any conductor path in the printed circuit board that affects a high-current conductor.

Durch die Integration des Vierpolstrommesselementes in der Leiterplatte wird die Außenfläche der Leiterplatte von Einbauten freigehalten und kann für zusätzliche Bestückungen verwendet werden.Due to the integration of the four-pole current measuring element in the printed circuit board, the outer surface of the printed circuit board is kept free of built-in components and can be used for additional equipment.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass eine zusätzliche Temperaturkompensation integriert ist. Diese Temperaturkompensation beruht darauf, dass sich die Temperatur des Hochstromleiters in unerwünschter Weise erhöht, wenn er mit einem hohen Strom durchflossen wird, was wiederum den Spannungsabfall zwischen den Messeinflüssen beeinflusst. Diese Beeinflussung soll kompensiert werden.In a development of the invention, it is provided that an additional temperature compensation is integrated. This temperature compensation is based on the fact that the temperature of the high-current conductor increases in an undesirable manner when a high current flows through it, which in turn influences the voltage drop between the measuring influences. This influence should be compensated.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass eine Temperaturkompensation durch eine Messung der Temperatur auf oder an den Hochstromleiter erfolgt. Eine solche Messung der Temperatur kann z. B. durch ein beliebiges Temperaturmesselement, wie z. B. ein Thermistor, ein PT100-Element oder dergleichen erfolgen.In a preferred embodiment of the invention, it is provided that temperature compensation takes place by measuring the temperature on or at the high-current conductor. Such a measurement of the temperature can, for. B. by any temperature measuring element such. a thermistor, a PT100 element or the like.

Ein bevorzugter (Herstellung-)Verfahrensablauf kann hierbei wie folgt ablaufen. Die Mehrlagenleiterplatte wird mit dem integerierten Metallprofil so ausgebildet, dass das Metallprofil von einer Seite oder von beiden Seiten der Mehrlagenleiterplatte frei gelegt wird und derart elektrisch niederohmig verbunden werden kann. Es kann auch ein Teil des Metallprofils auf einer Seite oder beidseitig frei gelegt werden und abgewinkelt ausgeführt werden, so dass ein oder zwei Teile des Metallprofil-Shunts abgewinkelt mittels Schrauben oder Klemmen oder Löten oder Einpressen oder Schweißen elektrisch kontaktiert werden können.A preferred (manufacturing) process sequence can proceed as follows. The multi-layer printed circuit board is formed with the integrated metal profile in such a way that the metal profile is exposed from one side or from both sides of the multi-layer printed circuit board and can thus be electrically connected with low resistance. A part of the metal profile can also be exposed on one side or both sides and be angled so that one or two parts of the metal profile shunt can be electrically contacted by means of screws or clamps or soldering or pressing or welding.

Bei einer derartigen Vierpunkt- bzw. Vierleiter-Strom-Messung können die beiden Kontakte zur Messung des im allgemeinen sehr kleinen Spannungsabfalls durch die Kupferstruktur einer Lage oder Kontaktierung durch zumindest einer Bohrung mit einer beliebigen Lagen der Leiterplatte, wahrgenommen werden und können derart sehr einfach die entsprechenden Komponenten zur Strommessung auf der Leiterplatte angeordnet werden.With such a four-point or four-wire current measurement, the two contacts for measuring the generally very small voltage drop through the copper structure of a layer or contacting through at least one hole with any layer of the printed circuit board can be perceived and the corresponding components for current measurement are arranged on the printed circuit board.

Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.The subject matter of the present invention results not only from the subject matter of the individual patent claims, but also from the combination of the individual patent claims with one another.

Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind. All information and features disclosed in the documents, including the abstract, in particular the spatial configuration shown in the drawings, are claimed to be essential to the invention insofar as they are new compared to the prior art, individually or in combination.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.In the following, the invention is explained in more detail with reference to drawings showing only one embodiment. Here go from the Drawings and their description shows other features and advantages of the invention that are essential to the invention.

Es zeigen:

  • 1: eine Anordnung einer Vierpolstrommessung nach dem Stand der Technik
  • 2: die Draufsicht auf ein Vierpolstrommesselement, welches in einem Leiterplattenaufbau integriert ist
  • 3: der Schnitt gemäß der Linie III-III in 2
  • 4: Schnitt gemäß der Linie IV-IV in 2
  • 5: schematisiert einen Schnitt durch eine Leiterplatte ähnlich der 2
  • 6: der um 90° gedrehte Schnitt durch die Leiterplatte gemäß 5
  • 7: eine schematisierte Darstellung der Anordnung von mehreren Vierpolstrommesselementen in einem Leiterplattenaufbau
  • 8: eine ähnliche Darstellung wie 7 in gedrehter Form
  • 9: eine Draufsicht auf einen aufgebrochenen Leiterplattenaufbau mit der Einbringung eines Vierpolstrommesselementes
Show it:
  • 1 : an arrangement of a four-pole current measurement according to the prior art
  • 2 : the top view of a four-pole current measuring element, which is integrated in a circuit board structure
  • 3 : the cut according to line III-III in 2
  • 4 : Section along line IV-IV in 2
  • 5 : schematizes a section through a circuit board similar to that 2
  • 6 : the section through the printed circuit board rotated by 90° according to 5
  • 7 : a schematic representation of the arrangement of several four-pole current measuring elements in a circuit board structure
  • 8th : a representation similar to 7 in twisted form
  • 9 : a plan view of a broken circuit board structure with the incorporation of a four-pole current measuring element

In 1 ist allgemein das Prinzip der Vierpolstrommessung dargestellt.In 1 the principle of four-pole current measurement is shown in general.

An einem Hochstromleiter 5 sind zwei beabstandete Messanschlüsse 3, 4 angeordnet. Ferner sind zwei im Abstand voneinander angeordnete Stromanschlüsse 6, 7 an dem Hochstromleiter 5 angeschlossen, zwischen denen ein Strom durch den Hochstromleiter 5 fließt.Two spaced measuring connections 3, 4 are arranged on a high-current conductor 5. Furthermore, two spaced-apart power connections 6, 7 are connected to the high-current conductor 5, between which a current flows through the high-current conductor 5.

Im Bereich des Hochstromleiters 5 sind Messanschlüsse 3, 4 elektrisch leitend mit dem Hochstromleiter 5 verbunden und bilden zwischen sich einen Messabstand 11. Wichtig ist nun, dass im Bereich des Messzweiges der Spannungsabfall zwischen den Messanschlüssen 3, 4 gemessen wird, um so den Strom durch die Hochstromleiter 5 zu bestimmen.In the area of the high-current conductor 5, measuring connections 3, 4 are electrically conductively connected to the high-current conductor 5 and form a measuring distance 11 between them. It is now important that the voltage drop between the measuring connections 3, 4 is measured in the area of the measuring branch, in order to measure the current through to determine the high-current conductor 5.

Bisher war es lediglich bekannt, ein solches Vierpolstrommesselement, wie nach dem Stand der Technik gezeigt, außerhalb eines Leiterplattenaufbaus anzubringen, was mit einem erhöhten Aufwand verbunden ist. Dies wurde in der allgemeinen Beschreibungseinleitung bereits dargestellt.Previously, it was only known to attach such a four-pole current measuring element, as shown in the prior art, outside of a printed circuit board structure, which is associated with increased effort. This has already been shown in the general introduction to the description.

Erfindungsgemäß ist nun ein Vierpolstrommesselement 20 in einem Leiterplattenaufbau integriert. Als erstes Ausführungsbeispiel zeigt die 2 eine Leiterplatte 1, die aus einem beliebigen Werkstoff bestehen kann und die beliebig viele Lagen aufweisen kann.According to the invention, a four-pole current measuring element 20 is now integrated in a printed circuit board structure. As a first embodiment shows the 2 a printed circuit board 1, which can consist of any material and which can have any number of layers.

Wichtig ist nun, dass im Leiterplattenaufbau im Bereich einer beliebigen Lage, die eine Innen- oder Außenlage sein kann, das erfindungsgemäße Vierpolstrommesselement 20 integriert. Im gezeigten Ausführungsbeispiel besteht es aus einem separaten Element, welches im Wesentlichen aus einer Kupferinnenlage 2 besteht, die als flache Kupferbahn ausgebildet ist.It is now important that the four-pole current measuring element 20 according to the invention is integrated in the printed circuit board structure in the region of any layer, which can be an inner or outer layer. In the exemplary embodiment shown, it consists of a separate element, which essentially consists of a copper inner layer 2, which is designed as a flat copper track.

Die Kupfer-Innenlage hat eine Dicke von etwa 35 µ bis 150 µ. Die Kupfer-Innenlage 2 ist in einer Ausführungsform im Bereich der Stromanschlüsse 6, 7 und der Messanschlüsse 4, 5 mit dem als Shunt ausgebildeten Hochstromleiter 5 verbunden.The copper inner layer has a thickness of about 35 µ to 150 µ. In one embodiment, the copper inner layer 2 is connected to the high-current conductor 5 designed as a shunt in the area of the current connections 6, 7 and the measuring connections 4, 5.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die in den Hochstromleiter 5 einführenden Stromanschlüsse 6 rund profiliert ausgebildet und als Kontaktierungskanäle geformt, wie anhand der 5 und 6 noch dargestellt wird.In the exemplary embodiment shown, the power connections 6 leading into the high-current conductor 5 are designed with a round profile and are shaped as contacting channels, as shown in FIG 5 and 6 is still shown.

An den Messanschlüssen 4, 5 setzen Messleitungen an, die zu einer nicht näher dargestellten Messanordnung führen, welche in der Lage ist, den Spannungsabfall zwischen den beiden Messanschlüssen 3, 4 zu erfassen und auszuwerten.Measuring lines are attached to the measuring terminals 4, 5 and lead to a measuring arrangement, not shown in detail, which is able to detect and evaluate the voltage drop between the two measuring terminals 3, 4.

Je nach dem, wie hoch der Strom ist, der zwischen den Stromanschlüssen 6, 7 fließt, erfolgt ein Spannungsabfall zwischen den Messanschlüssen 3, 4 und dieser Spannungsabfall wird an den Messleitungen abgegriffen.Depending on how high the current is that flows between the current terminals 6, 7, there is a voltage drop between the measuring terminals 3, 4 and this voltage drop is tapped off at the measuring lines.

Die Kupfer-Innenlage 2 ist mit dem erfindungsgemäßen Hochstromleiter 5 an den besagten Stellen kontaktiert. Der Hochstromleiter selbst ist für die Führung eines Hochstromes im Bereich von mehr als 30 Ampere geeignet und ist in seiner Abmessung und seinen Dimensionen so gewählt, dass er sich bei dem Durchfluss eines Hochstromes nicht wesentlich erwärmt.The copper inner layer 2 is contacted with the high-current conductor 5 according to the invention at the points mentioned. The high-current conductor itself is suitable for carrying a high current in the range of more than 30 amperes and is selected in terms of its size and dimensions so that it does not heat up significantly when a high current flows through it.

Als Beispiel wird angegeben, dass ein solcher Hochstromleiter eine Breite von 1 bis 20 mm aufweist, eine Länge von 10 bis 100 mm und eine Dicke von 100 µm bis 1,5 mm.As an example, it is stated that such a high-current conductor has a width of 1 to 20 mm, a length of 10 to 100 mm and a thickness of 100 μm to 1.5 mm.

In den 3 und 4 ist dargestellt, dass der Hochstromleiter 5 in seinen Dimensionen kleiner ist als die darauf befestigte Kupfer-Innenlage 2. Hierauf ist die Erfindung jedoch nicht beschränkt. Dies ist jedoch nicht lösungsnotwendig; die Kupfer-Innenlage 2 könnte auch kleiner dimensioniert sein als die Dimension des Hochstromleiters 5 bezüglich der Länge und Breite.In the 3 and 4 it is shown that the dimensions of the high-current conductor 5 are smaller than the copper inner layer 2 attached thereto. However, the invention is not limited to this. However, this is not necessary for the solution; the copper inner layer 2 could also be dimensioned smaller than the dimension of the high-current conductor 5 in terms of length and width.

In anderen Ausführungsbeispielen, die hier nicht dargestellt sind, ist es auch möglich, die Kupfer-Innenlage wegzulassen, weil die entsprechenden Anschlüsse 6, 7 und 3, 4 auch unmittelbar selbst auf dem Hochstromleiter 5 angebracht werden können. Die Kupfer-Innenlage 2 kann dann entfallen.In other exemplary embodiments, which are not shown here, it is also possible to omit the copper inner layer because the corresponding connections 6, 7 and 3, 4 can also be attached directly to the high-current conductor 5 itself. The copper inner layer 2 can then be omitted.

Die 5 zeigt als Ausführungsbeispiel einen Schnitt durch eine Mehrlagen-Leiterplatte, wobei hier wiederum als nicht beschränkendes Ausführungsbeispiel dargestellt ist, dass der Hochstromleiter 5 an seiner Unterseite mit der Kupfer-Innenlage 2 verbunden ist, wobei es lediglich notwendig ist, die elektrische Kontaktierung im Bereich der Messanschlüsse 3, 4 vorzusehen.the 5 FIG 3, 4 to be provided.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Strom über das Anschlusskabel 8 als Messstrom 12 zugeführt und über zwei kontaktierende Hochstromkontaktierungen 11, die kanalförmig ausgebildet sind, in den Hochstromleiter 5 eingeleitet, wo er in Längsrichtung des Hochstromleiters 5 fließt und einen zu erfassenden Spannungsabfall verursacht.In the exemplary embodiment shown, the current is supplied via the connection cable 8 as a measuring current 12 and is introduced into the high-current conductor 5 via two contacting high-current contacts 11, which are designed in the form of channels, where it flows in the longitudinal direction of the high-current conductor 5 and causes a voltage drop to be detected.

Auf der gegenüberliegenden Seite ist der Stromanschluss 7 in der gleichen Weise ausgebildet, wie der Stromanschluss 6, so dass der Strom am Anschlusskabel 9 wieder aus der Schaltung heraus fließt.On the opposite side, the power connection 7 is designed in the same way as the power connection 6, so that the current on the connection cable 9 flows out of the circuit again.

Wichtig ist, dass an den Messanschlüssen 3, 4, die elektrisch leitfähig mit dem Hochstromleiter 5 verbunden sind, ein Messabstand 11 definiert ist, an dem ein Spannungsabfall besteht. Dieser Spannungsabfall ist abhängig von einem Stromfluss durch den Hochstromleiter und damit ein unmittelbares Maß für den Strom, der erfasst werden soll.It is important that a measuring distance 11 is defined at the measuring terminals 3, 4, which are electrically conductively connected to the high-current conductor 5, at which there is a voltage drop. This voltage drop depends on a current flow through the high-current conductor and is therefore a direct measure of the current that is to be recorded.

In 6 ist ferner dargestellt, dass wiederum die Kupfer-Innenlage 2 an der Unterseite des Hochstromleiters 5 angeordnet ist und lediglich der Hochstromleiter mit dem Hochstromkontaktierungen 10 kontaktiert ist. Es ist zwar möglich, auch die Kupfer-Innenlage 2 mit dem Hochstrom zu versorgen, was jedoch nicht lösungsnotwendig ist. Entscheidend ist nur, dass an der Unterseite oder an einer beliebigen Stelle im Bereich zwischen den Stromanschlüssen 6, 7 des Hochstromleiters 5 Messanschlüsse 3, 4 in einem genau definierten Messabstand 11 angeordnet sind, zwischen denen der Spannungsabfall gemessen wird.In 6 is also shown that the copper inner layer 2 is again arranged on the underside of the high-current conductor 5 and only the high-current conductor is contacted with the high-current contacts 10 . Although it is possible to also supply the copper inner layer 2 with the high current, this is not necessary for the solution. The only decisive factor is that measuring connections 3, 4 are arranged at a precisely defined measuring distance 11 on the underside or at any point in the area between the power connections 6, 7 of the high-current conductor 5, between which the voltage drop is measured.

In der allgemeinen Beschreibung wurde bereits schon darauf hingewiesen, dass die Kupfer-Innenlage 2 auch vollständig entfallen kann, sofern die Messanschlüsse 3, 4 unmittelbar als elektrische Kontakte an dem Hochstromleiter 5 angeordnet sind.In the general description, it has already been pointed out that the copper inner layer 2 can also be omitted entirely if the measuring connections 3, 4 are arranged directly on the high-current conductor 5 as electrical contacts.

Die Anlagefläche 14 nach 6 zwischen dem Hochstromleiter 5 und der Kupfer-Innenlage 2 muss also nicht elektrisch leitfähig sein, sie kann aber elektrisch leitfähig ausgebildet sein. Die Kontaktstelle 15 ist die Kontaktstelle zwischen der Kupfer-Innenlage 2 und dem Hochstromleiter 5.The contact surface 14 after 6 between the high-current conductor 5 and the copper inner layer 2 does not have to be electrically conductive, but it can be designed to be electrically conductive. The contact point 15 is the contact point between the copper inner layer 2 and the high-current conductor 5.

In den gezeigten Ausführungsbeispielen nach 7 und 8 ist dargestellt, dass auch mehrere getrennt voneinander angeordnete Vierpolstrommesselemente 20, 20a, 20b in einen beliebigen Leiterplattenaufbau integriert werden können. Sie können nebeneinander oder übereinander angeordnet werden, so wie dies in 8 dargestellt ist.In the exemplary embodiments shown 7 and 8th It is shown that several four-pole current measuring elements 20, 20a, 20b arranged separately from one another can also be integrated into any printed circuit board structure. They can be placed side by side or on top of each other, as shown in 8th is shown.

Als weiteres wesentliches Ausführungsbeispiel zeigt jedoch die 9, dass es nicht lösungsnotwendig ist, ein Vierpolstrommesselement als separates Bauteil in einer Leiterplatte zu integrieren. In einer anderen Ausgestaltung ist es nämlich vorgesehen, dass eine beliebige hochstromführende Leiterbahn, die in 9 dargestellt ist, als Hochstromleiter 5 verwendet wird. Hier wäre als erstes Ausführungsbeispiel das erste Vierpolstrommesselement 20 als u-förmiger Hochstromleiter 5 ausgebildet, und es ist erkennbar, dass es lediglich wesentlich ist, zwischen zwei Messanschlüssen 3, 4 einen definierten Messabstand 11 vorzusehen, um dazwischen den Spannungsabfall zu messen. Die Messanschlüsse 3, 4 können auch an einer anderen Stelle des Hochstromleiters angeordnet werden, wie dies beispielsweise in der 9 mit 3a und 4a dargestellt ist.As another essential embodiment, however, shows the 9 that it is not necessary for the solution to integrate a four-pole current measuring element as a separate component in a printed circuit board. In another embodiment, it is provided that any high-current-carrying conductor track that is 9 is shown, is used as a high-current conductor 5. Here, as a first exemplary embodiment, the first four-pole current measuring element 20 would be designed as a U-shaped high-current conductor 5, and it can be seen that it is only essential to provide a defined measuring distance 11 between two measuring connections 3, 4 in order to measure the voltage drop between them. The measuring terminals 3, 4 can also be arranged at a different point of the high-current conductor, as is the case, for example, in FIG 9 as shown at 3a and 4a.

Die 9 zeigt als zweites Ausführungsbeispiel ein Vierpolstrommesselement, welches unmittelbar aus einem Hochstromleiter 5 besteht, der in den Leiterplattenaufbau eingebunden ist und der zur Ausführung von anderen elektrischen Aufgaben bestimmt ist. Beispielsweise wird mit dem Hochstrom ein Bauteil 17 versorgt und auf der Leiterplatte 1 sind noch weitere Leiterbahnen 16 angeordnet.the 9 shows a four-pole current measuring element as a second exemplary embodiment, which consists directly of a high-current conductor 5, which is integrated into the printed circuit board structure and is intended for performing other electrical tasks. For example, a component 17 is supplied with the high current and further conductor tracks 16 are arranged on the printed circuit board 1 .

Somit kann jede beliebige, hochstromführende Leiterbahn, wie hier der Hochstromleiter 5 als Vierpolstrommesselement verwendet werden, weil im Bereich dieses Elementes wiederum zwei voneinander beabstandete Messanschlüsse 3, 4 vorhanden sind, zwischen denen der Messabstand 11 gegeben ist, an denen der Spannungsabfall gemessen wird.Thus, any high-current-carrying conductor track, such as the high-current conductor 5 here, can be used as a four-pole current measuring element, because in the area of this element there are again two spaced measuring connections 3, 4, between which there is a measuring distance 11, at which the voltage drop is measured.

Somit ist es in jedem beliebigen Leiterplattenaufbau möglich, einen bereits dort schon verwendeten und für andere Schaltungsaufgaben zugeordneten Hochstromleiter 5 zusätzlich noch als Vierpolstrommesselement auszubilden.It is thus possible in any printed circuit board structure to additionally design a high-current conductor 5 already used there and assigned for other circuit tasks as a four-pole current measuring element.

BezugszeichenlisteReference List

11
Leiterplattecircuit board
22
Kupfer-Innenlagecopper inner layer
33
Messanschlüssemeasurement connections
44
Messanschlüssemeasurement connections
55
Hochstromleiterhigh-current conductor
66
Stromanschlusspower connection
77
Stromanschlusspower connection
88th
Anschlusskabelconnection cable
99
Anschlusskabelconnection cable
1010
Hochstromkontaktierunghigh-current contacting
1111
Messabstandmeasuring distance
1212
Messstrommeasuring current
1313
1414
Anlageflächecontact surface
1515
Kontaktstellecontact point
1616
Leiterbahnentraces
1717
Bauteilcomponent
1818
Messanschlussmeasurement port
1919
Messanschlussmeasurement port
2020
Vierpolstrommesselementfour-pole current measuring element

Claims (7)

Leiterplatte (1) mit mindestens einem (Vierpol-)Strommesselement (20), welches aus mindestens einem Hochstromleiter (5) besteht, der mit zwei beabstandeten Stromanschlüsse (6, 7) verbunden ist, zwischen welchen zwei beabstandete Messanschlüsse (3, 4) angeordnet sind, wobei das (Vierpol-) Strommesselement (20) als Shunt ausgebildet ist und in den Aufbau der Leiterplatte (1) integriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte mindestens eine Kupfer-Innenlage (2) aufweist, welche mindestens im Bereich der Stromanschlüsse (6, 7) und der Messanschlüsse (4, 5) mit dem Hochstromleiter (5) kontaktiert ist.Circuit board (1) with at least one (four-pole) current measuring element (20), which consists of at least one high-current conductor (5) which is connected to two spaced power connections (6, 7), between which two spaced measurement connections (3, 4) are arranged where the (four-pole) current measuring element (20) is designed as a shunt and is integrated into the structure of the printed circuit board (1), characterized in that the printed circuit board has at least one copper inner layer (2) which is at least in the area of the power connections (6, 7) and the measuring terminals (4, 5) are in contact with the high-current conductor (5). Leiterplatte (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Vierpolstrommesselement (20) Teil einer Leiterbahnführung ist.Circuit board (1) after claim 1 , characterized in that the four-pole current measuring element (20) is part of a printed conductor guide. Leiterplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (1) mindestens zwei Hochstromkontaktierungen (10) aufweist, welche mit mindestens zwei Anschlusskabel (8, 9) verbunden sind, um Strom in den Hochstromleiter (5) ein- und/oder auszuleiten.Printed circuit board (1) according to one of Claims 1 or 2 , characterized in that the printed circuit board (1) has at least two high-current contacts (10) which are connected to at least two connecting cables (8, 9) in order to feed current into and/or out of the high-current conductor (5). Leiterplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanschlüsse (3, 4) mit einem definierten Messabstand (11) leitfähig mit dem Hochstromleiter (5) verbunden sind.Printed circuit board (1) according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the measuring connections (3, 4) are conductively connected to the high-current conductor (5) at a defined measuring distance (11). Leiterplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich eine Kontaktstelle auf der Oberfläche des Hochstromleiters (5) angeordnet ist und ausgehend von dieser Kontaktstelle entfernt die Messanschlüsse (3, 4) angeordnet sind.Printed circuit board (1) according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that only one contact point is arranged on the surface of the high-current conductor (5) and the measuring connections (3, 4) are arranged at a distance from this contact point. Leiterplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Hochstromleiters (5) ein Temperaturmesselement angeordnet ist.Printed circuit board (1) according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that a temperature measuring element is arranged in the area of the high-current conductor (5). Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte (1) mit mindestens einem (Vierpol-)Strommesselement (20), welches mindestens einen Hochstromleiter (5) aufweist, der mit zwei beabstandeten Stromanschlüsse (6, 7) verbunden ist, zwischen welchen zwei beabstandete Messanschlüsse (3, 4) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass in einem separaten Herstellungsprozess das Vierpolstrommesselemente (20) hergestellt wird, welches anschließend bei der Herstellung der Leiterplatte (1) im Leiterplattenaufbau integriert wird, wobei die Kupfer-Innenlage (2) mindestens im Bereich der Stromanschlüsse (6, 7) und der Messanschlüsse (4, 5) mit dem Hochstromleiter (5) kontaktiert wird.Method for producing a printed circuit board (1) with at least one (four-pole) current measuring element (20), which has at least one high-current conductor (5) which is connected to two spaced-apart power connections (6, 7), between which two spaced-apart measuring connections (3, 4) are arranged, characterized in that the four-pole current measuring element (20) is produced in a separate production process, which is then integrated into the circuit board structure during the production of the circuit board (1), the copper inner layer (2) being at least in the region of the power connections ( 6, 7) and the measuring connections (4, 5) are contacted with the high-current conductor (5).
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