DE102015109009A1

DE102015109009A1 - Stromsensorchip mit Magnetfeldsensor

Info

Publication number: DE102015109009A1
Application number: DE102015109009.0A
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2015-06-08
Filing date: 2015-06-08
Publication date: 2016-12-08
Also published as: CN106249021B; US20160356820A1; US11187729B2; US10545179B2; CN106249021A; US20200150152A1

Abstract

Es wird hier ein Stromsensorchip beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Stromsensorchip ein erstes Magnetfeldsensorelement auf, das dazu ausgebildet ist, ein erstes analoges Sensorsignal zu erzeugen, welches ein Magnetfeld repräsentiert, das von einem Primärstrom bewirkt wird, der durch einen externen Primärleiter fließt. Der Stromsensorchip weist des Weiteren einen Analog-Digital-Wandler auf, der mit dem ersten Magnetfeldsensorelement gekoppelt und dazu ausgebildet ist, basierend auf dem ersten analogen Sensorsignal ein digitales Sensorsignal zu erzeugen. Ein digitaler Signalprozessor ist mit dem Analog-Digital-Wandler gekoppelt, um das digitale Sensorsignal zu empfangen, und dazu ausgebildet, basierend auf dem digitalen Sensorsignal, sowie basierend auf in einem Speicher gespeicherten Kalibrierparametern ein korrespondierendes Strommesssignal zu bestimmen, das den Primärstrom repräsentiert. Ein externer Ausgangspin des Stromsensorchips ist mit dem ersten Magnetfeldsensorelement gekoppelt, um das erste analoge Sensorsignal oder ein mittels analoger Signalverarbeitung davon abgeleitetes Analogsignal zu empfangen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung betreffen das Gebiet der Strommessung mittels Magnetfeldsensoren.
HINTERGRUND
Eine berührungslose Strommessung kann mittels eines Magnetfeldsensors realisiert werden, um das von einem durch einen Primärleiter fließenden Strom (in der Folge als Primärstrom bezeichnet) verursachte Magnetfeld zu messen. Das von dem Primärstrom verursachte Magnetfeld hängt von der Stärke des Primärstroms ab. Für das Beispiel eines langen geraden Drahtes, der einen Primärstrom i_P führt, ist die Stärke des resultierenden Magnetfeldes H in einem Abstand d von dem Draht direkt proportional zum Primärstrom i_P. Gemäß dem Gesetz von Biot-Savart ist der Betrag des Magnetfelds H gleich H = i_P/(2πd), wenn der Draht sehr lang (theoretisch unendlich lang) im Vergleich zum Abstand d ist. In der Praxis wird ein Chipgehäuse, welches das Magnetfeldsensorelement (z.B. einen Hallsensor) beinhaltet, nahe dem Primärleiter platziert. Das Chipgehäuse wird auch als Sensorgehäuse (sensor package) oder Stromsensorgehäuse bezeichnet. Das Magnetfeldsensorelement (oder kurz: der Magnetfeldsensor), der in dem Chipgehäuse enthalten ist, ist folglich dem Magnetfeld ausgesetzt, das durch den Primärstrom verursacht wird, und das von dem Magnetfeldsensorelement bereitgestellte Sensorsignal (üblicherweise ein Spannungssignal) ist proportional zur Stärke des magnetischen Feldes und folglich auch proportional zum Primärstrom.
Übliche Hallsensoren und magnetoresistive Sensoren werden zur berührungslosen Strommessung verwendet. Magnetoresistive Sensoren werden häufig als XMR-Sensoren bezeichnet, was ein Sammelbegriff für anisotrope magnetoresistive (AMR-), riesen-(giant) magnetoresistive (GMR-), tunnel-magnetoresistive (TMR-) und kolossal-magnetoresistive (CMR-)Sensoren ist. Das Sensorgehäuse kann auch eine Signalverarbeitungsschaltung enthalten, welche das Signal von dem Magnetfeldsensorelement (auch als Sensorsignal bezeichnet) empfängt und von dem Sensorsignal ein Messsignal ableitet, das den Primärstrom repräsentiert.
Eine Messvorrichtung für die berührungslose Strommessung (auch bezeichnet als Stromsensor) beinhaltet üblicherweise einen weichmagnetischen Kern oder einen Flusskonzentrator, um das von dem Primärstrom bewirkte Magnetfeld auf das Magnetfeldsensorelement zu lenken. Der weichmagnetische Kern kann auch das Magnetfeldsensorelement von störenden externen Magnetfeldern, welche Messfehler verursachen können, abschirmen. Jedoch kann die Verwendung eines leichtmagnetischen Kerns oder von Flusskonzentratoren aufgrund der nicht-linearen Kennlinie und der Hysterese des weichmagnetischen Kerns zu unerwünschten Effekten führen. Die Hysterese des Kerns kann zu einem Nullpunktfehler in der Strommessung führen. Um derartige Probleme zu vermeiden, wurden kernlose Stromsensoren entwickelt. Wenn man jedoch kernlose Stromsensoren verwendet, ist eine präzise Positionierung des Magnetfeldsensorelements relativ zum Primärleiter für eine genaue Strommessung entscheidend. Folglich müssen die Toleranzen für den Zusammenbau des Stromsensors relativ eng sein.
Im Allgemeinen wird die Genauigkeit einer kernlosen magnetischen Strommessung von der Geometrie des Primärleiters (auch als Stromschiene, current rail, bezeichnet) sowie von der Position des Primärleiters relativ zum Magnetfeldsensorelement beeinflusst. Um eine präzise relative Position von Primärleiter und Magnetfeldsensorelement sicherzustellen, können der Primärleiter und das Magnetfeldsensorelement in dem gleichen Chipgehäuse (Sensor-Package) integriert sein. Ein solcher Ansatz wird beispielsweise in der Stromsensorfamilie TLI4970 von Infineon verfolgt. Bei der Verwendung eines Stromsensors mit integrierter Stromschiene muss der den Primärstrom führende Primärleiter (z.B. ein Draht, ein Kabel, eine Stromschiene, etc.) getrennt (unterbrochen) werden, um das Chipgehäuse mit der integrierten Stromschiene einzufügen. In manchen Anwendungen ist das Trennen des Primärleiters entweder unerwünscht oder unmöglich. Bei der Verwendung eines Primärleiters, der sich vollständig außerhalb des Chipgehäuses, das das Magnetfeldsensorelement enthält, befindet, verbleibt das Problem, dass das gemessene Signal (welches den Primärstrom repräsentiert) stark von der Geometrie des Zusammenbaus von Primärleiter und Chipgehäuse abhängig ist ohne genaues Wissen über die Übertragungskennlinie (Primärstrom auf Messsignal) des Messaufbaus. Folglich besteht ein allgemeiner Bedarf an verbesserten Stromsensoren, welche eine präzise kernlose und berührungslose Strommessung erlauben.
ZUSAMMENFASSUNG
Es wird im Folgenden ein Stromsensorchip beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Stromsensorchip ein erstes Magnetfeldsensorelement auf, welches dazu ausgebildet ist, ein erstes analoges Sensorsignal zu erzeugen, das ein Magnetfeld repräsentiert, welches von einem durch einen externen Primärleiter fließenden Primärstrom bewirkt wird. Der Stromsensorchip weist des Weiteren einen Analog-Digital-Wandler auf, der mit dem ersten Magnetfeldsensorelement gekoppelt und dazu ausgebildet ist, ein digitales Sensorsignal basierend auf dem ersten analogen Sensorsignal zu erzeugen. Ein digitaler Signalprozessor ist mit dem Analog-Digital-Wandler gekoppelt, um das digitale Sensorsignal zu empfangen, und dazu ausgebildet, basierend auf dem digitalen Sensorsignal und basierend auf in einem Speicher gespeicherten Kalibrierungsparametern ein korrespondierendes Strommesssignal zu bestimmen, welches den Primärstrom repräsentiert. Ein externer Ausgangspin des Stromsensorchips ist mit dem ersten Magnetfeldsensorelement gekoppelt, um das erste analoge Sensorsignal oder ein davon mittels analoger Signalverarbeitung abgeleitetes Signal zu empfangen.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel weist der Stromsensorchip ein erstes Magnetfeldsensorelement auf, welches dazu ausgebildet ist, ein erstes analoges Sensorsignal als Antwort auf ein Magnetfeld, das von einem durch einen externen Primärleiter fließenden Primärstrom bewirkt wird, zu erzeugen. Der Stromsensorchip weist des Weiteren ein zweites Magnetfeldsensorelement auf, das dazu ausgebildet ist, ein zweites analoges Sensorsignal als Antwort auf ein Magnetfeld, das von dem durch den externen Primärleiter fließenden Primärstrom bewirkt wird, zu erzeugen. Ein Analog-Digital-Wandler ist mit dem zweiten Magnetfeldsensorelement gekoppelt und dazu ausgebildet, ein digitales Sensorsignal basierend auf dem zweiten analogen Sensorsignal zu erzeugen. Ein digitaler Signalprozessor ist mit dem Analog-Digital-Wandler gekoppelt, um das digitale Sensorsignal zu empfangen, und dazu ausgebildet, basierend auf dem digitalen Sensorsignal und basierend auf in einem Speicher gespeicherten Kalibrierungsparametern ein korrespondierendes Strommesssignal zu bestimmen, welches den Primärstrom repräsentiert. Ein externer Ausgangspin des Stromsensorchips ist mit dem ersten Magnetfeldsensorelement gekoppelt, um das erste analoge Sensorsignal oder ein davon mittels analoger Signalverarbeitung abgeleitetes analoges Signal zu empfangen.
Des Weiteren wird hier ein System zur Kalibrierung eines Stromsensorchips beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das System eine Strommessanordnung, welche einen Stromsensorchip und einen Primärleiter aufweist, der benachbart jedoch getrennt von dem Stromsensorchip angeordnet ist. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Stromsensorchip ein erstes Magnetfeldsensorelement auf, welches dazu ausgebildet ist, ein erstes analoges Sensorsignal als Antwort auf ein Magnetfeld zu erzeugen, welches von einem durch den Primärleiter fließenden Primärstrom bewirkt wird. Der Stromsensorchip weist des Weiteren einen Digital-Analog-Wandler auf, der mit dem Magnetfeldsensorelement oder mit einem zweiten Magnetfeldsensorelement gekoppelt und dazu ausgebildet ist, ein digitales Sensorsignal basierend auf dem ersten analogen Sensorsignal bzw. basierend auf einem zweiten analogen Sensorsignal zu erzeugen. Im letzteren Fall wird das zweite analoge Sensorsignal von dem zweiten Magnetfeldsensorelement erzeugt. Des Weiteren weist der Stromsensorchip einen Speicher zum Speichern von Kalibrierungsparametern sowie einen digitalen Signalprozessor auf, der dazu ausgebildet ist, die in dem Speicher gespeicherten Kalibrierungsparameter sowie das digitale Sensorsignal zu verwenden, um ein Strommesssignal, das den Primärstrom repräsentiert, zu bestimmen. Ein Ausgangspin des Stromsensorchips ist mit dem ersten Magnetfeldsensor gekoppelt, um das erste analoge Sensorsignal oder ein davon mittels analoger Signalverarbeitung abgeleitetes Sensorsignal zu empfangen und es als analoges Ausgangssignal bereitzustellen. Des Weiteren umfasst das System einen Testsignalgenerator, der dazu ausgebildet ist, einen modulierten Teststrom zu erzeugen, wobei der Testsignalgenerator mit dem Primärleiter gekoppelt ist, um den Teststrom als Primärstrom in den Primärleiter einzuspeisen. Des Weiteren umfasst das System einen Demodulator, der mit dem Ausgangspin des Stromsensorchips gekoppelt ist, um das analoge Ausgangssignal zu empfangen, wobei der Demodulator dazu ausgebildet ist, das analoge Ausgangssignal zu demodulieren und einen gemessenen Wert, der die Stärke des analogen Ausgangssignals repräsentiert, bereitzustellen. Eine Steuerung ist mit dem Stromsensorchip gekoppelt, um Kalibrierungsparameter, die auf dem die Stärke des analogen Ausgangssignal repräsentierenden Messwert basieren, hin zu dem Speicher des Stromsensorchips zu übertragen.
Des Weiteren wird in der Folge ein Verfahren zum Kalibrieren eines Stromsensorchips beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren: Das Bereitstellen einer Strommessanordnung, die einen Stromsensorchip und einen Primärleiter aufweist, der benachbart jedoch getrennt von dem Stromsensorchip angeordnet ist; das Erzeugen eines modulierten Teststroms mit einer bestimmten Stärke und das Einspeisen des modulierten Teststroms – als Primärstrom – in den Primärleiter, wodurch ein Magnetfeld bewirkt wird; und das Abgreifen eines analogen Ausgangssignals an einem externen Pin des Stromsensorchips, wobei das analoge Ausgangssignal ein analoges Sensorsignal oder ein davon mittels analoger Signalverarbeitung abgeleitetes Signal ist, und wobei das analoge Sensorsignal von einem in dem Stromsensorchip enthaltenen Magnetfeldsensor erzeugt wird. Des Weiteren umfasst das Verfahren das Demodulieren des analogen Ausgangssignals, um einen Messwert zu erzeugen, der den Betrag des analogen Ausgangssignals repräsentiert, wobei basierend auf dem Messwert Kalibrierungsparameter bestimmt werden und die Kalibrierungsparameter in einem in dem Stromsensorchip enthaltenen Speicher gespeichert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
Die Erfindung lässt sich mit Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und Abbildungen besser verstehen. Die in den Figuren dargestellten Komponenten sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, vielmehr wird Wert darauf gelegt, die der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen. Des Weiteren bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen korrespondierende Teile. Zu den Abbildungen:
1 ist ein Blockdiagramm, das einen exemplarischen Stromsensorchip mit integriertem Primärleiter und Digitalausgang darstellt.
2 ist ein Blockdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Stromsensorchips zur Verwendung mit einem externen Primärleiter darstellt; der Stromsensor hat einen Digitalausgang, sowie einen analogen Ausgang, der ein analoges Sensorsignal eines integrierten Hallsensors zur Kalibrierung des Stromsensors bereitstellt.
3 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel eines Stromsensors zur Verwendung mit einem externen Primärleiter darstellt; der Stromsensor hat einen integrierten Hallsensor sowie einen integrierten magnetoresistiven Sensor, wobei das Sensorsignal des Hallsensors digitalisiert und einem Digitalausgang (nach einiger Signalverarbeitung) zugeführt wird, und wobei das Sensorsignal des magnetoresistiven Sensors einem analogen Ausgang zur Kalibrierung des Stromsensors zugeführt wird.
4 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel der für die Kalibrierung des Sensors aus 3 verwendeten Anordnung darstellt.
5 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel der für die Kalibrierung des Sensors aus 2 verwendeten Anordnung darstellt.
6 ist ein Flussdiagramm, welches ein exemplarisches Verfahren zur Kalibrierung eines Stromsensorchips darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Das Blockdiagramm aus 1 stellt als illustratives Beispiel einen Stromsensorchip 2' mit einem integrierten Hallsensor 20 sowie mit einem Primärleiter 1' (integrierte Stromschiene) dar. Der Primärleiter 1' wird durch das Chipgehäuse des Chips 2' geleitet und ist folglich magnetisch mit dem Hallsensor 20 gekoppelt. Da sowohl der Hallsensor 20, als auch der Primärleiter 1' im selben Chipgehäuse angeordnet sind, ist die Position den Hallsensors 20 relativ zum Primärleiter 1' wohldefiniert. Daher kann die Stärke des Magnetfelds H (in der empfindlichen Richtung des Hallsensors 20) an der Position des Hallsensors 20 sehr genau bestimmt werden. Im Allgemeinen ist der Betrag des Magnetfelds H proportional zu dem Primärstrom i_P, das heißt H = k·i_P, wobei die Konstante k zwischen null und (2πd)^–1 liegt, was das theoretische Limit für einen unendlich langen, geraden Primärleiter ist. Üblicherweise wird ein Hallsensor durch einen plattenförmigen Leiter mit definierter Länge, Breite und Dicke gebildet; der Sensor wird mit einem konstanten Sensorstrom versorgt. Die analoge Ausgangsspannung V_H des Hallsensors 20 (Hallspannung) kann berechnet werden als V_H = A_H·i_H·µ₀·H/t, wobei A_H der Hallkoeffizient (in m³/C), µ₀ die Permeabilitätskonstante, i_H der konstante Sensorstrom und t die Dicke der Hallplatte ist. Wie man aus der obigen Gleichung sehen kann, ist die Sensorspannung proportional zur Stärke des Magnetfelds und das magnetische Feld ist proportional zum Primärstrom, wobei die Proportionalitätsfaktoren lediglich von Parametern (k, A_H, i_H, µ₀, t) abhängen, die entweder konstant sind oder vom Design des Stromsensorchips abhängen.
Gemäß dem Beispiel aus 1 wird die Sensorspannung V_H mittels eines Analog-Digital-Wandlers 21 digitalisiert. Das resultierende digitale Sensorsignal wird mit V_DIG bezeichnet. Selbstverständlich kann die Sensorspannung V_H verstärkt und gefiltert werden, bevor sie dem Analog-Digital-Wandler 21 zugeführt wird. Verstärker und Filter, die Konstantstromquelle, die den Sensorstrom i_H bereitstellt, Stromversorgungsschaltungen, sowie andere Schaltungskomponenten, die für die vorliegende Diskussion nicht notwendig sind, wurden jedoch in den Abbildungen weggelassen, um die Darstellung einfach zu halten. Das digitale Sensorsignal wird einem digitalen Signalprozessor 30 (der z.B. in einem Mikrocontroller enthalten ist) zugeführt. Der digitale Signalprozessor (DSP) 30 kann dazu ausgebildet sein, basierend auf dem digitalen Sensorsignal V_DIG und den oben erwähnten Proportionalitätsfaktoren einen digitalen Messwert, der den Primärstrom repräsentiert, zu berechnen. Des Weiteren kann der DSP dazu ausgebildet sein, Kreuzempfindlichkeiten in Bezug auf andere physikalische Parameter wie zum Beispiel auf Temperatur und Chipdehnungen (chip strain) zu kompensieren. Information bezüglich Temperatur und Chipdehnungen kann man mittels Verwendung dedizierter Sensoren (in 1 nicht dargestellt) erhalten, deren Ausgangssignale ebenso digitalisiert und dem DSP zugeführt werden können. Insbesondere ist der Hallkoeffizient A_H temperaturabhängig, und folglich ist der Proportionalitätsfaktor zwischen dem Magnetfeld H und der Sensorspannung auch temperaturabhängig. Da jedoch die Temperaturkennlinie des Hallkoeffizienten A_H bekannt ist, kann die Querempfindlichkeit in Bezug auf Temperatur kompensiert werden, wenn die Temperatur gemessen wird. In manchen Ausführungsformen kann die mechanische Spannung (chip stress) im Chip (oder die Dehnung, strain) gemessen werden, um eine Kompensation der Querempfindlichkeit in Bezug auf die Chipspannung ebenso zu ermöglichen. Die gemessenen Temperatur- und Spannungssignale (stress signal) können digitalisiert und dem DSP 30 zugeführt werden. Die gemessenen Temperatur- und Spannungssignale können einer externen Vorrichtung zur Verfügung gestellt werden (z.B. durch Übertragung der Messwerte als digitale Information über ein Kommunikations-Interface, siehe unten). Alternativ können die gemessenen Temperatur- und Spannungssignale auch einer externen Vorrichtung über einen dedizierten Chip-Pin zur Verfügung gestellt werden (nicht dargestellt).
Um mit externen elektronischen Vorrichtungen (z.B. einer externen Steuereinheit (in 1 nicht dargestellt) zu kommunizieren, kann der DSP 30 eine Kommunikations-Interfaceschaltung (oder kurz: Kommunikations-Interface) aufweisen, die es ermöglicht, die gemessenen Stromwerte digital, z.B. über einen Datenbus, zu übertragen. Im vorliegenden Beispiel kommuniziert der DSP 30 über einen Serial Peripheral Interface (SPI) Bus. Der Stromsensor ist ein Bus-Slave und empfängt ein Chip-Select-Signal (CS) und ein Taktsignal (SCLK) von einem Bus-Master (z.B. der externen Steuereinheit) über dedizierte Chip-Pins und stellt einen seriellen Datenstrom DOUT an einem Ausgangspin des Sensorchips 2' zur Verfügung. Der DSP 30 kann eine beliebige Digitalschaltung sein, die für die Verarbeitung digitaler Signale geeignet ist. Der DSP 30 kann einen softwaregesteuerten Prozessor (Central Processing Unit, CPU) aufweisen sowie zusätzliche festverdrahtete Digital- und Analogschaltungen. Alternativ kann der DSP aus festverdrahteten Digitalschaltungen sowie optionalen Analogschaltungen aufgebaut sein. Beispielsweise kann der DSP mittels eines Field Programmable Gate Array (FPGA), eines Programmable Logic Array (PLA) oder eines Complex Programmable Logic Device (CPLD) implementiert sein. Alternativ kann der DSP in einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (Application Specific Integrated Circuit, ASIC) enthalten sein.
Das Blockdiagramm aus 2 stellt einen exemplarischen Stromsensorchip 2 mit einem integrierten Hallsensor 20 dar, der magnetisch mit einem externen (d.h. außerhalb des Chipgehäuses befindlichen) Primärleiter 1 gekoppelt ist. In diesem Kontext bezeichnet "Stromsensorchip" den gehäusten Chip, der ein oder mehrere Halbleiterplättchen (semiconductor dies) mit integrierten Schaltungen enthalten kann. Die Verwendung eines externen Primärleiters ermöglicht die berührungslose Strommessung ohne die Notwendigkeit, den Primärleiter 1 zu trennen, um eine integrierte Stromschiene einzufügen. Stattdessen ist der Stromsensorchip 2 an dem Primärleiter 1 fixiert (z.B. auf diesen geklemmt). Der in dem Sensorchip 2 enthaltene Hallsensor 20 kann identisch oder ähnlich wie in dem vorherigen Beispiel sein und folglich wird auf die obige Beschreibung Bezug genommen. Jedoch ist der Proportionalitätsfaktor (k = H/i_P) zwischen dem Primärstrom i_P und dem Magnetfeld H nicht a priori bekannt, da die Position des Sensorchips 2 (und folglich die Position des Hallsensors 20) relativ zum Primärleiter zu dem Zeitpunkt, zu dem der Sensorchip 2 produziert wird, nicht bekannt ist. Folglich hängt der Proportionalitätsfaktor von der Verwendung des Chips 2 und der Geometrie der Strommessanordnung ab, in der der Sensorchip 2 verwendet wird.
Wie in dem vorherigen Beispiel wird die Sensorspannung V_H des Hallsensors 20 digitalisiert (z.B. nach Verstärkung und Filterung) und das resultierende digitale Sensorsignal V_DIG wird dem DSP 30 zugeführt. Der digitale Signalprozessor (DSP) 30 kann dazu ausgebildet sein, basierend auf dem digitalen Sensorsignal V_DIG und den oben erwähnten Proportionalitätsfaktoren einen digitalen Messwert zu berechnen, der den durch den externen Primärleiter 1 fließenden Primärstrom i_P repräsentiert. Zu diesem Zweck kann ein kalibrierter Proportionalitätsfaktor k (k = H/i_P) oder K (K = V_H/i_P) mittels im Speicher 31 gespeicherten Kalibrierungsdaten gewonnen werden. In diesem Kontext beziehen sich Kalibrierungsdaten auf beliebige Daten, die dazu verwendet werden können, um einen kalibrierten Wert für den Proportionalitätsfaktor zu bestimmen. Beispielsweise kann der kalibrierte Proportionalitätsfaktor im Speicher 31 gespeichert sein. Alternativ können die Kalibrierungsdaten Korrekturdaten aufweisen, welche dazu verwendet werden können, um den kalibrierten Wert aus einem Nennwert zu bestimmen. Der Speicher 31 kann mit dem DSP 30 verbunden sein, der dazu ausgebildet ist, mit einer externen Steuereinheit (oder einer beliebigen anderen externen Vorrichtung) über einen Datenbus oder eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung zu kommunizieren. Das digitale Kommunikations-Interface des DSP 30 wurde bereits mit Bezug auf 1 beschrieben. Im vorliegenden Beispiel kann der DSP 30 zusätzlich einen Eingangsdatenstrom DIN empfangen (z.B. gemäß dem SPI-Standard), der es einer externen Steuereinheit (oder einer beliebigen anderen externen Vorrichtung) ermöglicht, Kalibrierungsdaten (und beliebige andere Daten) an den DSP zu senden, der die Kalibrierungsdaten im Speicher 31 speichert oder zuvor gespeicherte Kalibrierungsdaten aktualisiert.
Um die Kalibrierung der Vorrichtung zu ermöglichen, kann ein Teststrom i_TEST in dem Primärleiter als Primärstrom (i_P = i_TEST) eingespeist werden. Der Stromsensor ist üblicherweise dazu ausgebildet, vergleichsweise hohe Ströme (z.B. 100 A oder mehr) zu messen. Um die Komplexität der für die Kalibrierung verwendeten Anordnung gering zu halten, ist es wünschenswert, einen vergleichsweise niedrigen Teststrom i_TEST (z.B. 1 A oder weniger) zu verwenden. Jedoch hat ein so kleiner Teststrom i_TEST ein entsprechend kleines Sensorsignal V_H mit einem niedrigen Signal-Rausch-Verhältnis (signal-to-noise ratio, SNR) zur Folge. In der Praxis kann das SNR weniger als 0 dB betragen. Zum Zwecke der Kalibrierung wird das analoge Sensorsignal V_H (Hallspannung) an einem externen Chip-Pin bereitgestellt, der in der 2 mit CAL beschriftet ist. Das heißt, der Ausgang des Hallsensors 20 kann mit dem Chip-Pin CAL direkt verbunden sein, oder das Sensorsignal V_H kann vorverstärkt werden (Verstärker 22), während der Verstärkerausgang mit dem Chip-Pin CAL verbunden ist. Der Kalibrierungsvorgang, sowie die Kalibrierungsanordnung werden später unter Bezugnahme auf die 4 und 5 diskutiert. Im Allgemeinen kann das analoge Sensorsignal V_H oder ein beliebiges von dem analogen Signal mittels analoger Signalverarbeitung abgeleitetes Signal dem externen Chip-Pin CAL zugeführt sein. In diesem Kontext kann "analoge Signalverarbeitung" eine beliebige Art von Signalverarbeitung umfassen, die nicht die Quantisierung analoger Signale (zur Gewinnung wertdiskreter Signale), welche die Information über das Magnetfeld H beinhalten, umfasst. In der Praxis kann ein Puffer dazu verwendet werden, um das (vorverstärkte) analoge Sensorsignal von dem Ausgangsanschluss zu entkoppeln (z.B. um das Ansteuern einer großen kapazitiven Last an dem Ausgangsanschluss CAL zu ermöglichen). Jedoch kann der Pufferverstärker auch als Teil der Ausgangsstufe des Verstärkers 22 angesehen werden.
Das Beispiel aus 2 beinhaltet auch einen Temperatursensor 26 und einen Chipspannungssensor 27 (chip stress sensor), der dazu ausgebildet ist, ein Sensorsignal zu erzeugen, das die mechanische Spannung in dem Halbleiterplättchen repräsentiert, in dem der Magnetfeldsensor 20 integriert ist. Die Information betreffend Temperatur und Chipspannung (chip stress) wird dem DSP 30 zur Verfügung gestellt, welcher folglich dazu ausgebildet sein kann, Querempfindlichkeiten des Magnetfeldsensors in Bezug auf Temperatur und Chipspannung zu kompensieren. Des Weiteren kann die Information betreffend die Temperatur und/oder die Chipspannung externen Vorrichtungen zur Verfügung gestellt werden, z.B. über das erwähnte Kommunikations-Interface, das in dem DSP 30 enthalten ist.
3 stellt ein alternatives Ausführungsbeispiel dar. Der Stromsensor aus 3 ist ähnlich dem Stromsensor aus 2, hat jedoch einen zweiten Magnetfeldsensor (XMR-Sensor 25) zusätzlich zum Hallsensor 20 (dem ersten Magnetfeldsensor). Der erste und der zweite Magnetfeldsensor sind nahe beieinander angeordnet, so dass sie praktisch das gleiche Magnetfeld H oder eng zueinander in Beziehung stehende Feldkomponenten des Magnetfelds H „sehen“. Auch wenn sie jedoch – was der Fall sein kann – nicht exakt das gleiche Magnetfeld sehen, kann das Magnetfeld an der Position des ersten Magnetfeldsensors basierend auf dem Magnetfeld am zweiten Magnetfeldsensor extrapoliert werden, da die Positionen der beiden Sensoren relativ zueinander innerhalb des Chipgehäuses wohl definiert sind. Beispielsweise kann der Hallsensor auf eine vertikale Komponente des Magnetfelds H empfindlich sein, wohingegen der XMR-Sensor auf eine horizontale Komponente empfindlich ist (unter der Annahme, dass das Halbleiterplättchen in einer horizontalen Ebene platziert ist). In diesem Fall würden die horizontalen und vertikalen Feldkomponenten korrelieren und eine Komponente könnte aus der anderen abgeleitet werden. In dem vorliegenden Beispiel wird der Ausgang des Hallsensors 20 digitalisiert und in der gleichen Weise verarbeitet, wie in dem vorherigen Beispiel aus 2. Auch das digitale Kommunikations-Interface (Bus-Interface) ist das gleiche wie in dem vorherigen Beispiel. Jedoch wird das analoge Sensorsignal, das am Chip-Pin CAL bereitgestellt wird, nicht von dem Hallsensor 20 (wie es im Beispiel aus 2 der Fall ist) zur Verfügung gestellt, sondern vielmehr von dem XMR-Sensor 25, der typischerweise eine signifikant höhere Empfindlichkeit als der Hallsensor 20 aufweist. Optional kann das Sensorsignal V_D, welches von dem XMR-Sensor 25 bereitgestellt wird, vor dem Zuführen an den Chip-Pin CAL verstärkt werden (und, was der Fall sein kann, gepuffert werden). Schließlich sei angemerkt, dass anstatt von lateralen Hallsensoren auch sogenannte vertikale Hallsensoren verwendet werden können. Vertikale Hallsensoren, welche üblicherweise in CMOS Technologie implementiert werden, sind auch empfindlich auf laterale (in-plane) Feldkomponenten (wie XMR-Sensoren).
4 zeigt eine Anordnung zum Kalibrieren des Stromsensors aus 3. Der Sensorchip, der in 4 gezeigt ist, ist identisch mit dem Sensorchip aus 3. Die Anordnung aus 4 weist zusätzlich eine Steuerung 40 (z.B. einen Computer mit geeigneten Peripheriekomponenten), einen Testsignalgenerator 41, sowie einen Lock-in-Verstärker 45 auf, der synchron mit dem Testsignalgenerator 41 arbeitet. Der Testsignalgenerator ist dazu ausgebildet, ein moduliertes Testsignal (ein einfaches Sinussignal im vorliegenden Beispiel) zu erzeugen, welches dem Primärleiter zugeführt wird und folglich einen Teststrom i_TEST zur Folge hat, der durch den Primärleiter 1 fließt. Der Teststrom i_TEST ist entweder bekannt (d.h. durch entsprechendes Design des Testsignalgenerators 41) oder wird separat gemessen (z.B. mittels eines Strommesswiderstands im Strompfad des Teststroms i_TEST). Der Teststrom i_TEST hat ein entsprechendes Magnetfeld an der Position des Hallsensors 20 und an der Position des XMR-Sensors 25 zur Folge. Der XMR-Sensor 25 stellt ein korrespondierendes Analogsignal V_D bereit, welches an dem externen Pin CAL des Sensorchips 2 bereitgestellt wird. Im vorliegenden Beispiel eines sinusförmigen Teststroms, hat das Sensorsignal V_D ebenso einen sinusförmigen Verlauf mit der gleichen Frequenz wie der Teststrom.
Das analoge Sensorsignal V_D wird an dem externen Chip-Pin CAL abgegriffen und einem Demodulator zugeführt, der im vorliegenden Beispiel ein Lock-in-Verstärker ist. Der Lock-in-Verstärker 45 demoduliert das sinusförmige Sensorsignal V_D, um dessen Amplitude zu messen. Die gemessene Amplitude des Sensorsignals V_D wird von der Kalibrierungssteuerung 40 eingelesen. Für einen gegebenen Teststrom i_TEST und basierend auf der bekannten Sensorkennlinie (Kennlinie V_D/H) des XMR-Sensors 25 kann die Steuerung 40 den Betrag des Magnetfelds H an der Position der Magnetfeldsensoren 20, 25 berechnen; und basierend auf dem Magnetfeld H kann die Steuerung auch den (kalibrierten) Proportionalitätsfaktor k (k = H/i_P) für den Hallsensor berechnen. Der auf diese Weise gewonnene Proportionalitätsfaktor k kann an den DSP 30 über das digitale Bus-Interface (serieller Datenstrom DIN) gesendet und – als Kalibrierungsdaten – im Speicher 31 des Sensorchips gespeichert werden. Die gespeicherten Kalibrierungsdaten können dann bei späteren Messungen, die auf dem von dem Hallsensor 20 bereitgestellten Sensorsignal V_H basieren, verwendet werden.
5 stellt eine Anordnung zum Kalibrieren des Stromsensors aus 2 dar. Die Anordnung ist im Wesentlichen die gleiche wie im vorherigen Beispiel gemäß 4. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die obige Beschreibung der 4 verwiesen. 5 illustriert jedoch wie der Teststrom i_TEST in dem Primärleiter 1 über eine galvanische Isolation eingespeist wird. Im vorliegenden Beispiel ist die galvanische Isolierung durch die Entkopplungskondensatoren C₁ und C₂ implementiert, welche zwischen einen ersten Ausgang des Testsignalgenerators 41 und ein Ende des externen Primärleiters 1 beziehungsweise zwischen einen zweiten Anschluss des Testsignalgenerators 41 und das andere Ende des externen Primärleiter 1 geschaltet sind. Als illustratives Beispiel nehmen wir eine Kapazität von 470 nF für jeden der Kondensatoren C₁ und C₂, sowie eine Frequenz f_TEST des Teststroms i_TEST von 10 kHz an. Die Impedanz Z der Serienschaltung der Kondensatoren C₁ und C₂ beträgt folglich (2πC₁)^–1 + (2πC₂)^–1 und folglich Z = 67,73Ω (der Widerstand des Primärleiters wird als vernachlässigbar angenommen). Unter der weiteren Annahme, dass der Testsignalgenerator 41 ein Wechselspannungssignal V_TEST mit einer Frequenz f_TEST und einer Amplitude von 5 V erzeugt (angelegt an die Serienschaltung aus Kondensator C₁, Primärleiter 1 und Kondensator C₂), resultiert das in einem Teststrom i_TEST von V_TEST/Z mit einer Amplitude von 73,83 mA. Unter der weiteren Annahme, dass während des Betriebs des Stromsensors ein Primärstrom i_P von 100 A ein Magnetfeld H von 20 mT an der Position des Hallsensors 20 bewirkt, bewirkt der Teststrom i_TEST ein magnetisches Feld von 14,77 µT, was vergleichsmäßig wenig ist, jedoch mit Hilfe des Lock-in-Verstärkers 45 leicht gemessen werden kann. Für sehr kleine Testströme i_TEST wäre der Stromsensor aus 3 und 4 leichter zu kalibrieren, da der XMR-Sensor 25, der für die Kalibrierung verwendet wird, üblicherweise empfindlicher ist als der Hallsensor 20.
In den vorherigen Beispielen wurde ein Lock-in-Verstärker 45 zur Demodulation eines sinusförmigen Teststroms verwendet. Jedoch können auch andere Modulations-/Demodulationsschemata zur Erzeugung eines modulierten Teststroms zur Kalibrierung des in dem Sensorchip 2 (siehe 2 und 3) integrierten Stromsensors verwendet werden. Alternativ können Spreizspektrum-Modulationstechniken (spread spectrum modulation techniques) verwendet werden, wobei der Teststrom beispielsweise mit einer pseudo-zufälligen Spreizsequenz moduliert wird (wie es bei Verwendung einer Direct Sequence Spread Spectrum(DSSS-)Modulation gemacht werden kann). Das resultierende Sensorsignal V_H (oder V_H') an dem Chip-Pin CAL wird ebenso mit der Spreizsequenz moduliert sein und der Demodulator 45 kann die Amplitude des Sensorsignals V_H mittels Demodulation sogar für extrem niedrige Signalrauschverhältnisse detektieren. Die Verwendung von Spreizsprektrumtechniken zur Modulation des Teststroms und zur Demodulation des resultierenden (vorverstärkten) analogen Sensorsignals beinhaltet die "Verteilung" des Teststromsignals über einen kontinuierlichen Frequenzbereich einer definierten Bandbreite, der mit der für Strommessungen spezifizierten Bandbreite des Stromsensorchips übereinstimmen kann. Bei der Verwendung von Testströmen mit einer einzelnen Frequenz (d.h. moduliert mit einem sinusförmigen Träger) können die resultierenden Kalibrierungsdaten aufgrund des Auftretens von Wirbelströmen frequenzabhängig sein. Die Verwendung eines Teststroms, der eine definierte mit der (analogen) Bandbreite des Stromsensorchips korrespondierende Bandbreite hat, kann folglich "realistisch" sein und bessere Kalibrierungsdaten liefern.
Selbstverständlich kann die kapazitive Kopplung mittels der Entkopplungskondensatoren C₁ und C₂ auch in der Anordnung gemäß 4 verwendet werden. Des Weiteren sei angemerkt, dass die Verbindung zwischen der Steuerung 40 (z.B. einem Personal Computer) und dem Demodulator 45 (z.B. ein Lock-in-Verstärker) nicht notwendigerweise eine physische Signalverbindung sein muss. Eine Bedienperson (human operator) kann den Strommesswert der Sensorsignalamplitude V_TH, wie er von dem Demodulator 45 geliefert wird, in die Steuerung 40 eingeben. Gleichermaßen ist die Verbindung zwischen der Steuerung 40 und dem Testsignalgenerator nicht notwendigerweise eine physische Signalverbindung. Jedoch sollten die Informationen über den Teststrom i_TEST (Amplitude) für die Steuerung 40 verfügbar sein. Es sei angemerkt, dass in Anwendungen, in denen eine galvanische Isolierung nicht benötigt wird, jeder der Kondensatoren C₁ und C₂ weggelassen oder durch einen Widerstand oder eine Stromquelle oder eine andere geeignete Schaltungsanordnung ersetzt werden kann.
6 ist ein Flussdiagramm, welches ein exemplarisches Verfahren zur Kalibrierung eines Stromsensorchips, wie er in 2 oder 3 gezeigt ist, darstellt. Gemäß dem abgebildeten Beispiel wird eine Strommessanordnung bereitgestellt, die einen Stromsensorchip 2 (siehe z.B. 2 oder 3), sowie einen Primärleiter 1 aufweist, der benachbart, jedoch separat von dem Stromsensorchip 2 angeordnet ist (siehe 6, Schritt 61). Das heißt, der Primärleiter 1 kann mechanisch mit dem Stromsensorchip 2 verbunden sein, befindet sich jedoch außerhalb des (gehäusten) Stromsensorchips 2 (ist nicht in diesem integriert). Ein modulierter Teststrom i_TEST wird erzeugt und als Primärstrom in dem Primärleiter 1 eingespeist, wodurch ein Magnetfeld H bewirkt wird (siehe 6, Schritt 62). Der Teststrom hat eine spezifische (voreingestellte) Größe. Ein analoges Ausgangssignal (siehe z.B. 4, Signal V_D, oder 5, Signal V_H') wird an einem externen Pin CAL des Stromsensorchips 2 abgegriffen (siehe 6, Schritt 63). Wie unter Bezugnahme auf die 2 bis 5 erläutert, ist das analoge Ausgangssignal entweder das analoge Sensorsignal (Signal V_H oder V_D) des Magnetfeldsensors (Hallsensor 20 oder XML-Sensor 25), der in dem Stromsensorchip 2 enthalten ist, oder von diesem analogen Sensorsignal mittels analoger Signalverarbeitung abgeleitet (z.B. als Signal V_H' in dem Beispiel aus 5). Das analoge Ausgangssignal wird demoduliert, um einen Messwert zu erzeugen, der die Größe des analogen Ausgangssignals repräsentiert (siehe 6, Schritt 64). Im Beispiel aus 5 wird der Betrag des verstärkten Hallsensorsignals V_H' mittels eines Lock-in-Verstärkers als Demodulator 45 gemessen. Basierend auf dem gemessenen Wert, der den Betrag des analogen Ausgangssignals repräsentiert, werden Kalibrierungsparameter bestimmt (siehe 6, Schritt 65), beispielsweise mittels Berechnung unter Verwendung eines mathematischen Modells der Strommessanordnung. Die Kalibrierungsparameter werden dann im Speicher 31, der in dem Stromsensorchip 2 enthalten ist, gespeichert (siehe 6, Schritt 66).
Das mathematische Modell der Strommessanordnung kann, wie oben erwähnt, die Querempfindlichkeiten des Magnetfeldsensors (der Magnetfeldsensoren) in Bezug auf Temperatur und/oder Chipspannung beinhalten. Gemessene Spannungs-(stress) und Temperaturwerte können wie oben erläutert, der Steuerung 40 oder anderen externen Vorrichtungen z.B. über ein serielles Buskommunikations-Interface zur Verfügung gestellt werden. Demnach kann die Berechnung der Kalibrierungsparameter auf dem Messwert, der die Stärke des analogen Ausgangssignals (z.B. V_H') repräsentiert, der bekannten Stärke des modulierten Teststrom i_TEST sowie auf einer gemessenen Temperatur des Stromsensorchips und/oder einer gemessenen Chipspannung (d.h. ein Signal, das die mechanische Spannung in dem Halbleiterplättchen, in dem der Magnetfeldsensor integriert ist, repräsentiert) basieren.
Während verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben wurden, wird es für Fachleute augenscheinlich, dass viele weitere Ausführungsbeispiele innerhalb des Geltungsbereichs der Erfindung möglich sind. Demnach soll die Erfindung beschränkt werden außer im Lichte der beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente. Hinsichtlich der verschiedenen Funktionen, die von den oben beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Baugruppen, Vorrichtungen, Schaltungen, Systemen, usw.) ausgeführt werden, sollen – sofern nicht s anderes angegeben ist – die Bezeichnungen (einschließlich des Bezugs auf ein „Mittel“), die verwendet werden, um solche Komponenten zu beschreiben, auch jeder anderen Komponente oder Struktur entsprechen, die die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponente ausführt (d.h. die funktional gleichwertig ist), auch wenn sie der offenbarten Struktur, die in den hier dargestellten beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung die Funktion ausführt, nicht strukturell gleichwertig ist.

Claims

Ein Stromsensorchip, der aufweist: ein erstes Magnetfeldsensorelement, das dazu ausgebildet ist, ein erstes analoges Sensorsignal zu erzeugen, welches ein magnetisches Feld repräsentiert, das von einem durch einen externen Primärleiter fließenden Primärstrom bewirkt wird; ein Analog-Digital-Wandler, der mit dem ersten Magnetfeldsensorelement gekoppelt und dazu ausgebildet ist, basierend auf dem ersten analogen Sensorsignal ein digitales Sensorsignal zu erzeugen; ein digitaler Signalprozessor, der mit dem Analog-Digital-Wandler gekoppelt ist, um das digitale Sensorsignal zu empfangen, und der dazu ausgebildet ist, basierend auf dem digitalen Sensorsignal und in einem Speicher abgelegten Kalibrierungsdaten ein korrespondierendes Strommesssignal, das den Primärstrom repräsentiert, zu bestimmen; und ein externer Ausgangspin, der mit dem ersten Magnetfeldsensorelement gekoppelt ist, um das erste analoge Sensorsignal oder ein mittels analoger Signalverarbeitung davon abgeleitetes Analogsignal zu empfangen.
Der Stromsensorchip gemäß Anspruch 1, wobei die analoge Signalverarbeitung keine Quantisierung analoger Signale beinhaltet, welche Information über das vom Primärstrom bewirkte Magnetfeld beinhalten.
Der Stromsensorchip gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Magnetfeldsensorelement ein Hallsensor oder ein magnetoresistiver Sensor ist.
Der Stromsensorchip gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, der zumindest eines der Folgenden aufweist: ein Temperatursensor, der dazu ausgebildet ist, ein Temperatursensorsignal zu erzeugen, wobei das Temperatursensorsignal dem digitalen Signalprozessor und/oder einer externen Vorrichtung zur Verfügung gestellt wird; ein Chipspannungssensor, der dazu ausgebildet ist, ein Spannungssignal zu erzeugen, wobei das Spannungssignal dem digitalen Signalprozessor und/oder einer externen Vorrichtung zur Verfügung gestellt wird.
Der Stromsensorchip gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, der weiter aufweist: eine Kommunikations-Interfaceschaltung, die mit dem digitalen Signalprozessor verbunden ist, wobei der digitale Signalprozessor dazu ausgebildet ist, mit externen Vorrichtungen über die Kommunikations-Interfaceschaltung zu kommunizieren.
Der Stromsensorchip gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der digitale Signalprozessor dazu ausgebildet ist, über die Kommunikations-Interfaceschaltung Daten zu empfangen und die empfangenen Daten als Kalibrierungsdaten in dem Speicher abzuspeichern.
Ein Stromsensorchip, der aufweist: ein erstes Magnetfeldsensorelement, das dazu ausgebildet ist, ein erstes analoges Sensorsignal als Antwort auf ein Magnetfeld zu erzeugen, das von einem durch einen externen Primärleiter fließenden Primärstrom bewirkt wird; ein zweites Magnetfeldsensorelement, das dazu ausgebildet ist, ein zweites analoges Sensorsignal als Antwort auf ein Magnetfeld zu erzeugen, das von dem durch den externen Primärleiter fließenden Primärstrom bewirkt wird; ein Analog-Digital-Wandler, der mit dem zweiten Magnetfeldsensorelement gekoppelt und dazu ausgebildet ist, basierend auf dem zweiten analogen Sensorsignal ein digitales Sensorsignal zu erzeugen; ein digitaler Signalprozessor, der mit dem Analog-Digital-Wandler gekoppelt ist, um das digitale Sensorsignal zu empfangen, und der dazu ausgebildet ist, basierend auf dem digitalen Sensorsignal und in einem Speicher abgelegten Kalibrierdaten ein korrespondierendes, den Primärstrom repräsentierendes Strommesssignal zu bestimmen; und ein externer Ausgangspin, der mit dem ersten Magnetfeldsensorelement gekoppelt ist, um das erste analoge Sensorsignal oder ein von diesem mittels analoger Signalverarbeitung abgeleitetes Analogsignal zu empfangen.
Der Stromsensorchip gemäß Anspruch 7, wobei die analoge Signalverarbeitung keine Quantisierung von analogen Signalen beinhaltet, welche Information über das von dem Primärstrom bewirkte Magnetfeld enthalten.
Der Stromsensorchip gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei das erste Magnetfeldsensorelement ein Hallsensor oder ein magnetoresistiver Sensor ist.
Der Stromsensorchip gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, der weiter zumindest eines der Folgenden aufweist: ein Temperatursensor, der dazu ausgebildet ist, dem digitalen Signalprozessor ein Temperatursignal zur Verfügung zu stellen; ein Chipspannungssensor, der dazu ausgebildet ist, dem digitalen Signalprozessor ein Chipspannungssignal zur Verfügung zu stellen.
Der Stromsensorchip gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, der weiter aufweist: eine Kommunikations-Interfaceschaltung, die mit digitalen Signalprozessor verbunden ist, wobei der digitale Signalprozessor dazu ausgebildet ist, digital mit einer externen Vorrichtung über die Kommunikations-Interfaceschaltung zu kommunizieren.
Der Stromsensorchip gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei der digitale Signalprozessor dazu ausgebildet ist, Daten über die Kommunikations-Interfaceschaltung zu empfangen und die empfangenen Daten als Kalibrierdaten in dem Speicher zu speichern.
Ein System zum Kalibrieren eines Stromsensorchips; das System umfasst: eine Strommessanordnung, die einen Stromsensorchip und einen Primärleiter aufweist, der benachbart jedoch getrennt von dem Stromsensorchip angeordnet ist; der Stromsensorchip weist auf: ein erstes Magnetfeldsensorelement, das dazu ausgebildet ist, ein erstes analoges Sensorsignal als Antwort auf ein Magnetfeld zu erzeugen, das von einem durch den Primärleiter fließenden Primärstrom bewirkt wird; ein Digital-Analog-Wandler, der mit dem ersten Magnetfeldsensorelement oder einem zweiten Magnetfeldsensorelement gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, ein digitales Sensorsignal basierend auf dem ersten analogen Signal bzw. basierend auf einem zweiten analogen Sensorsignal zu erzeugen, das von dem zweiten Magnetfeldsensorelement erzeugt wird; ein Speicher zum Ablegen von Kalibrierungsparametern; ein digitaler Signalprozessor, der dazu ausgebildet ist, unter Verwendung der im Speicher gespeicherten Kalibrierungsparameter und dem digitalen Sensorsignal ein Strommesssignal zu bestimmen, welches den Primärstrom repräsentiert; ein Ausgangspin, der mit dem ersten Magnetfeldsensor gekoppelt ist, um das erste analoge Sensorsignal oder ein davon mittels analoger Signalverarbeitung abgeleitetes Analogsignal zu empfangen und es als analoges Ausgangssignal bereitzustellen; ein Testsignalgenerator, der dazu ausgebildet ist, einen modulierten Teststrom bereitzustellen, wobei der Testsignalgenerator mit dem Primärleiter gekoppelt ist, um den Teststrom als Primärstrom in dem Primärleiter einzuspeisen; ein Demodulator, der mit dem Ausgangspin des Stromsensorchips gekoppelt ist, um das analoge Ausgangssignal zu empfangen, wobei der Demodulator dazu ausgebildet ist, das analoge Ausgangssignal zu demodulieren und einen Messwert bereitzustellen, der den Betrag des analogen Ausgangssignals repräsentiert; eine Steuerung, die mit dem Stromsensorchip gekoppelt ist, um Kalibrierungsparameter, die auf dem der Stärke des ersten analogen Sensorsignals repräsentierenden Messwert basieren, zu dem Speicher des Stromsensorchips hin zu übertragen.
Das System gemäß Anspruch 13, wobei der Demodulator und der Testsignalgenerator synchronisiert sind und der Demodulator dazu ausgebildet ist, das analoge Ausgangssignal synchron zu dem modulierten Testsignal zu demodulieren.
Das System gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei die Steuerung die Kalibrierungsparameter durch Eingabe einer Bedienperson empfängt.
Das System gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei die Steuerung dazu ausgebildet ist, die Kalibrierungsparameter basierend auf Eingangsdaten, die von einer Bedienperson empfangen werden, zu berechnen.
Das System gemäß Anspruch 13, oder 14, wobei die Steuerung mit dem Demodulator gekoppelt ist, um Daten, die den Messwert repräsentieren, der wiederum den Betrag des ersten analogen Ausgangssignals repräsentiert, zu empfangen, und wobei die Steuerung dazu ausgebildet ist, die Kalibrierungsparameter basierend auf von dem Demodulator empfangenen Daten zu berechnen.
Das System gemäß einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei das modulierte Testsignal einen sinusförmigen Verlauf und einen bestimmte Stärke, sowie eine bestimmte Testfrequenz aufweist, und wobei der Demodulator ein Lock-in-Verstärker ist, der dazu ausgebildet ist, das analoge Ausgangssignal durch Mischen mit einem sinusförmigen Demodulationssignal, das die Testfrequenz aufweist, zu demodulieren.
Das System gemäß einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei der modulierte Teststrom mit einer Spreizsequenz nach Maßgabe einer DSSS-Modulationstechnik moduliert wird, und wobei der Demodulator ein DSSS-Demodulator ist, der dazu ausgebildet ist, Signale, die gemäß einer DSSS-Modulationstechnik moduliert wurden, zu demodulieren.
Ein Verfahren zum Kalibrieren eines Stromsensorchips, das Verfahren weist auf: Bereitstellen einer Strommessanordnung umfassend einen Stromsensorchip und einen Primärleiter, der benachbart jedoch separat von dem Stromsensorchip angeordnet ist; Erzeugen eines modulierten Teststroms mit einer bestimmten Stärke und Einspeisen des modulierten Teststroms als Primärstrom in den Primärleiter, wodurch ein Magnetfeld bewirkt wird; Abgreifen eines analogen Ausgangssignals an einem externen Pin des Stromsensorchips, wobei das analoge Ausgangssignal ein analoges Sensorsignal oder ein davon mittels analoger Signalverarbeitung abgeleitetes Signal ist, wobei das analoge Sensorsignal von einem in dem Stromsensorchip enthaltenen Magnetfeldsensor erzeugt wird; Demodulieren des analogen Ausgangssignals, um einen Messwert zu erzeugen, der die Stärke des analogen Ausgangssignals repräsentiert; Bestimmen von Kalibrierungsparameter basierend auf den gemessen Werten; Speichern der Kalibrierungsparameter in einem Speicher, der in dem Stromsensorchip enthalten ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei das Bestimmen von Kalibrierungsparametern umfasst: Berechnen der Kalibrierungsparameter basierend auf dem Messwert, der die Stärke des analogen Ausgangssignals repräsentiert, und der Stärke des modulierten Teststroms.
Das Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei das Bestimmen von Kalibrierungsparametern umfasst: Berechnen von Kalibrierungsparametern basierend auf dem Messwert, der die Stärke des analogen Ausgangssignals repräsentiert, der Stärke des modulierten Teststroms und einer gemessenen Temperatur des Stromsensorchips.
Das Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei das Bestimmen von Kalibrierungsparametern umfasst: Berechnen von Kalibrierungsparametern basierend auf dem Messwert, der die Stärke des analogen Ausgangssignals repräsentiert, der Stärke des modulierten Teststroms und einer gemessenen mechanischen Spannung des Stromsensorchips.