DE102019009240A1

DE102019009240A1 - Stromsensor und verfahren zum erfassen einer stärke eines elektrischen stroms

Info

Publication number: DE102019009240A1
Application number: DE102019009240.6A
Authority: DE
Inventors: Lifeng GUAN; Wai Keung Frankie Chan; Adrian Gan
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2019-09-11
Filing date: 2019-09-11
Publication date: 2022-03-31

Abstract

Beispiele beziehen auf einen Stromsensor und auf ein Verfahren zum Erfassen einer Stärke eines elektrischen Stroms unter Verwendung von zwei Gruppen von Magneterfassungssonden. Der Stromsensor umfasst eine erste und eine zweite Gruppe von Magneterfassungssonden. Die erste Gruppe von Magneterfassungssonden ist auf einem ersten Die implementiert, und wobei die zweite Gruppe von Magneterfassungssonden ist auf einem zweiten Die implementiert. Der Stromsensor umfasst eine Sensorschaltung, die mit der ersten und zweiten Gruppe von Magneterfassungssonden gekoppelt ist. Die Sensorschaltung ist ausgebildet, um eine erste differenzielle Magnetfeldmessung eines Magnetfelds unter Verwendung von Sonden der ersten Gruppe von Magneterfassungssonden zu bestimmen. Das Magnetfeld wird durch einen zu messenden elektrischen Strom verursacht. Die Sensorschaltung ist ausgebildet, um eine zweite differenzielle Magnetfeldmessung des Magnetfelds unter Verwendung von Sonden der zweiten Gruppe von Magneterfassungssonden zu bestimmen. Die Sensorschaltung ist ausgebildet, um eine Stärke des zu messenden elektrischen Stroms basierend auf einem Unterschied zwischen der ersten differenziellen Magnetfeldmessung und der zweiten differenziellen Magnetfeldmessung zu bestimmen.

Description

Gebiet
Beispiele beziehen sich auf Sensorsysteme, genauer auf einen Stromsensor und auf ein Verfahren zum Erfassen einer Stärke eines elektrischen Stroms unter Verwendung von zwei Gruppen von Magneterfassungssonden.
Hintergrund
Ein Hall-Effekt-Sensor (oder Hall-Sensor) kann ein Magnetfeld erfassen, indem er eine Spannung erzeugt, die ansprechend auf ein Magnetfeld variiert. Die Genauigkeit eines Hallsensors kann jedoch durch Interferenz eines Streumagnetfeldes beeinflusst werden, was dadurch verursacht werden kann, dass ein Leiter in der Nähe des Leiters, der den zu messenden Strom führt, angeordnet ist.
Aus US-Patentanmeldung US 2013 / 0 162 245 A1 ist ein Stromsensor mit zwei Gruppen von magneto-elektrischen Transducern bekannt, die an zwei gegenüberliegenden Seiten eines elektrischen Leiters angeordnet sind, wobei die Transducer der einen Gruppe zwischen einem Leiter und den Transducern der zweiten Gruppe angeordnet sind.
In der Europäischen Patentanmeldung EP 3 185 019 A1 wird ein Stromsensor behandelt, bei dem Hallsensoren auf einer Ebene an einer aktiven Oberfläche eines Halbleiter-Chips angeordnet sind. Die Hall-Sensoren werden verwendet, um den Stromfluss durch unterschiedliche Teilabschnitte eines Leiters zu messen.
Zusammenfassung
Es besteht ein Bedarf zum Bereitstellen eines verbesserten Konzepts für einen Stromsensor.
Ein solcher Bedarf kann durch den Gegenstand eines der Ansprüche erfüllt werden.
Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen Stromsensor zum Erfassen einer Stärke eines elektrischen Stroms. Der Stromsensor umfasst eine erste und eine zweite Gruppe von Magneterfassungssonden. Der Stromsensor umfasst eine Sensorschaltung, die mit der ersten und zweiten Gruppe von Magneterfassungssonden gekoppelt ist. Die Sensorschaltung ist ausgebildet, um eine erste differenzielle Magnetfeldmessung eines Magnetfelds unter Verwendung von Sonden der ersten Gruppe von Magneterfassungssonden zu bestimmen. Das Magnetfeld wird durch einen zu messenden elektrischen Strom verursacht. Die Sensorschaltung ist ausgebildet, um eine zweite differenzielle Magnetfeldmessung des Magnetfelds unter Verwendung von Sonden der zweiten Gruppe von Magneterfassungssonden zu bestimmen. Die Sensorschaltung ist ausgebildet, um eine Stärke des zu messenden elektrischen Stroms basierend auf einem Unterschied zwischen der ersten differenziellen Magnetfeldmessung und der zweiten differenziellen Magnetfeldmessung zu bestimmen.
Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Verfahren zum Erfassen einer Stärke eines elektrischen Stroms. Das Verfahren umfasst ein Bestimmen einer ersten differenziellen Magnetfeldmessung eines Magnetfelds unter Verwendung von Sonden einer ersten Gruppe von Magneterfassungssonden. Das Magnetfeld wird durch einen zu messenden elektrischen Strom verursacht. Das Verfahren umfasst ein Bestimmen einer zweiten differenziellen Magnetfeldmessung des Magnetfelds unter Verwendung von Sonden einer zweiten Gruppe von Magneterfassungssonden. Das Verfahren umfasst ein Bestimmen einer Stärke des zu messenden elektrischen Stroms basierend auf einem Unterschied zwischen der ersten differenziellen Magnetfeldmessung und der zweiten differenziellen Magnetfeldmessung.
Figurenliste
Nachfolgend werden einige Beispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren ausschließlich beispielhaft und Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren beschrieben, in denen gilt:

1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Einflusses einer Interferenz (Magnetfeld) - Quelle bei Hall-basierter Strommessung;
2 zeigt ein schematisches Diagramm einer drei-phasigen Strommessungsanwendung;
3 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Stromsensors zum Erfassen einer Stärke eines elektrischen Stroms;
4 zeigt einen schematischen Querschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Stromsensors, in dem ein Package des Stromsensors gezeigt ist;
5a und 5b zeigen einen schematischen Querschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Stromsensors, in dem ein Leiter, der den zu messenden Strom leitet, gezeigt ist; und
6 zeigt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Erfassen einer Stärke eines elektrischen Stroms.

Detaillierte Beschreibung
Verschiedene Beispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen einige Beispiele dargestellt sind. In den Figuren können die Stärken von Linien, Schichten und/oder Regionen der Klarheit halber übertrieben sein.
Entsprechend sind, obgleich weitere Beispiele zu verschiedenen Modifikationen und alternativen Formen in der Lage sind, manche bestimmten Beispiele davon in den Figuren gezeigt und werden anschließend ausführlich beschrieben. Allerdings beschränkt diese detaillierte Beschreibung weitere Beispiele nicht auf die beschriebenen bestimmten Formen. Weitere Beispiele können alle Modifikationen, Entsprechungen und Alternativen abdecken, die in den Schutzbereich der Offenbarung fallen. Gleiche oder ähnliche Bezugszeichen beziehen sich in der gesamten Beschreibung der Figuren auf gleiche oder ähnliche Elemente, die bei einem Vergleich miteinander identisch oder in modifizierter Form implementiert sein können, während sie die gleiche oder eine ähnliche Funktionalität bereitstellen.
Es versteht sich, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, die Elemente direkt oder über ein oder mehrere Zwischenelemente verbunden oder gekoppelt sein können. Wenn zwei Elemente A und B unter Verwendung eines „oder“ kombiniert werden, ist dies so zu verstehen, dass alle möglichen Kombinationen offenbart sind, d. h. nur A, nur B sowie A und B, sofern nicht explizit oder implizit anders definiert. Eine alternative Formulierung für die gleichen Kombinationen ist „zumindest eines von A und B“ oder „A und/oder B“. Das Gleiche gilt, mutatis mutandis, für Kombinationen von mehr als zwei Elementen.
Die Terminologie, die hierin zu dem Zweck des Beschreibens bestimmter Beispiele verwendet wird, soll nicht begrenzend für weitere Beispiele sein. Wenn eine Singularform, z. B. „ein, eine“ und „der, die, das“ verwendet wird und die Verwendung nur eines einzelnen Elements weder explizit noch implizit als verpflichtend definiert ist, können weitere Beispiele auch Pluralelemente verwenden, um die gleiche Funktionalität zu implementieren. Ähnlich, wenn eine Funktionalität nachfolgend als unter Verwendung mehrerer Elemente implementiert beschrieben ist, können weitere Beispiele die gleiche Funktion unter Verwendung eines einzelnen Elements oder einer einzelnen Verarbeitungsentität implementieren. Es versteht sich weiterhin, dass die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „aufweist“ und/oder „aufweisend“ bei Gebrauch das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Handlungen, Elemente und/oder Komponenten präzisieren, aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Handlungen, Elemente, Komponenten und/oder irgendeiner Gruppe davon ausschließen.
Sofern nicht anderweitig definiert, werden alle Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) hierin in ihrer üblichen Bedeutung des Gebiets verwendet, zu dem die Beispiele gehören.
Bei Sensorbauelementen werden unterschiedliche Ansätze angewendet, um eine Stärke eines elektrischen Stroms zu messen. Zum Beispiel wird in einigen Fällen ein Nebenschlusswiderstand verwendet. Alternativ können Magnetsensorbauelemente verwendet werden, um das durch einen Strom erzeugte Magnetfeld und damit die Stärke des Stroms zu messen. Mono-Hall-Stromsensoren und differenzielle Hall-Stromsensoren sind zwei Arten von Sensorbauelementen, die das Magneterfassungsprinzip für Strommessung verwenden. In einigen Fällen kann ein Streumagnetfeld, z.B. verursacht durch eine Interferenzquelle, wie beispielsweise einem anderen Leiter, der in unmittelbarer Nähe angeordnet ist, den durch solche Stromsensoren erfassten Strom verzerren. Zum Beispiel kann das Streumagnetfeld an dem Sensorausgang Rauschen erzeugen.
1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Einflusses einer (Magnetfeld) - Interferenzquelle bei Hall-basierter Strommessung. Bei 1 ist der Strom I₁, der zu messen ist, mit dem Bezugszeichen 110 bezeichnet, der Interferenzstrom ist mit dem Bezugszeichen 120 bezeichnet. 1 zeigt ferner einen Mono-Hall-Sensor 130 und einen differenziellen Hall-Sensor 140a; 140b, die eine Erfassungsrichtung 150 in Richtung des Stroms I₁, der zu messen ist, aufweisen. Bezugszeichen 160 bezeichnet das Streumagnetfeld. Hall-basierte Stromsensoren detektieren das Streumagnetfeld, das auf ihre Erfassungsachse projiziert ist. Ein Streumagnetfeld, das durch einen externen Strompfad (z.B. Interferenzstrom 120) erzeugt wird, kann als eine Interferenzquelle betrachtet werden. Der externe Strompfad kann in Projektionen auf der x-, y- und z-Richtung zerlegt werden, wobei das Bezugszeichen 122 die x-Richtung bezeichnet, 124 die y-Richtung bezeichnet und 126 die z-Richtung bezeichnet. In dem Aufbau von 1 kann eine Magnetflussdichte B1, die mit einer ersten Hall-Sonde 140a des differenziellen Stromsensors gemessen wird, sich von einer Magnetflussdichte B2 unterscheiden, die mit einer zweiten Hall-Sonde 140b des differenziellen Stromsensor gemessen wird.
Für den Stromfluss in x-Richtung können die differenziellen Sonden die Streufelder unterdrücken, da sie auf der gleichen konzentrischen Zylinderoberfläche des Magnetfelds positioniert sind. Für den Stromfluss in y-Richtung kann das erzeugte Magnetfeld senkrecht zu der Erfassungsrichtung sein und somit kann ein Null-Magnetfeld durch die Erfassungssonden gesehen werden. Für den Strom in z-Richtung kann das erzeugte Magnetfeld durch die Erfassungssonden detektierbar sein und kann nicht durch ein einziges differenzielles Konzept ausgeglichen werden und daher als Interferenz betrachtet werden. Daher kann sich die nachfolgende Erörterung zumindest teilweise auf diese Art der Interferenz konzentrieren. Zumindest einige Ausführungsbeispiele können darauf abzielen, Interferenz zu unterdrücken, die durch ein Streumagnetfeld in einer auf einem Magnetsensor basierten Strommessung erzeugt wird, zum Beispiel in einer dreiphasigen Antriebs-Hochstrom-Messung.
Ein Mono-Hall-Stromsensor ist möglicherweise nicht in der Lage, das Rauschen selbst zu unterdrücken oder irgendwelche weiteren Informationen bereitzustellen, sodass das System Rauschunterdrückung ausführen kann. Differenzielle Hall-Stromsensoren weisen möglicherweise eine begrenzte Gleichtakt-Streufeldunterdrückung auf, falls die Feldquelle sehr nahe an dem Sensor ist, da die Hall-Sonden in der integrierten Schaltung in einer physikalisch unterschiedlichen Position positioniert sind und unterschiedliche Pegel von Streufeldstärke messen. Daher kann die differenzielle Strommessung bis zu einem gewissen Grad (mit erwünschtem Strom und Interferenzstrom bei einem bestimmten minimalen Abstand) eine Gleichtaktinterferenzunterdrückung bereitstellen. Bei geringeren Abständen und/oder hohen Strömen kann das Streumagnetfeld jedoch eine sichtbare Welligkeit in der Strommessung verursachen. Zum Beispiel wurde in einem Testaufbau eine Welligkeit von etwa 5% beobachtet, wenn ein Leiter, der verwendet wird, um 400A von Strom zu leiten, mit einem Abstand von 5cm von den Hall-Sonden platziert wurde. Für einen Interferenzstrom, der ein Streumagnetfeld zu dem Sensor erzeugt wird, je höher der Strom ist und/oder je näher der Abstand zwischen dem störenden Strom und dem Sensor ist, eine umso höhere Interferenz an dem Sensorausgang vorliegen. Ein differenzieller Hall-Stromsensor kann daher in der Lage sein, das Gleichtakt-Streufeld zu unterdrücken, wenn die Quelle des Streumagnetfelds weit von dem Sensor entfernt ist, aber ist möglicherweise nicht in der Lage, eine solche Gleichtaktinterferenz zu unterdrücken, wenn die Quelle des Streumagnetfelds nahe an dem Sensor ist. Für eine dreiphasige treibende Anwendung kann ein kompliziertes Kalibrierungsverfahren in einer Mikrocontroller-Einheit involviert sein, um eine 3x3-Matrix (wie nachfolgend gezeigt) zu lösen, abgesehen von der sorgfältigen mechanischen Installation der Sammelschiene.
2 zeigt ein schematisches Diagramm einer drei-phasigen Strommessungsanwendung, in der Übersprechen zwischen den drei Sammelschienen 210, 220 und 230 dargestellt ist. I_u, I_v und I_w bezeichnen die Ströme, die jeweils durch die Sammelschienen 210, 220 und 230 laufen, die durch Sensor_u 212, Sensor_v 222, und Sensor_w 232 gemessen werden. Jeder Sensor kann auch andere Ströme detektieren, die in unterschiedlichen Sammelschienen sind, falls das Übersprechen nicht klein ist (z.B. aufgrund eines engen Abstands zwischen Sammelschienen). Bei dem Beispiel von 1 ist nur I_u größer als Null, so dass nur Übersprechen k_uu (auf Sensor_u), k_uv (auf Sensor_v) und ku_w (auf Sensor_w) angewendet wird, wobei der erste Buchstabe des Suffixes die Quelle des Übersprechens (u in allen Fällen) und der zweite Buchstabe des Suffixes das Ziel des Übersprechens (jeweils u, v und w) bezeichnet. Die Diagramme 214, 224 und 234 zeigen die Ausgaben der jeweiligen Sensoren. Die x-Achse bezeichnet den Strom I_u in Ampere, die y-Achsen zeigen die gemessene Spannung V_u, V_v und V_w, die an den jeweiligen Sensoren gemessen wird (in mV).
Um das Übersprechen zu mindern, kann eine Kalibrierung des Sensors durchgeführt werden. Aufgrund des Übersprechens kann die Stromsensor-Ausgangsspannung an jedem Sensor u, v und w durch V' = K · I definiert sein, wobei K das Übersprechen repräsentiert. Jeder der Faktoren kann in Matrixform beschrieben werden: $[\begin{matrix} V_{u}^{'} \\ V_{v}^{'} \\ V_{w}^{'} \end{matrix}] = [\begin{matrix} k_{u u} & k_{v u} & k_{w u} \\ k_{u v} & k_{v v} & k_{v w} \\ k_{u w} & k_{v w} & k_{w w} \end{matrix}] [\begin{matrix} I_{u} \\ I_{v} \\ I_{w} \end{matrix}]$
Das Ziel des Übersprechen-Kalibrierungsprozesses kann es sein, die K-Matrix zu erhalten und sie einem Invertermodul bereitzustellen. Um jeden kompensierten Stromwert in der Laufzeit zu erhalten, kann die folgende Matrixmultiplikation verwendet werden (unter Verwendung der Inversen der K-Matrix) $[\begin{matrix} I_{u} \\ I_{v} \\ I_{w} \end{matrix}] = {[\begin{matrix} k_{u u} & k_{v u} & k_{w u} \\ k_{u v} & k_{v v} & k_{v w} \\ k_{u w} & k_{v w} & k_{w w} \end{matrix}]}^{- 1} [\begin{matrix} V_{u}^{'} \\ V_{v}^{'} \\ V_{w}^{'} \end{matrix}]$
(I = K^-1 · V'), wobei I der kompensierte Stromwert ist, K^-1 die vordefinierte Übersprechen-Matrix ist und V' die gemessenen Spannungen von den Sensoren sind. Insbesondere bei einer dreiphasigen Strommessung kann ein kompliziertes Kalibrierungsverfahren verwendet werden, um den Phasenstrom genau zu messen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung können einen Ansatz für einen Stromsensor bereitstellen, der als eine Alternative (oder zusätzlich) zu dem Kalibrierungsansatz verwendet werden kann, was ein verbessertes Konzept für einen Stromsensor bereitstellen kann.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Stromsensors 300 zum Erfassen einer Stärke eines elektrischen Stroms. Der Stromsensor umfasst eine erste 10 und eine zweite 20 Gruppe von Magneterfassungssonden. Zum Beispiel können die Magneterfassungssonden Hall-Sonden sein, d.h. die erste 10 und die zweite 20 Gruppe von Magneterfassungssonden können eine erste und eine zweite Gruppe von Hall-Sonden sein. Der Stromsensor 300 umfasst ferner eine Sensorschaltung 30, die mit der ersten und zweiten Gruppe von Magneterfassungssonden gekoppelt ist. Die Sensorschaltung 30 ist ausgebildet, um eine erste differenzielle Magnetfeldmessung eines Magnetfelds unter Verwendung von Sonden 12; 14 der ersten Gruppe 10 von Magneterfassungssonden zu bestimmen. Das Magnetfeld wird durch einen zu messenden elektrischen Strom verursacht. Die Sensorschaltung 30 ist ausgebildet, um eine zweite differenzielle Magnetfeldmessung des Magnetfelds unter Verwendung von Sonden 22; 24 der zweiten Gruppe 20 von Magneterfassungssonden zu bestimmen. Die Sensorschaltung ist ausgebildet, um eine Stärke des zu messenden elektrischen Stroms basierend auf einem Unterschied zwischen der ersten differenziellen Magnetfeldmessung und der zweiten differenziellen Magnetfeldmessung zu bestimmen. 3 zeigt ferner einen Leiter 50, der den zu messenden Strom führt.
Durch ein Bestimmen der Stärke des zu messenden elektrischen Stroms basierend auf dem Unterschied zwischen der ersten differenziellen Magnetfeldmessung und der zweiten differenziellen Magnetfeldmessung können Ausführungsbeispiele das Sensorsignal-AusgangsSignal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR; signal-to-noise-ratio) im Vergleich zu einzelnen differenziellen Stromsensoren deutlich verbessern. Ferner können Ausführungsbeispiele aufgrund vollständiger Redundanz eine höhere Sensorsignalverfügbarkeit bereitstellen, da während eines Fehlers einer Gruppe von Stromsensoren durch eine andere symmetrische Gruppe des Stromsensor ein reduzierter Betrieb möglich ist. Zusätzlich ist bei einigen Stromsensoren möglicherweise keine Erfassungsmodulebenenkalibrierung notwendig, da Bauelementebenen-EOL (End of Line) -Kalibrierung möglicherweise als gut genug erachtet wird, was den Bedienkomfort der Vorrichtung verbessern kann. Ausführungsbeispiele können in Stromsensoren verwendet werden, die Streufeldrobustheit, Ausfallbetriebsfähigkeit und ISO26262-Konformität aufweisen. Ausführungsbeispiele können die Zwischen-Sammelschienen-Kalibrierungsprozedur vereinfachen, um genaue Strommessergebnisse in dreiphasigen treibenden Systemphasen-Strommessungen zu erreichen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf Stromsensoren, z.B. auf Stromsensoren 300, 400 und 500 von 3 bis 5b. Bei Ausführungsbeispielen können die Stromsensoren Hall-Effekt-basierte Stromsensoren sein, d.h. Stromsensoren, die sich auf den Hall-Effekt verlassen, um eine Stärke des zu messenden elektrischen Stroms zu bestimmen. Bei Hall-Effekt-basierten Stromsensoren, wie beispielsweise den Stromsensoren 300, 400 und/oder 500 werden gemäß einigen Ausführungsbeispielen im Allgemeinen eine oder mehrere Spannungen erzeugt (und gemessen), die mit einer magnetischen Flussdichte eines Magnetfeldes variieren, das unter Verwendung der Magneterfassungssonden des Hall-Effekt-basierten Stromsensors gemessen wird. Das Magnetfeld, das unter Verwendung der Magneterfassungssonden des Hall-Effekt basierten Stromsensors gemessen wird, kann wiederum (zumindest teilweise) durch den zu messenden Strom verursacht werden, so dass die eine oder die mehreren Spannungen, die gemessen werden, anzeigend für die Stromstärke des zu messenden Stroms sind. Obwohl die vorliegende Anmeldung sich in der Beschreibung auf Hall-Sensoren konzentriert, kann das Konzept von dual-differenzieller Erfassung unbeschadet auf alle Magneterfassungstechnologien angewendet werden, umfassend Hall, GMR (Giant Magneto-Resistance), AMR (Anisotropic Magneto-Resistance) und TMR (Tunnel Magneto-Resistance) -Technologien.
Ausführungsbeispiele basieren ferner auf differenziellen Messprinzipien: Innerhalb einer Gruppe von Magneterfassungssonden misst die Sensorschaltung das Magnetfeld an (zumindest) zwei Stellen, unter Verwendung von (zumindest) zwei Sensorsonden der Gruppe von Sensorsonden, und subtrahiert eine von der anderen. Die differenzielle Magnetfeldmessung kann von Spannungen genommen werden, die an den unterschiedlichen Magneterfassungssonden gemessen werden. Zum Beispiel kann eine differenzielle Magnetfeldmessung auf einem Unterschied basieren, der zwischen einer Spannung, die unter Verwendung einer ersten Magneterfassungssonde einer Gruppen von Magneterfassungssonden gemessen wird, und einer Spannung, die unter Verwendung einer zweiten Magneterfassungssonde der Gruppe von Magneterfassungssonden gemessen wird, gemessen wird. Eine solche differenzielle Magnetfeldmessung kann durch die Verarbeitungsschaltung für jede Gruppe von Magneterfassungssonden vorgenommen werden.
Der Stromsensor umfasst die erste 10 und die zweite 20 Gruppe von Magneterfassungssonden. Die Gruppen können statisch sein - zu irgendeiner Zeit wird entweder der ersten 10 oder der zweiten 20 Gruppe von Magneterfassungssonden eine Magneterfassungssonde zugeordnet. Die Gruppen von Magneterfassungssonden werden verwendet, um eine weitere differenzielle Messung vorzunehmen, die auf dem Unterschied zwischen der ersten differenziellen Magnetfeldmessung und der zweiten differenziellen Magnetfeldmessung basiert. Anders ausgedrückt kann die Sensorschaltung 30 ausgebildet sein, um eine weitere differenzielle Magnetfeldmessung basierend auf dem Unterschied zwischen der ersten differenziellen Magnetfeldmessung und der zweiten differenziellen Magnetfeldmessung zu bestimmen. In dem Kontext dieser Anmeldung ist eine differenzielle Magnetfeldmessung möglicherweise nicht unbedingt eine Messung an sich, sondern eher ein Wert, der basierend auf einer Messung erzeugt wird oder ein Wert, der eine Messung repräsentiert. Unter Verwendung der weiteren differenziellen Magnetfeldmessung kann die aktuelle Stärke des zu messenden elektrischen Stroms bestimmt werden. Zum Beispiel kann die weitere differenzielle Magnetfeldmessung oder der Unterschied zwischen der ersten differenziellen Magnetfeldmessung und der zweiten differenziellen Magnetfeldmessung durch einen Umwandlungsfaktor multipliziert werden oder als Eingabe in eine Umwandlungsfunktion verwendet werden, um die Stromstärke des zu messenden elektrischen Stroms zu bestimmen.
Bei Ausführungsbeispielen werden zwei Gruppen von Magneterfassungssonden verwendet. Wie der Begriff „Gruppen“ impliziert, umfasst jede Gruppe zwei oder mehr Magneterfassungssonden, die verwendet werden, um die jeweilige differenzielle Magnetfeldmessung zu bestimmen. Bei zumindest einigen Ausführungsbeispielen, z.B. den Ausführungsbeispielen von 3, 4 und 5a/5b, umfassen die erste 10 und die zweite 20 Gruppe von Magneterfassungssonden jeweils (genau) zwei Magneterfassungssonden 12; 14; 22; 24. Zwei Magneterfassungssonden pro Gruppe können ausreichen, um die differenzielle Messung durchzuführen. Dementsprechend kann die erste differenzielle Magnetfeldmessung unter Verwendung der zwei Magneterfassungssonden 12; 14 der ersten Gruppe 10 von Magneterfassungssonden bestimmt werden. Die zweite differenzielle Magnetfeldmessung kann unter Verwendung der zwei Magnetfelderfassungssonden 22, 24 der zweiten 20 Gruppe von Magneterfassungssonden bestimmt werden. Bei einigen anderen Ausführungsbeispielen kann eine größere Menge von Magneterfassungssonden für jede Gruppe von Magneterfassungssonden verwendet werden, z.B. zumindest drei oder zumindest vier.
Bei zumindest einigen Ausführungsbeispielen können die Magneterfassungssonden ausgerichtet sein. Jede Gruppe von (zwei) Magneterfassungssonden kann vertikal auf eine andere Gruppe von (zwei) Magneterfassungssonden gestapelt werden. Jede Magneterfassungssonde kann an der entsprechenden Magneterfassungssonde in einer anderen Gruppe ausgerichtet sein. Die zwei Magneterfassungssonden innerhalb jeder Gruppe können lateral (d.h. horizontal) aneinander ausgerichtet sein. Zum Beispiel können die Magneterfassungssonden einer Gruppe von Magneterfassungssonden lateral aneinander ausgerichtet sein. Anders ausgedrückt können die Magneterfassungssonden einer Gruppe von Magneterfassungssonden an der gleichen vertikalen Position und an unterschiedlichen lateralen Positionen angeordnet sein. Ferner kann jede Magneterfassungssonde der ersten Gruppe von Magneterfassungssonden vertikal an (d.h. an der gleichen lateralen Position und an einer unterschiedlichen vertikalen Position) einer (entsprechenden) Magneterfassungssonde der zweiten Gruppe von Magneterfassungssonden ausgerichtet sein. Zum Beispiel sind in 3 bis 5b die Magneterfassungssonden 12 und 14 der ersten Gruppe von Magneterfassungssonden horizontal aneinander ausgerichtet, ebenso wie die Magneterfassungssonden 22 und 24 der zweiten Gruppe von Magneterfassungssonden. Ferner ist die Magneterfassungssonde 12 der ersten Gruppe vertikal mit der Magneterfassungssonde 24 der zweiten Gruppe ausgerichtet, und die Magneterfassungssonde 14 der ersten Gruppe ist vertikal mit der Magneterfassungssonde 22 ausgerichtet. Alternativ kann eine unterschiedliche Anordnung verwendet werden, z.B. eine Anordnung, die nicht (vertikal oder lateral) ausgerichtet ist und/oder eine Anordnung, die asymmetrisch ist.
Bei Ausführungsbeispielen kann die Sensorschaltung 30 unter Verwendung einer oder mehrerer Verarbeitungsschaltungseinheiten, eines oder mehrerer Prozessoren, einer oder mehrerer Verarbeitungseinheit oder irgendeines Mittels zum Verarbeiten, wie beispielsweise eines Prozessors oder einer programmierbaren Hardwarekomponente, die mit entsprechend angepasster Software betriebsfähig ist, implementiert sein. Anders ausgedrückt, die beschriebene Funktion des Steuerungsmoduls 30 kann auch in Software implementiert sein, die dann auf einer oder mehreren programmierbaren Hardwarekomponenten ausgeführt wird. Solche Hardwarekomponenten können einen Allzweckprozessor, einen digitalen Signalprozessor (DSP; Digital Signal Processor), einen Mikrocontroller etc. umfassen. Zum Beispiel kann die Sensorschaltung in einem (z.B. zumindest einem) Die implementiert sein, der verwendet wird, um die Hall-Sonden zu implementieren.
Zum Beispiel kann die vertikale Richtung und eine vertikale Abmessung orthogonal zu einer Vorderseitenoberfläche eines Dies gemessen werden, der die Hall-Sensoren von zumindest einer Gruppe von Hall-Sensoren implementiert, und eine laterale Richtung und laterale Abmessungen können parallel zu der Vorderseitenoberfläche des Dies gemessen werden.
4 zeigt einen schematischen Querschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Stromsensors 400 zum Erfassen einer Stärke eines elektrischen Stroms. Zum Beispiel kann der Stromsensor 400 ähnlich zu dem Stromsensor 300 von 3 implementiert sein. 4 zeigt ferner den Stromsensor 400, umfassend ein Package 40, wobei das Package 40 ein Substrat 45 umfasst. Das Package 40 kann die erste und zweite Gruppe von Magneterfassungssonden und die Sensorschaltung 30 umfassen. Die Strom 400 umfasst ferner zwei Dies 16; 26, die auf dem Substrat 45 des Packages 40 angeordnet sind. Zum Beispiel umfasst der Stromsensor 400 einen ersten Die 16 und einen zweiten Die 26. Wie in 4 gezeigt, können der erste Die 16 und der zweite Die 26 vertikal benachbart zueinander angeordnet sein. Zum Beispiel, wie ferner in 4 gezeigt ist, können der erste 16 und der zweite 26 Die auf gegenüberliegenden Seiten des Substrats 45 des Packages 40 angeordnet sein. Dies kann eine symmetrische Anordnung der Komponenten innerhalb des Stromsensors ergeben. Alternativ können der erste 16 und der zweite 26 Die (direkt) aufeinandergestapelt sein, was eine dünnere Konstruktion des Stromsensors ermöglichen kann. Wie in 4 gezeigt ist, können die Dies innerhalb des Stromsensors horizontal zueinander ausgerichtet sein, was eine symmetrische Anordnung der Komponenten innerhalb des Stromsensor ermöglicht. Alternativ können die Dies horizontal versetzt sein, z.B. um Stromsensoren zu ermöglichen, die in beschränkte Räume passen. Bei einigen anderen Ausführungsbeispielen können (alle der) Magneterfassungssonden auf dem gleichen Die implementiert sein, z.B. auf gegenüberliegenden Seiten des gleichen Dies. Anders ausgedrückt können die erste und die zweite Gruppe von Magneterfassungssonden auf dem gleichen Die implementiert sein, sodass möglicherweise nur ein einzelner Die notwendig ist.
4 zeigt möglicherweise eine Seitenansicht einer integrierten Schaltung des Stromsensors. Die vorgeschlagene duale differenzielle Strommessung kann einen Stromsensor mit vier Magneterfassungssonden 12; 14; 22; 26 verwenden, die auf eine solche Weise angeordnet sind, dass die vier Magneterfassungssonden in zwei Gruppen 10; 20 gebildet werden, wobei jede Gruppe zwei Magneterfassungssonden aufweist. Wie in 4 gezeigt ist, kann die erste Gruppe 10 von Magneterfassungssonden (bezeichnet als „Hall-Sonde oben“) auf dem ersten Die 16 (bezeichnet als „oberer Die“) implementiert sein. Die zweite Gruppe 20 von Magneterfassungssonden (bezeichnet als „Hall-Sonde unten“) kann auf dem zweiten Die 26 (bezeichnet als „unterer Die“) implementiert sein. Anders ausgedrückt kann einer der Dies 16; 26 ein „oberer Die“ sein und der andere der Dies 16; 26 kann der „untere Die“ sein.
Zum Beispiel kann der Die 16; 26 so geformt sein, dass er die jeweiligen Magneterfassungssonden an einer Oberfläche der jeweiligen Dies präsentiert. Im Allgemeinen können die Magneterfassungssonden jeder Gruppe lateral um einen Mitte-Abstand von 2W voneinander beabstandet angezeigt sein. Die Magneterfassungssonden 12; 14 der ersten Gruppe 10 können lateral voneinander beabstandet auf dem ersten Die 16 angeordnet sein. Die Magneterfassungssonden 22; 24 der zweiten Gruppe 20 können lateral voneinander beabstandet auf dem zweiten Die 26 angeordnet sein. Bei 4 wird die laterale Mitte der Magneterfassungssonden 14; 22 durch eine vertikale Linie 410 bezeichnet, die laterale Mitte der Magneterfassungssonden 12; 24 wird durch eine vertikale Linie 420 bezeichnet, die vertikale Mitte der Magneterfassungssonden 12; 14 der ersten Gruppe 10 von Magneterfassungssonden wird durch eine horizontale Linie 430 bezeichnet und die vertikale Mitte der Magneterfassungssonden 22; 24 der zweiten Gruppe 20 von Magneterfassungssonden wird durch eine horizontale Linie 440 bezeichnet. Der Abstand zwischen der lateralen Mitte der Magneterfassungssonden 14; 22 und der lateralen Mitte der Magneterfassungssonden 12; 24 in 4 ist 2W, und der Abstand zwischen der vertikalen Mitte der Magneterfassungssonden 12; 14 und der vertikalen Mitte der Magneterfassungssonden 22; 24 ist H. Anders ausgedrückt kann jede Gruppe von zwei Magneterfassungssonden in einem Die in dem Sensorpackage mit einer horizontalen Trennung von 2W platziert werden, während die zwei Dies möglicherweise vertikal gestapelt sind, z.B. so dass jede einzelne Magneterfassungssonde in einem Die vertikal mit jeder Magneterfassungssonde in einem anderen Die mit einer vertikalen Trennung von H ausgerichtet ist. Die Magneterfassungssonden sind um eine vertikale Mittellinie 450 zentriert, die einen vertikalen Abstand von W zu (allen der) Magneterfassungssonden aufweist. Ein Leiter, der verwendet wird, um den zu messenden Strom zu leiten, kann an der vertikalen Mittellinie angeordnet sein, wobei er sich in eine z-Richtung des schematischen Querschnitts von 4 erstreckt.
Das Ausgangssignal für jeden Die kann das differenzielle Prinzip anwenden. Anders ausgedrückt können die zwei Gruppen von Magneterfassungssonden differenzielle Magnetfeldmessungen als Ausgaben ergeben, z.B. die erste differenzielle Magnetfeldmessung V₂₁ und die zweite differenzielle Magnetfeldmessung V₄₃, wobei Vij = V_i - V_j und V_i die Spannungsrepräsentation eines absoluten Magnetwerts für jede Magneterfassungssonde in dem Sensorbauelement ist. In den Formeln kann die Spannung, die unter Verwendung der Magneterfassungssonde 12 gemessen wird, mit V₁ bezeichnet werden, die Spannung, die unter Verwendung der Magneterfassungssonde 14 gemessen wird, kann mit V₂ bezeichnet werden und die erste differenzielle Magnetfeldmessung kann mit V₂₁ bezeichnet werden. Die unter Verwendung der Magneterfassungssonde 22 gemessene Spannung kann mit V₃ bezeichnet werden, die unter Verwendung der Magneterfassungssonde 24 gemessene Spannung 24 kann mit V₄ bezeichnet werden und die zweite differenzielle Magnetfeldmessung kann mit V₄₃ bezeichnet werden. Eine weitere differenzielle Magnetfeldmessung (d.h. eine duale differenzielle Magnetfeldmessung) V_dualdiff = V₂₁ - V₄₃ kann berechnet werden, entweder innerhalb des Chips oder extern durch eine Recheneinheit. In beiden Fällen kann das weitere Differenzial durch die Sensorschaltung 30 berechnet werden. Anders ausgedrückt kann die Sensorschaltung durch den Chip oder extern in einer Recheneinheit implementiert sein. Die Stromstärke des zu messenden Stromes kann basierend auf der weiteren differenziellen Magnetfeldmessung, z.B. basierend auf der Formel (wie in Verbindung mit 5A und 5b gezeigt), berechnet werden: $\begin{array}{l} B_{D U A L d i f f} = B_{21} - B_{43} \\ = \frac{μ}{2 π} (\frac{2 I_{1} W}{(W^{2} + d^{2})} - \frac{I_{2} (W + R cos φ)}{({(W + R cos φ)}^{2} + {(R sin φ)}^{2})} \\ + \frac{I_{2} (W - R cos φ)}{({(W - R cos φ)}^{2} + {(R sin φ)}^{2})} \frac{2 I_{2} W}{(W^{2} + {(d + H)}^{2})} \\ - \frac{I_{2} (W - R cos φ)}{({(W - R cos φ)}^{2} + {(H + R sin φ)}^{2})} \\ + \frac{I_{2} (W + R cos φ)}{({(W + R cos φ)}^{2} + {(H + R sin φ)}^{2})}) \end{array}$
Weitere Einzelheiten und Aspekte des Stromsensors 400 sind in Verbindung mit dem vorgeschlagenen Konzept oder einem oder mehreren vor- oder nachstehend (z.B. 3, 5a bis 6) beschriebenen Beispielen erwähnt. Der Stromsensor 400 kann ein oder mehrere zusätzliche optionale Merkmale aufweisen, die einem oder mehreren Aspekten des vorgeschlagenen Konzepts oder einem oder mehreren vor- oder nachstehend beschriebenen Beispielen entsprechen.
Bei 5a und 5b ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Stromsensors 500 gezeigt. Der Stromsensor 500 kann ähnlich zu zumindest einem der Stromsensoren 300 und 400 implementiert sein. Bei 5a und 5b ist die Anordnung der Magneterfassungssonden 12; 14; 22 und 24 innerhalb eines Koordinatensystems gezeigt. Zusätzlich ist ein Leiter 50 gezeigt, und eine Interferenzquelle 510, die ein weiterer Leiter sein kann. Die Interferenz wird durch elektrischen Strom I₂ verursacht, der durch den weiteren Leiter 510 fließt. Ein lateraler Abstand zwischen den Magneterfassungssonden und dem Leiter 50 ist W und ein horizontaler Abstand zwischen den Magneterfassungssonden der unterschiedlichen Gruppen ist H.
Bei 5a und 5b ist der Leiter 50 bei der kartesischen Koordinate (0, d) positioniert, d.h. an der vertikalen Mittellinie mit einem Abstand d von der ersten Gruppe von Magneterfassungssonden 12; 14. Der Ort der Interferenzquelle 510 ist in Polarkoordinaten (R, φ) in 5a, und in kartesischen Koordinaten (L, d) in 5b angegeben. Der Einfachheit halber ist in 5b der vertikale Abstand zwischen dem weiteren Leiter 510 und den Magneterfassungssonden 12; 14 der ersten Gruppe der gleiche (d) vertikale Abstand zwischen dem Leiter 50 und den Magneterfassungssonden 12; 14 der ersten Gruppe, und ein lateraler Abstand zwischen dem weiteren Leiter 510 und dem Leiter 50 ist L. 5b zeigt ferner einen anderen Leiter 520, der verwendet wird, um Strom I₃ an der kartesischen Position (2L, d) zu leiten. Bei 5a und 5b ist der zu messende elektrische Strom elektrischer Strom I₁, der durch den Leiter 50 fließt. Bei anderen Ausführungsbeispielen können andere relative Positionen gelten, z.B. die vertikale und laterale Position der Interferenzquellen kann unabhängig von der Position des Leiters 50 sein.
Wie in 5a und/oder 5b gezeigt ist, kann die erste Gruppe 10 von Magneterfassungssonden vertikal zwischen dem Leiter 50 und der zweiten Gruppe 20 von Magneterfassungssonden angeordnet sein. Der Leiter kann lateral (z.B. lateral zentriert) zwischen den Magneterfassungssonden der ersten und zweiten Gruppe von Magneterfassungssonden angeordnet sein. Bei einigen Ausführungsbeispielen verläuft der Leiter 50 durch das Package 40. Zum Beispiel kann der Leiter 50 (innerhalb des Packages) vertikal zwischen der ersten Gruppe 10 von Magneterfassungssonden und der zweiten Gruppe 20 von Magneterfassungssonden angeordnet sein. Alternativ kann die erste Gruppe von Magneterfassungssonden vertikal zwischen dem Leiter 50 und der zweiten Gruppe von Magneterfassungssonden angeordnet sein. Alternativ kann der Leiter 50 außerhalb des Packages 40 (z.B. separat von dem Stromsensor) angeordnet sein. In diesem Fall kann die erste Gruppe von Magneterfassungssonden vertikal zwischen dem Leiter 50 und der zweiten Gruppe von Magneterfassungssonden angeordnet sein. In jedem Fall können die Begriffe „erste Gruppe“ und „zweite Gruppe“ austauschbar sein. Dementsprechend kann die zweite Gruppe von Magneterfassungssonden vertikal zwischen dem Leiter 50 und der ersten Gruppe von Magneterfassungssonden angeordnet sein.
Im Folgenden wird die Magnetflussdichte B für Berechnungen verwendet, was proportional zu der Spannung ist, die unter Verwendung der Magneterfassungssonden innerhalb eines Betriebsbereichs des Stromsensors gemessen wird. Dementsprechend kann der Magnetfeldfluss, der unter Verwendung der Magneterfassungssonde 12 gemessen wird, mit B₁ bezeichnet werden, der Magnetfeldfluss, der unter Verwendung der Magneterfassungssonde 14 gemessen wird, kann mit B₂ bezeichnet werden und die erste differenzielle Magnetfeldmessung kann mit B₂₁ bezeichnet werden. Der unter Verwendung der Magneterfassungssonde 22 gemessene Magnetfeldfluss kann mit B₃ bezeichnet werden, der unter Verwendung der Magneterfassungssonde 24 gemessene Magnetfeldfluss kann mit B₄ bezeichnet werden und die zweite differenzielle Magnetfeldmessung kann mit B₄₃ bezeichnet werden. Das differenzielle Magnetfeld innerhalb der zwei Magneterfassungssonden innerhalb derselben Gruppe kann B₂₁ = B₂ - B₁ und B₄₃ = B₄ - B₃ ergeben. Das differenzielle Magnetfeld zwischen den zwei Gruppen kann bestimmt werden als B_DUALdiff = B₂₁ - B₄₃. B_DUALdiff kann verwendet werden, um I₁ (die Stromstärke des zu messenden Stroms) zu bestimmen, falls die Werte von W, d, R φ und I₂ bekannt sind, unter Verwendung der folgenden Formel: $\begin{array}{l} B_{D U A L d i f f} = B_{21} - B_{43} \\ = \frac{μ}{2 π} (\frac{2 I_{1} W}{(W^{2} + d^{2})} - \frac{I_{2} (W + R cos φ)}{({(W + R cos φ)}^{2} + {(R sin φ)}^{2})} \\ + \frac{I_{2} (W - R cos φ)}{({(W - R cos φ)}^{2} + {(R sin φ)}^{2})} \frac{2 I_{2} W}{(W^{2} + {(d + H)}^{2})} \\ - \frac{I_{2} (W - R cos φ)}{({(W - R cos φ)}^{2} + {(H + R sin φ)}^{2})} \\ + \frac{I_{2} (W + R cos φ)}{({(W + R cos φ)}^{2} + {(H + R sin φ)}^{2})}) \end{array}$
Falls W viel kleiner ist als R (W << R) und H viel kleiner ist als R (H << R); d.h. falls der laterale Abstand und der vertikale Abstand unter den Hall-Sonden viel kleiner ist als der Abstand zwischen den Hall-Sonden und der Interferenz-Quelle, kann sich B_DUALdiff angenähert werden durch $B_{D U A L d i f f} \approx \frac{μ I_{1}}{π} (\frac{W}{(W^{2} + d^{2})} - \frac{W}{(W^{2} + {(d + H)}^{2})})$
so dass I₁ (der zu messende Strom) unter Verwendung von B_DUALdiff und den konstanten Werten von W, d und H bestimmt werden kann. Bei B_DUALdiff verursacht die Interferenz, dass das Streumagnetfeld tief unterdrückt wird.
Ausgewertet wurden Ausführungsbeispiele eines Stromsensors, der vier Magneterfassungssonden umfasst. Ein Signalpegel an den 4 Magneterfassungssonden wurde gemessen, wobei der zu messende Strom 50 A betrug, und die Interferenz wurde dadurch verursacht, dass 500 A Strom mit einem Abstand von 20cm durch einen Leiter laufen. Einzelne differenzielle Signale B₂₁ und B₄₃ und duale differenzielle Signale (B₂₁ - B₄₃) wurden berechnet. Es wurde gezeigt, dass bei einer dualen differenziellen Operation der Interferenzstrom weniger Einfluss an dem Sensorausgang erzeugte als B_DUALdiff = B₂₁ - B₄₃ über einen 360-Grad-Positionswinkelbereich. Die Welligkeit von B_DUALdiff war in dem Bereich von 1% bis 6% der Welligkeit von entweder B₂₁ or B₄₃. Durch ein Anwenden einer differenziellen Operation (B_DUALdiff = B₂₁ - B₄₃) auf die differenziellen Messergebnisse (B₂₁ and B₄₃) wurde eine tiefere Streumagnetfeldunterdrückung erreicht.
Dementsprechend wurde eine bedeutende Interferenzreduzierung im Vergleich zu einer einzelnen differenziellen Stromerfassung erhalten, was das Sensorausgangssignal-SNR erhöht. Zusätzlich eine höhere Sensorsignalverfügbarkeit aufgrund vollständiger Redundanz, wobei bei Ausfall eines Dies ein reduzierter Betrieb durch ein anderes symmetrisches Die-Signal möglich ist. Aufgrund höherer Streufeld-Robustheit kann Zwischen-Sammelschienen-Kalibrierung bei Hochstromanwendungen eliminiert werden. Ferner ist möglicherweise keine komplizierte Kalibrierungsprozedur notwendig.
Zumindest einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung können auf der Integrierte-Schaltungs-Ebene implementiert sein, d.h. die Sensorschaltung kann in einem einzelnen Halbleiterbauelement implementiert sein. Auf Bauelementebene, vier Magneterfassungssonden in einer integrierten Schaltung, wobei jedes Paar von zwei Magneterfassungssonden differenzielle Magnetfelder misst und die gemessenen differenziellen Magnetfelder ferner mit einem differenziellen Prozess betrieben werden können, um das Endergebnis abzuleiten, wobei der zweite differenzielle Prozess entweder auf der integrierten Schaltung ausgeführt werden kann, oder außerhalb der integrierten Schaltung in einer Recheneinheit höherer Ebene.
Alternativ können die Ausführungsbeispiele auf einer Modulebene (d.h. zwei differenzielle Stromsensoren können kombiniert sein, um den Stromsensor der Ausführungsbeispiele zu bilden) implementiert sein, was eine Wiederverwendung von Komponenten (bei etwas geringeren Niveaus von Streufeldunterdrückung) ermöglichen kann. Auf einer Stromerfassungsmodulebene können vier Magneterfassungssonden ein Paar differenzieller Signale erzeugen, mit einem weiteren Differenzial auf dem Paar differenzieller Signale als Endausgabe.
Die Ausführungsbeispiele können sowohl auf IC-Entwicklung als auch auf Stromsensormodulentwicklung angewendet werden, und selbst mit vier individuellen Mono-Hall-Stromsensoren. Unter Verwendung von Ausführungsbeispielen kann eine genauere und robustere Strommessung erreicht werden.
Bei Anwendungen, bei denen mehrere Leiter in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sind, können Ausführungsbeispiele verwendet werden, um die Effekte von Übersprechen zu mildern. Da Übersprecheneffekte bei dualer differenzieller Stromerfassung (gemäß zumindest einigen Ausführungsbeispielen) im Vergleich zu einem einzelnen differenziellen Stromsensor unbedeutend sind, kann eine Kalibrierung des Stromsensors erleichtert werden, da möglicherweise nur die Stromsensor-Übertragungsfunktion kalibriert wird.
Ausführungsbeispiele können durch ein Verwenden von vier Magneterfassungssonden ein Strommessverfahren mit einem Interferenzunterdrückungsmerkmal bereitstellen. Ausführungsbeispiele können durch ein Verwenden von vier Magneterfassungssonden ferner ein Strommessverfahren mit einem Redundanzmerkmal bereitstellen. Bei jedem der Strommessverfahren können die vier Magneterfassungssonden auf zwei separaten vertikal gestapelten Dies innerhalb eines Integrierte-Schaltungs-Bauelements platziert sein, wobei jeder Die zwei Magneterfassungssonden umfasst. Jede Magneterfassungssonde auf dem gleichen Die kann horizontal ausgerichtet sein. Jede Magneterfassungssonde kann mit der entsprechenden Magneterfassungssonde auf einem anderen Die vertikal ausgerichtet sein. Ausführungsbeispiele können ferner ein Integrierte-Schaltungs-Bauelement bereitstellen, dass die differenzielle Magnetfeldstärke bereitstellt, die durch die Magneterfassungssonden unter Verwendung eines der Strommessverfahren gemessen wird. Ausführungsbeispiele stellen ferner ein Integrierte-Schaltungs-Bauelement bereit, dass die differenzielle Magnetfeldstärke bereitstellt, die durch die Magneterfassungssonden auf unterschiedlichen Dies unter Verwendung eines der Strommessverfahren gemessen wird.
Weitere Einzelheiten und Aspekte des Stromsensors 500 sind in Verbindung mit dem vorgeschlagenen Konzept oder einem oder mehreren vor- oder nachstehend (z.B. 3, 4 oder 6) beschriebenen Beispielen erwähnt. Der Stromsensor 500 kann ein oder mehrere zusätzliche optionale Merkmale aufweisen, die einem oder mehreren Aspekten des vorgeschlagenen Konzepts oder einem oder mehreren vor- oder nachstehend beschriebenen Beispielen entsprechen.
6 zeigt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Erfassen einer Stärke eines elektrischen Stroms. Das Verfahren umfasst ein Bestimmen 610 einer ersten differenziellen Magnetfeldmessung eines Magnetfelds unter Verwendung der Sonden 12; 14 einer ersten Gruppe 10 von Magneterfassungssonden. Das Magnetfeld wird durch einen zu messenden elektrischen Strom verursacht. Das Verfahren umfasst ein Bestimmen 620 einer zweiten differenziellen Magnetfeldmessung des Magnetfelds unter Verwendung der Sonden 22; 24 einer zweiten Gruppe 20 von Magneterfassungssonden. Das Verfahren umfasst ein Bestimmen 630 einer Stärke des zu messenden elektrischen Stroms basierend auf einem Unterschied zwischen der ersten differenziellen Magnetfeldmessung und der zweiten differenziellen Magnetfeldmessung.
Weitere Details und Aspekte des Verfahrens werden in Verbindung mit dem vorgeschlagenen Konzept oder einem oder mehreren der vorangehend oder nachfolgend beschriebenen (z.B. 3 bis 5b) Beispiele erwähnt. Das Verfahren kann ein oder mehrere zusätzliche optionale Merkmale aufweisen, die einem oder mehreren Aspekten des vorgeschlagenen Konzepts oder einem oder mehreren, vorstehend oder nachstehend beschriebenen Beispielen entsprechen.
Die Aspekte und Merkmale, die zusammen mit einem oder mehreren der vorher detaillierten Beispiele und Figuren erwähnt und beschrieben sind, können auch mit einem oder mehreren der anderen Beispiele kombiniert werden, um ein gleiches Merkmal des anderen Beispiels zu ersetzen oder um das Merkmal in das andere Beispiel zusätzlich einzuführen.
Die Beschreibung und Zeichnungen stellen nur die Grundsätze der Offenbarung dar. Weiterhin sollen alle hier aufgeführten Beispiele grundsätzlich ausdrücklich nur darstellenden Zwecken dienen, um den Leser bei dem Verständnis der Grundsätze der Offenbarung und der durch den (die) Erfinder beigetragenen Konzepte zur Weiterentwicklung der Technik zu unterstützen. Alle Aussagen hierin über Grundsätze, Aspekte und Beispiele der Offenbarung sowie konkrete Beispiele derselben sollen deren Entsprechungen umfassen.
Ein als „Mittel zu...“ bezeichneter Funktionsblock, der eine bestimmte Funktion ausführt, kann sich auf eine Schaltung beziehen, die zum Durchführen einer bestimmten Funktion ausgebildet ist. Somit kann ein „Mittel für etwas“ als ein „Mittel ausgebildet für oder geeignet für etwas“ implementiert sein, wie beispielsweise eine Vorrichtung oder eine Schaltung, die ausgebildet ist für oder geeignet ist für die jeweilige Aufgabe.
Funktionen verschiedener in den Figuren gezeigter Elemente einschließlich jeder als „Mittel“, „Mittel zum Bereitstellen eines Signals“, „Mittel zum Erzeugen eines Signals“, etc. bezeichneter Funktionsblöcke kann in Form dedizierter Hardware, wie beispielsweise „eines Signalanbieters“, „einer Signalverarbeitungseinheit“, „eines Prozessors“, „einer Steuerung“ etc. sowie als Hardware fähig zum Ausführen von Software in Verbindung mit zugehöriger Software implementiert sein. Bei Bereitstellung durch einen Prozessor können die Funktionen durch einen einzelnen dedizierten Prozessor, durch einen einzelnen gemeinschaftlich verwendeten Prozessor oder durch eine Mehrzahl von individuellen Prozessoren bereitgestellt sein, von denen einige oder von denen alle gemeinschaftlich verwendet werden können. Allerdings ist der Begriff „Prozessor“ oder „Steuerung“ bei Weitem nicht auf ausschließlich zur Ausführung von Software fähige Hardware begrenzt, sondern kann Digitalsignalprozessor (DSP; Digital Signal Processor) -Hardware, einen Netzwerkprozessor, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC; Application Specific Integrated Circuit), ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA; Field Programmable Gate Array), Nur-Lese-Speicher (ROM; Read Only Memory) zum Speichern von Software, Direktzugriffsspeicher (RAM; Random Access Memory) und nichtflüchtige Speicherung umfassen. Sonstige Hardware, herkömmliche und/oder kundenspezifische, kann auch umfasst sein.
Ein Blockdiagramm kann zum Beispiel ein detailliertes Schaltdiagramm darstellen, das die Grundsätze der Offenbarung implementiert. Auf ähnliche Weise können ein Flussdiagramm, ein Ablaufdiagramm, ein Zustandsübergangsdiagramm, ein Pseudocode und dergleichen verschiedene Prozesse, Operationen oder Schritte repräsentieren, die zum Beispiel im Wesentlichen in einem computerlesbaren Medium dargestellt und so durch einen Computer oder Prozessor ausgeführt werden können, ungeachtet dessen, ob ein solcher Computer oder Prozessor explizit gezeigt ist. In der Beschreibung oder in den Patentansprüchen offenbarte Verfahren können durch eine Vorrichtung implementiert werden, die ein Mittel zum Ausführen eines jeden der jeweiligen Schritte dieser Verfahren aufweist.
Es versteht sich, dass die Offenbarung mehrerer, in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbarter Handlungen, Prozesse, Operationen, Schritte oder Funktionen nicht als in der bestimmten Reihenfolge befindlich ausgelegt werden soll, sofern dies nicht explizit oder implizit anderweitig, zum Beispiel aus technischen Gründen, angegeben ist. Daher werden diese durch die Offenbarung von mehreren Schritten oder Funktionen nicht auf eine bestimmte Reihenfolge begrenzt, es sei denn, dass diese Schritte oder Funktionen aus technischen Gründen nicht austauschbar sind. Ferner kann bei einigen Beispielen eine einzelne Handlung, Funktion, Prozess, Operation oder Schritt jeweils mehrere Teilhandlungen, -funktionen, -prozesse, -operationen oder -schritte einschließen und/oder in dieselben aufgebrochen werden. Solche Teilschritte können eingeschlossen sein und Teil der Offenbarung dieses Einzelschritts sein, sofern sie nicht explizit ausgeschlossen sind.
Weiterhin sind die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wo jeder Anspruch als ein getrenntes Beispiel für sich stehen kann. Obwohl jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann, ist zu beachten, dass - obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine bestimmte Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann - andere Beispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs umfassen können. Solche Kombinationen werden hier explizit vorgeschlagen, sofern nicht angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner sollen auch Merkmale eines Anspruchs für jeden anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch gemacht ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2013/0162245 A1 [0003]
EP 3185019 A1 [0004]

Claims

Ein Stromsensor (300; 400; 500) zum Erfassen einer Stärke eines elektrischen Stroms, der Stromsensor umfassend: eine erste (10) und eine zweite (20) Gruppe von Magneterfassungssonden, wobei die erste Gruppe (10) von Magneterfassungssonden auf einem ersten Die (16) implementiert ist, und wobei die zweite Gruppe (20) von Magneterfassungssonden auf einem zweiten Die (26) implementiert ist; und eine Sensorschaltung (30), die mit der ersten (10) und zweiten (20) Gruppe von Magneterfassungssonden gekoppelt ist, wobei die Sensorschaltung (30) ausgebildet ist, zum: Bestimmen einer ersten differenziellen Magnetfeldmessung eines Magnetfelds unter Verwendung von Sonden (12;14) der ersten Gruppe (10) von Magneterfassungssonden, wobei das Magnetfeld durch einen zu messenden elektrischen Strom verursacht wird; Bestimmen einer zweiten differenziellen Magnetfeldmessung des Magnetfeldes unter Verwendung von Sonden (22; 24) der zweiten Gruppe (20) von Magneterfassungssonden; und Bestimmen einer Stärke des zu messenden elektrischen Stroms basierend auf einem Unterschied zwischen der ersten differenziellen Magnetfeldmessung und der zweiten differenziellen Magnetfeldmessung.
Der Stromsensor gemäß Anspruch 1, wobei die erste (10) und die zweite (20) Gruppe von Magneterfassungssonden jeweils zwei Magneterfassungssonden (12; 14; 22; 24) umfasst, wobei die erste differenzielle Magnetfeldmessung unter Verwendung der zwei Magneterfassungssonden (12; 14) der ersten Gruppe (10) von Magneterfassungssonden bestimmt ist, und wobei die zweite differenzielle Magnetfeldmessung unter Verwendung der zwei Magneterfassungssonden (22; 24) der zweiten (20) Gruppe von Magneterfassungssonden bestimmt ist.
Der Stromsensor gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Magneterfassungssonden (12; 14) der ersten Gruppe (10) lateral voneinander beabstandet auf dem ersten Die (16) angeordnet sind, wobei die Magneterfassungssonden (22; 24) der zweiten Gruppe (20) lateral voneinander beabstandet auf dem zweiten Die (26) angeordnet sind.
Der Stromsensor gemäß Anspruch 3, wobei der erste Die (16) und der zweite Die (26) vertikal benachbart zueinander angeordnet sind.
Der Stromsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste (16) und der zweite (26) Die aufeinandergestapelt sind.
Der Stromsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste (16) und der zweite (26) Die an gegenüberliegenden Seiten eines Substrats (45) eines Packages (40) des Stromsensors (100) angeordnet sind.
Der Stromsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Stromsensor ein Package (40) umfasst, das die erste und zweite Gruppe von Magneterfassungssonden und die Sensorschaltung umfasst.
Der Stromsensor gemäß Anspruch 7, wobei der zu messende elektrische Strom elektrischer Strom ist, der durch einen Leiter (50) fließt, wobei der Leiter (50) durch das Package (40) verläuft oder wobei der Leiter (50) außerhalb des Packages (40) anzuordnen ist.
Der Stromsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Magneterfassungssonden einer Gruppe (10; 20) von Magneterfassungssonden lateral aneinander ausgerichtet sind.
Ein Verfahren zum Erfassen einer Stärke eines elektrischen Stroms; das Verfahren umfassend: Bestimmen (610) einer ersten differenziellen Magnetfeldmessung eines Magnetfelds unter Verwendung von Sonden (12; 14) einer ersten Gruppe (10) von Magneterfassungssonden, wobei das Magnetfeld durch einen zu messenden elektrischen Strom verursacht wird und wobei die erste Gruppe (10) von Magneterfassungssonden auf einem ersten Die (16) implementiert ist; Bestimmen (620) einer zweiten differenziellen Magnetfeldmessung des Magnetfeldes unter Verwendung von Sonden (22; 24) einer zweiten Gruppe (20) von Magneterfassungssonden und wobei die zweite Gruppe (20) von Magneterfassungssonden auf einem zweiten Die (26) implementiert ist; und Bestimmen (630) einer Stärke des zu messenden elektrischen Stroms basierend auf einem Unterschied zwischen der ersten differenziellen Magnetfeldmessung und der zweiten differenziellen Magnetfeldmessung.