DE102022129215B3

DE102022129215B3 - Vorrichtung und Verfahren zur Strommessung

Info

Publication number: DE102022129215B3
Application number: DE102022129215.0A
Authority: DE
Inventors: Mario Motz; Francesco Polo
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2022-11-04
Filing date: 2022-11-04
Publication date: 2024-04-25
Anticipated expiration: 2042-11-05
Also published as: US20240151784A1; CN117990969A

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Stromsensor (20), umfassend einen Magnetfeldsensor (21) zum Messen eines durch einen elektrischen Strom verursachten Magnetfelds, einen Ausgangsanschluss (24) zum Bereitstellen eines verstärkten Messsignals von dem Magnetfeldsensor (21), wobei der Magnetfeldsensor (21) und der Ausgangsanschluss (24) durch einen analogen Signalpfad (22) mit wenigstens einem Verstärker (23) verbunden sind, wobei der analoge Signalpfad (22) einen Frequenzgang aufweist, einen Temperatursensor (25) zum Messen einer Temperatur; und eine mit dem analogen Signalpfad (22) gekoppelte Kompensationsschaltung (26), die ausgebildet ist, den Frequenzgang des analogen Signalpfads in Abhängigkeit von der Temperatur zu korrigieren.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur Strommessung, bei denen Wirbelstromeffekte Berücksichtigung finden.
Hintergrund
Einige Stromsensoren arbeiten basierend auf der Messung von Magnetfeldern, die durch elektrische Ströme hervorgerufen werden. Basierend auf der Stärke eines Magnetfelds kann dann auf einen das Magnetfeld verursachenden elektrischen Strom zurückgeschlossen werden. Die DE 10 2021 102 051 A1 beischreibt eine Magnetfeldsensorschaltung mit einer Erste-Stufe-Verstärkerschaltung mit einem Pol bei einer ersten Frequenz und mit einer Zweite-Stufe-Verstärkerschaltung mit einer mit einer Null bei der ersten Frequenz. Bei hohen Frequenzen können durch ein zu messendes Magnetfeld Wirbelströme induziert werden, welche das zu messende Magnetfeld beeinträchtigen und somit ein Messresultat verfälschen. Im Allgemeineinen ist eine Stromdichte derartiger Wirbelströme temperaturabhängig, da die Eindringtiefe der Wirbelstromeffekte durch die stark temperaturabhängige Leitfähigkeit der Stromleiters beeinflusst wird.
Es besteht demnach ein Bedarf an Konzepten zur Kompensation von Wirbelstromeffekten bei der Strommessung.
Zusammenfassung
Diesem Bedarf wird durch Vorrichtungen und Verfahren gemäß der unabhängigen Patentansprüche Rechnung getragen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Stromsensor vorgeschlagen. Der Stromsensor umfasst einen Magnetfeldsensor zum Messen eines durch einen elektrischen Strom verursachten Magnetfelds. Der Stromsensor umfasst einen Ausgangsanschluss zum Bereitstellen eines verstärkten Messsignals des Magnetfeldsensors. Der Magnetfeldsensor und der Ausgangsanschluss sind durch einen analogen Signalpfad mit wenigstens einem Verstärker verbunden. Der analoge Signalpfad weist einen Frequenzgang auf. Der Stromsensor umfasst ferner einen Temperatursensor zum Messen einer Temperatur und eine mit dem analogen Signalpfad gekoppelte Kompensationsschaltung, die ausgebildet ist, um den Frequenzgang des analogen Signalpfads in Abhängigkeit von der Temperatur zu korrigieren. Mit der Kompensationsschaltung können temperaturabhängige Wirbelstromeffekte im Frequenzgang des analogen Signalpfads kompensiert werden.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen weist die Kompensationsschaltung wenigstens eine in Abhängigkeit von der Temperatur schaltbare passive Filterkomponente auf. Passive Filter basieren auf Kombinationen von Widerständen (R), Spulen (L) und/oder Kondensatoren (C). Da diese Filter ohne externe Spannungsversorgung arbeiten können, werden diese Kombinationen „passive Filter“ genannt. Je nach Aufbau, können die Filter als Tiefpass-, Bandpass-, Hochpass-, Bandstopp- oder als Allpassfilter wirken. Gemäß einigen Ausführungsbeispielen weist die Kompensationsschaltung also in Abhängigkeit von der Temperatur schaltbare Widerstände und/oder Kapazitäten (Kondensatoren) auf, um den Frequenzgang des analogen Signalpfads temperaturabhängig zu beeinflussen.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen weist der analoge Signalpfad einen ersten Verstärker und einen zweiten Verstärker auf. Die Kompensationsschaltung ist zwischen den ersten und zweiten Verstärker geschaltet. Bei dem ersten und zweiten Verstärker kann es sich um zwei nacheinander geschaltete Verstärkerstufen, wie z.B. einem Vorverstärker und einen Endverstärker handeln. Die Verstärker können - je nach Ausführungsform - als Single-Ended-Verstärker oder als Differenzverstärker ausgebildet sein.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen weist die Kompensationsschaltung in Abhängigkeit von der Temperatur schaltbare Widerstände und/oder Kapazitäten auf, die zwischen einen Ausgang des ersten Verstärkers und einen Eingang des zweiten Verstärkers geschaltet sind.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen weist der erste Verstärker eine erste Übertragungsfunktion mit einer Polstelle bei einer ersten Frequenz auf. Der zweite Verstärker weist eine zweite Übertragungsfunktion mit einer Nullstelle bei der ersten Frequenz auf.
Eine Nullstelle einer Übertragungsfunktion bezeichnet eine Wurzel des Zählerpolynoms der Übertragungsfunktion, während eine Polstelle der Übertragungsfunktion eine Wurzel des Nennerpolynoms der Übertragungsfunktion bezeichnet. Eine Polfrequenz entspricht einer Eckfrequenz, bei der die Steigung der Magnitudenkurve der Übertragungsfunktionen um 20 dB/Dekade abnimmt, und eine Nullfrequenz entspricht einer Eckfrequenz, bei der die Steigung um 20 dB/Dekade zunimmt.
Während der Pol der ersten Übertragungsfunktion bei der ersten Frequenz einen Wirbelstromeffekt einer Messspulen-Stromleiteranordnung, der durch Hochfrequenz- (AC-) Magnetfelder (Ströme) verursacht wird, begrenzen kann, kann die Nullstelle der zweiten Übertragungsfunktion bei derselben ersten Frequenz diesen Pol kompensieren, was zu einer im Wesentlichen flachen Gesamtübertragungsfunktion um die erste Frequenz führt.
Durch in Abhängigkeit von der Temperatur schaltbare Widerstände und/oder Kapazitäten im Signalpfad können derartige Pol- bzw. Nullstellen temperaturabhängig verschoben werden.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen weist der erste Verstärker einen nicht-invertierenden und einen invertierenden Ausgang auf. Der zweite Verstärker weist einen nicht-invertierenden Eingang und einen invertierenden Eingang auf. Beide Verstärker können also als Verstärker für eine differenzielle Signalführung ausgebildet sein. Die Kompensationsschaltung weist ein zwischen den nicht-invertierenden Ausgang des ersten Verstärkers und den invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers gekoppeltes erstes RC-Glied mit in Abhängigkeit von der Temperatur einstellbarem Widerstand und/oder Kapazität auf. Die Kompensationsschaltung weist ferner ein zwischen den invertierenden Ausgang des ersten Verstärkers und den nicht-invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers gekoppeltes zweites RC-Glied mit in Abhängigkeit von der Temperatur einstellbarem Widerstand und/oder Kapazität auf.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen weist der Magnetfeldsensor eine Spule auf.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen weist der Magnetfeldsensor einen magnetoresistiven Sensor auf, wie z.B. einen GMR- oder TMR-Sensor. Die Kompensationsschaltung kann ausgebildet sein, eine Frequenzabhängigkeit einer Rückkopplung von einem Ausgang auf einen Eingang des Verstärkers in Abhängigkeit von der Temperatur einzustellen.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen umfasst der Stromsensor ferner eine Steuerschaltung, die ausgebildet ist, in Abhängigkeit von der Temperatur digitale Steuersignale zum Einstellen von Widerständen und/oder Kapazitäten der Kompensationsschaltung auszugeben. Mit den digitalen Steuersignale können z.B. Schalter gesteuert werden.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen ist der Stromsensor als integrierter Schaltkreis (IC) in einem Chipgehäuse ausgebildet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zur Strommessung vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst ein Messen eines durch einen elektrischen Strom verursachten Magnetfelds mit einem Magnetfeldsensor und ein Bereitstellen eines verstärkten Messsignals von dem Magnetfeldsensor an einem Ausgangsanschluss. Der Magnetfeldsensor und der Ausgangsanschluss werden durch einen analogen Signalpfad mit wenigstens einem Verstärker verbunden, wobei der analoge Signalpfad einen Frequenzgang aufweist. Es wird eine Temperatur gemessen und der Frequenzgangs des analogen Signalpfads in Abhängigkeit von der Temperatur korrigiert. Dadurch können temperaturabhängige Wirbelstromeffekte im Frequenzgang kompensiert werden.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen wird der Frequenzgang für Frequenzen (des Magnetfelds) oberhalb von 50 kHz korrigiert. Unterhalb dieser Schwelle können Wirbelstromeffekte vernachlässigbar sein.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen wird der Frequenzgang durch temperaturabhängiges Schalten von Widerständen und/oder Kapazitäten in dem analogen Signalpfad korrigiert.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Korrigieren des Frequenzgangs ein temperaturabhängiges Verschieben einer Pol- und/oder Nullstelle in einer Übertragungsfunktion des analogen Signalpfads.
Figurenkurzbeschreibung
Einige Beispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren lediglich beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1A eine perspektivische Darstellung eines Stromsensor-ICs auf einer Stromschiene
1B eine Temperaturabhängigkeit von Wirbelstromeffekten im Frequenzgang;
2A ein Blockdiagram eines Stromsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2B ein Stromsensor mit zwei Verstärkerstufen und dazwischen geschaltete Wirbelstromeffekt-Kompensationsschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2C ein Stromsensor mit zwei Verstärkerstufen und dazwischen geschaltete Wirbelstromeffekt-Kompensationsschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
3A ein Stromsensor mit Instrumentenverstärker und Kompensationsschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
3B ein Stromsensor mit Transkonduktanzverstärker und Kompensationsschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; und
4 einen kompensierten Frequenzgang ohne Amplitudenüberhöhung.

Beschreibung
Einige Beispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren beschrieben. Weitere mögliche Beispiele sind jedoch nicht auf die Merkmale dieser detailliert beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Diese können Modifikationen der Merkmale sowie Entsprechungen und Alternativen zu den Merkmalen aufweisen. Ferner soll die Terminologie, die hierin zum Beschreiben bestimmter Beispiele verwendet wird, nicht einschränkend für weitere mögliche Beispiele sein.
Gleiche oder ähnliche Bezugszeichen beziehen sich in der gesamten Beschreibung der Figuren auf gleiche oder ähnliche Elemente beziehungsweise Merkmale, die jeweils identisch oder auch in abgewandelter Form implementiert sein können, während sie die gleiche oder eine ähnliche Funktion bereitstellen. In den Figuren können ferner die Stärken von Linien, Schichten und/oder Bereichen zur Verdeutlichung übertrieben sein.
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 im Einzelfall ausdrücklich anders definiert. Als alternative Formulierung für die gleichen Kombinationen kann „zumindest eines von A und B“ oder „A und/oder B“ verwendet werden. Das gilt Äquivalent für Kombinationen von mehr als zwei Elementen.
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 mehrere Elemente verwenden, um die gleiche Funktion zu implementieren. Wenn eine Funktion im Folgenden 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 deren Gebrauch das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente, Komponenten und/oder einer Gruppe derselben beschreiben, dabei aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente, Komponenten und/einer Gruppe derselben ausschließen.
Die 1A zeigt eine perspektivische Darstellung eines Stromsensor-ICs 10, der auf einer Stromschiene 12 - beispielsweise aus Kupfer - angebracht ist. Die Stromschiene 12 ist über Anschlüsse 14 mit einer Leitplatte (PCB) 16 gekoppelt. Die Stromschiene 12 spannt eine x-y-Ebene auf, in welcher ein zu messender Strom I fließt. Um eine Stromdichte des Stroms I für den Stromsensor-IC 10 zu erhöhen, ist im gezeigten Beispiel die Stromschiene 12 unterhalb des Stromsensor-ICs 10 mit einem Schlitz 18 in y-Richtung versehen, um welchen der elektrische Strom herumfließen muss. Der elektrische Strom in der Stromschiene 12 verursacht ein Magnetfeld in z-Richtung (out-of-plane), welches von dem Stromsensor-IC 10 gemessen werden kann. Dazu kann der Stromsensor-IC 10 beispielsweise eine Messspule, einen Hall-Sensor aufweisen. Entsprechend können Magnetkomponenten in der Chipebene mit magneto-resistiven Sensoren (xMR Sensoren) gemessen werden, die ebenfalls durch Wirbelstromeffekte im Stromleiter beeinflusst sind.
Im Falle eines zu messenden Wechselstroms und damit eines zu messenden Wechselmagnetfelds kann es neben dem eigentlich zu messenden Wechselstrom zu Wirbelströmen kommen, die von dem zu messenden Wechselmagnetfeld induziert werden. Diese Wirbelströme verursachen wiederum ein Magnetfeld, welches die Messung verfälscht. Werden solche Wirbelstromeffekte nicht kompensiert, kann es für Frequenzen > 50kHz zu Messfehlern von einigen Prozent (z.B. 3 - 5%) kommen. Dies Messfehler können zudem noch temperaturabhängig sein. Dieser Zusammenhang ist in 1B dargestellt, die für Frequenzen >100 kHz einen Messfehler aufgrund von Wirbelstromeffekten von 3... 5% zeigt. Eine Amplitude des gemessenen Stroms erhöht sich aufgrund der Wirbelströme. Zudem ist der Messfehler aufgrund von Wirbelstromeffekten auch noch temperaturabhängig. Die 1B zeigt einen beispielhaften Frequenzdrift der Amplitudenüberhöhung aufgrund von Wirbelstromeffekten von 3.300 ppm/K.
Die vorliegende Offenbarung schlägt nun verschiedene Schaltungskonzepte für Stromsensoren vor, die Wirbelstromeffekte temperaturabhängig kompensieren können.
Dazu zeigt die 2A grundlegendes Blockdiagramm einer Stromsensorschaltung 20 gemäß der vorliegenden Offenbarung.
Die Stromsensorschaltung 20 umfasst einen Magnetfeldsensor 21 zum Messen eines durch einen elektrischen Strom verursachten Magnetfelds. Bei dem Magnetfeldsensor 21 kann es sich - je nach Ausführungsform - um eine Messspule, einen Hall-Sensor, oder einen xMR-Sensor handeln. Über einen analogen Signalpfad 22 mit wenigstens einem (analogen) Messverstärker 23 ist der Magnetfeldsensor 21 mit einem Ausgangsanschluss 24 zum Bereitstellen eines verstärkten Messsignals verbunden. Der analoge Signalpfad 22 inklusive dem Messverstärker 23 weist einen Frequenzgang (Übertragungsfunktion) auf.
Der wenigstens eine (Mess-) Verstärker 23 kann einen oder mehrere Operationsverstärker (OPVs) und/oder Transkunduktanzverstärker (OTA) aufweisen. Je nach Implementierung kann der Verstärker 23 als Differenzverstärker oder Single-Ended Verstärker betrieben werden. Der wenigstens eine Verstärker 23 kann zusätzlich aktive oder passive Filter aufweisen, welche den Frequenzgang des analogen Signalpfads 22 beeinflussen. Der Frequenzgang beschreibt den Zusammenhang zwischen Ein- und Ausgangssignal eines linearen zeitinvarianten Systems (LZI-System) bei einer sinusförmigen Anregung bezüglich der Amplitude und der Phase.
Die Stromsensorschaltung 20 umfasst ferner einen Temperatursensor 25 zum Messen einer Temperatur und eine mit dem analogen Signalpfad 22 gekoppelte Kompensationsschaltung 26. Die Kompensationsschaltung 26 ist ausgebildet, um den Frequenzgang des analogen Signalpfads 22 in Abhängigkeit von der (gemessenen) Temperatur zu korrigieren. Mit der Kompensationsschaltung 26 können temperaturabhängige Wirbelstromeffekte (wie beispielsweise in 1B gezeigt) im Frequenzgang des analogen Signalpfads 22 kompensiert werden. Beispielsweise kann eine wirbelstrombedingte und temperaturabhängige Amplitudenüberhöhung des Messignals durch die Kompensationsschaltung 26 ausgeglichen werden.
Im Folgenden werden einige Ausführungsbespiele der Stromsensorschaltung 20 mit temperaturabhängiger Wirbelstromkompensation beschrieben.
Das in 2B gezeigte Ausführungsbeispiel der Stromsensorschaltung 20 umfasst einen als Spule ausgebildeten Magnetfeldsensor 21. Die Spule 21 stellt hier ein differenzielles Messsignal mit einem ersten (oberen) und zweiten (unteren) Signalzweig bereit. Der erste Signalzweig des differenziellen Messsignals wird einem inventierenden Eingang einer ersten Verstärkerstufe 23-1 zugeführt. Der zweite Signalzweig des differenziellen Messsignals wird einem nicht-inventierenden Eingang der ersten Verstärkerstufe 23-1 zugeführt. Am Ausgang der ersten Verstärkerstufe 23-1 wird über einen nicht-inventierenden Ausgang ein erster (oberer) Signalzweig eines verstärkten differenziellen Messsignals und über einen inventierenden Ausgang ein zweiter (unterer) Signalzweig des verstärkten differenziellen Messsignals bereitgestellt.
Die erste Verstärkerstufe 23-1 weist eine zwischen Eingang und Ausgang gekoppelte erste Filterschaltung auf. Die erste Filterschaltung ist sowohl zwischen inventierenden Eingang und nicht-invertierenden Ausgang als auch zwischen nicht-inventierenden Eingang und invertierenden Ausgang gekoppelt. Die erste Filterschaltung weist eine zwischen (inventierenden bzw. nicht-inventierenden) Ein- und (nicht-inventierenden bzw. inventierenden) Ausgang der ersten Verstärkerstufe 23-1 gekoppelte Parallelschaltung aus einem elektrischen Widerstand R1 und einer Kapazität C1 auf. Die erste Filterschaltung hat eine Übertragungsfunktion mit einem Pol bei einer ersten Frequenz f_p1. Diese erste (Pol-)Frequenz f_p1 entspricht einer Eckfrequenz, bei der die Steigung der Amplitudenkurve der Übertragungsfunktion der ersten Verstärkerstufe 23-1 um 20 dB/Dekade abnimmt. Die erste Filterschaltung kann also ein Tiefpassfilter sein. Die erste Filterschaltung mit dem Pol bei der Frequenz f_p1 kann den Ausgangshub der Spule 21 für (Strom-) Frequenzen über f_p1 begrenzen.
Zwischen den ersten Signalzweig und den zweiten Signalzweig des verstärkten differenziellen Messsignals ist eine Kompensationsschaltung 26 gekoppelt, um den Frequenzgang des analogen Signalpfads zwischen Messspule 21 und Ausgang 24 in Abhängigkeit von der Temperatur zu korrigieren. Die Kompensationsschaltung 26 weist in Abhängigkeit von der Temperatur schaltbare Widerstände R2, R21 und/oder Kapazitäten C4 auf, die zwischen den ersten Signalzweig und den zweiten Signalzweig des verstärkten differenziellen Messsignals geschaltet werden können. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Serienschaltung aus Widerstand R21 und (schaltbarer) Kapazität C4 zwischen den ersten Signalzweig und den zweiten Signalzweig des verstärkten differenziellen Messsignals geschaltet. Gleichermaßen ist eine Serienschaltung aus Widerstand R21 und (schaltbarer) Kapazität C4 zwischen den zweiten Signalzweig und den ersten Signalzweig des verstärkten differenziellen Messsignals geschaltet (Kreuzkopplung). Es versteht sich, dass die Kompensationsschaltung 26 auch andere Schaltungsanordnungen aufweisen könnte, welche die Wirbelstromeffekte temperaturabhängig kompensieren können.
Durch die Kompensationsschaltung 26 können beispielsweise Pol-Null-Komponenten in den HF-Signalpfad 22 mit passiven Bauelementen (R und C) temperaturabhängig eingefügt werden. Die Pol-Null-Komponenten können durch digital unterstütztes Schalten der Kapazitäten C bzw. Widerstände R verändert werden. Wirbelstromeffekte verlagern sich mit steigender Temperatur zu höheren Frequenzen, was mit abnehmenden R- oder C-Bauteilen kompensiert werden kann.
Ausgangsseitig zu der Kompensationsschaltung 26 der 2B ist eine zweite Verstärkerstufe 23-2 vorgesehen. Der erste Signalzweig des verstärkten differenziellen Messsignals wird einem inventierenden Eingang der zweiten Verstärkerstufe 23-2 zugeführt. Der zweite Signalzweig des verstärkten differenziellen Messsignals wird einem nicht-inventierenden Eingang der zweiten Verstärkerstufe 23-2 zugeführt. Am Ausgang 24 der zweiten Verstärkerstufe 23-2 wird über einen nicht-inventierenden Ausgang ein erster Signalzweig eines differenziellen Ausgangssignals und über einen inventierenden Ausgang ein zweiter Signalzweig des differenziellen Ausgangssignals bereitgestellt.
Die zweite Verstärkerstufe 23-2 weist eine zwischen Eingang und Ausgang gekoppelte zweite Filterschaltung auf. Die zweite Filterschaltung ist sowohl zwischen inventierenden Eingang und nicht-invertierenden Ausgang als auch zwischen nicht-inventierenden Eingang und invertierenden Ausgang gekoppelt. Die zweite Filterschaltung weist eine zwischen (inventierenden bzw. nicht-inventierenden) Ein- und Ausgang der zweiten Verstärkerstufe 23-2 gekoppelte Parallelschaltung aus einem elektrischen Widerstand R1 und einer Serienanordnung aus Widerstand R3 und Kapazität C3 auf. Die zweite Filterschaltung hat eine Übertragungsfunktion mit einer Nullstelle bei der ersten Frequenz f_z2 = f_p1. Diese Nullfrequenz f_z2 = f_p1 entspricht einer Eckfrequenz, bei der die Steigung der Amplitudenkurve der Übertragungsfunktion der zweiten Verstärkerstufe 23-2 um 20 dB/Dekade zunimmt. Die zweite Filterschaltung der zweiten Verstärkerstufe 23-2 kann also ein Hochpassfilter sein.
Die Nullstelle bei der Frequenz f_z2 = f_p1 kann den Pol bei der Frequenz f_p1 kompensieren, so dass eine Amplitudenkurve einer Gesamtübertragungsfunktion der Verstärkerstufen 23-1, 23-2 bei der Frequenz f_p1 im Wesentlichen flach ist. Durch Wirbelstromeffekte kann es allerdings zu Amplitudenüberhöhungen kommen (siehe 1B).
In einigen Ausführungsformen können die Spule 21, die erste Verstärkerstufe 23-1 und die zweite Verstärkerstufe 23-1 in einem gemeinsamen IC 10 integriert sein. Die Stromschiene 12 kann sich außerhalb des ICs befinden.
Die Kompensationsschaltung 26 zur Kompensation von Wirbelstromeffekten wird nun anhand der 2C ausführlicher beschrieben.
Wie bereits in der Ausführungsform der 2B, umfasst die Kompensationsschaltung 26 der 2C in Abhängigkeit von der Temperatur schaltbare Widerstände und/oder Kapazitäten, die zwischen den Ausgang des ersten Verstärkers 23-1 und den Eingang des zweiten Verstärkers 23-2 geschaltet sind. Die Kompensationsschaltung 26 weist ein zwischen den nicht-invertierenden Ausgang des ersten Verstärkers 23-1 und den invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers 23-gekoppeltes erstes RC-Glied mit in Abhängigkeit von der Temperatur einstellbarem Widerstand und/oder Kapazität auf. Die Kompensationsschaltung 26 weist ferner ein zwischen den invertierenden Ausgang des ersten Verstärkers 23-1 und den nicht-invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers 23-2 gekoppeltes zweites RC-Glied mit in Abhängigkeit von der Temperatur einstellbarem Widerstand und/oder Kapazität auf. Das erste RC-Glied ist also in die obere Signalleitung geschaltet. Das zweite RC-Glied ist in die untere Signalleitung geschaltet. Kreuzkopplungen, wobei das erste RC-Glied zwischen obere und untere Signalleitung gekoppelt und das zweite RC-Glied ist zwischen untere und obere Signalleitung gekoppelt ist, sind ebenfalls denkbar. In der Ausführungsform der 2C weist eine Kapazität eines RC-Glieds jeweils eine Parallelschaltung von mehreren über Schalter schaltbaren Sub-Kapazitäten auf.
Schalterstellungen der Sub-Kapazitäten können über eine digitale Steuerschaltung 27 gesteuert werden. Die Steuerschaltung 27 ist ausgebildet, um in Abhängigkeit von der Temperatur digitale Steuersignale zum Einstellen der Kapazität(en) der Kompensationsschaltung 26 auszugeben. Die Kapazität der Kompensationsschaltung 26 kann über die Anzahl parallelgeschalteter Sub-Kapazitäten eingestellt werden. Dazu ist die Steuerschaltung 27 über einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 28 mit einem Temperatursensor 29 gekoppelt. Beispielsweise können über die Steuerschaltung 27 bei steigender Temperatur die Kapazität(en) der Kompensationsschaltung 26 verkleinert und bei fallender Temperatur vergrößert werden. Die 4 zeigt dazu beispielhaft einen durch die Kompensationsschaltung 26 kompensierten Frequenzgang ohne Amplitudenüberhöhung.
Wie es in 2C angedeutet ist, kann die Steuerschaltung 27 nicht nur zur Steuerung der (Sub-) Kapazitäten der Kompensationsschaltung 26 verwendet werden. Ebenso ist eine temperaturabhängige Einstellung einer Verstärkung bzw. eines Versorgungssignals der ersten Verstärkerstufe 23-1 und/oder der zweiten Verstärkerstufe 23-2 möglich.
Die 3A zeigt eine Ausführungsform einer Stromsensorschaltung 20, bei der der Magnetfeldsensor 21 einen magneto-resistiven Sensor aufweist (hier- TMR Sensor). Eine TMR-Sensorbrücke liefert ein differenzielles Messsignal, welches einem ersten differenziellen Eingang eines Instrumentenverstärkers 23 zugeführt wird. Ein Ausgang des Instrumentenverstärkers 23 wird auf einen zweiten differenziellen Eingang des Instrumentenverstärkers 23 zurückgeführt. Die Kompensationsschaltung 26 der 3A ist ausgebildet, eine Frequenzabhängigkeit der Rückkopplung vom Ausgang auf den (zweiten differenziellen) Eingang des Instrumentenverstärkers 23 in Abhängigkeit von der Temperatur einzustellen. Dazu sind zwischen den Ausgang des Instrumentenverstärkers 23 und Masse gekoppelte RC-Glieder bzw. deren Kapazitäten temperaturabhängig schaltbar ausgebildet. Ebenso können zwischen den Ausgang des Instrumentenverstärkers 23 und Versorgungspotenzial VDD gekoppelte RC-Glieder bzw. deren Kapazitäten temperaturabhängig schaltbar ausgebildet sein.
Eine weitere mögliche Ausführungsform ist in 3B dargestellt. 3B zeigt eine Messspule 21 mit nachgeschaltetem Transkonduktanzverstärker 23. Am Ausgang des Transkonduktanzverstärkers 23 befindet sich ein Tiefpassfilter mit einem Pol bei der Frequenz f_1p1, um den Ausgangshub der Spule 21 für (Strom-) Frequenzen über f_1p1 zu begrenzen. Ferner ist auch Kompensationsschaltung 26 mit schaltbaren Widerständen und/oder Kapazitäten zur Kompensation von Wirbelstromeffekten vorgesehen. Die Kompensationsschaltung 26 ist hier zwischen Ausgang des Transkonduktanzverstärkers 23 und Masse gekoppelt.
Die vorliegende Offenbarung schlägt eine Kompensation von Wirbelstromeffekten vor. Dazu können Pol-Null-Komponenten mit passiven Bauelementen (R und C) eingefügt werden. Ein Schalten von R- oder C-Komponenten kann digital unterstützt werden, um eine positive Temperaturkoeffizientenanpassung mit geschalteten R- oder C-Komponenten gegenüber Temperaturänderungen zu ermöglichen.
Stromsensoren gemäß der vorliegenden Offenbarung können eine Hochgeschwindigkeitsstrommessungen und die präzise Erkennung des Nulldurchgangs von Stromsignalen ermöglichen. Je besser ein Hochgeschwindigkeitsstromsignal reproduziert werden kann, desto besser ist der Wirkungsgrad von DC-DC-Wandlern und Antrieben.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung können einen schnellen analogen Signalpfad 22 für die Strommessung ermöglichen. Ein Umweg über Analog-Digital-Wandlung mit ADCs, digitaler Signalverarbeitung mit eventuellen Temperaturkorrekturen im Frequenzbereich und anschließender Digital-Analog-Wandlung mit DACs und Puffer-OPVs würde längere Verzögerungen im Signalpfad erzeugen und somit eine Messgeschwindigkeit im MHz-Bereich begrenzen.
Andererseits haben die meisten Stromleiter einen relativ hohen negativen Temperaturkoeffizienten von -3000 - 4000ppm/K (z.B. Kupfer). Man bräuchte also einen Widerstand mit stark negativen Temperaturkoeffizienten in integrierten Schaltkreisen, um das zu kompensieren. Jedoch gibt es derartige Widerstände in den meisten IC-Standard-Technologien nicht. Daher schlägt die vorliegende Offenbarung vor Widerstände und/oder Kapazitäten digital schaltbar zu machen, abhängig von der Temperatur, um so einen negativen Temperaturkoeffizienten eines Widerstands zu kompensieren.
Ein positiver Temperaturkoeffizient eines Widerstands der Stromschiene 12 bewirkt einen negativen Temperaturkoeffizienten der Leitfähigkeit in der Stromschiene 12. Dies bewirkt ferner eine geringe Eindringtiefe der Wirbelstromeffekte in der Stromschiene 12 und eine Verschiebung der Wirbelstromeffekte zu höheren Frequenzen bei hohen Temperaturen. Die vorliegende Offenbarung schlägt vor dies zu kompensieren mit einem negativen Temperaturkoeffizienten eines Widerstands im analogen Signalpfad 22, weil fz = 1/(2πRC). Dies wird realisiert durch digitale Messung der Temperatur. Digital schaltbare Widerstände oder Kapazitäten können dann bei tieferen Temperaturen dazugeschaltet und bei höheren Temperaturen weggeschaltet werden. Die digitale Schaltung Widerstände und/oder Kapazitäten kann relativ langsam im ms-Bereich geschehen, was unkritisch ist zu Geschwindigkeits-Anforderungen des Stromsensors MHz-Bereich im Hauptsignalpfad.
Die Aspekte und Merkmale, die im Zusammenhang mit einem bestimmten der vorherigen Beispiele beschrieben sind, können auch mit einem oder mehreren der weiteren Beispiele kombiniert werden, um ein identisches oder ähnliches Merkmal dieses weiteren Beispiels zu ersetzen oder um das Merkmal in das weitere Beispiel zusätzlich einzuführen.
Es versteht sich ferner, dass die Offenbarung mehrerer, in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbarter Schritte, Prozesse, Operationen oder Funktionen nicht als zwingend in der beschriebenen Reihenfolge befindlich ausgelegt werden soll, sofern dies nicht im Einzelfall explizit angegeben oder aus technischen Gründen zwingend erforderlich ist. Daher wird durch die vorhergehende Beschreibung die Durchführung von mehreren Schritten oder Funktionen nicht auf eine bestimmte Reihenfolge begrenzt. Ferner kann bei weiteren Beispielen ein einzelner Schritt, eine einzelne Funktion, ein einzelner Prozess oder eine einzelne Operation mehrere Teilschritte, -funktionen, -prozesse oder -operationen einschließen und/oder in dieselben aufgebrochen werden.
Wenn einige Aspekte in den vorhergehenden Abschnitten im Zusammenhang mit einer Vorrichtung oder einem System beschrieben wurden, sind diese Aspekte auch als eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens zu verstehen. Dabei kann beispielsweise ein Block, eine Vorrichtung oder ein funktionaler Aspekt der Vorrichtung oder des Systems einem Merkmal, etwa einem Verfahrensschritt, des entsprechenden Verfahrens entsprechen. Entsprechend dazu sind Aspekte, die im Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben werden, auch als eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks, eines entsprechenden Elements, einer Eigenschaft oder eines funktionalen Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung oder eines entsprechenden Systems zu verstehen.
Die folgenden Ansprüche werden hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann. Ferner ist zu beachten, dass - obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine bestimmte Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen bezieht - andere Beispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs umfassen können. Solche Kombinationen werden hiermit explizit vorgeschlagen, sofern nicht im Einzelfall 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 als abhängig von diesem anderen unabhängigen Anspruch definiert ist.

Claims

Stromsensor (20), umfassend einen Magnetfeldsensor (21) zum Messen eines durch einen elektrischen Strom verursachten Magnetfelds; einen Ausgangsanschluss (24) zum Bereitstellen eines verstärkten Messsignals von dem Magnetfeldsensor (21), wobei der Magnetfeldsensor (21) und der Ausgangsanschluss (24) durch einen analogen Signalpfad (22) mit wenigstens einem Verstärker (23) verbunden sind, wobei der analoge Signalpfad (22) einen Frequenzgang aufweist; einen Temperatursensor (25) zum Messen einer Temperatur; und eine mit dem analogen Signalpfad (22) gekoppelte Kompensationsschaltung (26), die ausgebildet ist, den Frequenzgang des analogen Signalpfads in Abhängigkeit von der Temperatur zu korrigieren, wobei die Kompensationsschaltung (26) wenigstens eine in Abhängigkeit von der Temperatur schaltbare passive Filterkomponente aufweist.
Stromsensor (20) nach Anspruch 1, wobei die Kompensationsschaltung (26) in Abhängigkeit von der Temperatur schaltbare Widerstände und/oder Kapazitäten aufweist.
Stromsensor (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der analoge Signalpfad (22) einen ersten Verstärker (23-1) und einen zweiten Verstärker (23-2) aufweist, wobei die Kompensationsschaltung (26) zwischen den ersten und zweiten Verstärker geschaltet ist.
Stromsensor (20) nach Anspruch 3, wobei der erste Verstärker (23-1) eine erste Übertragungsfunktion mit einer Polstelle bei einer ersten Frequenz aufweist und wobei der zweite Verstärker (23-2) eine zweite Übertragungsfunktion mit einer Nullstelle bei der ersten Frequenz aufweist.
Stromsensor (20) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Kompensationsschaltung (26) in Abhängigkeit von der Temperatur schaltbare Widerstände und/oder Kapazitäten aufweist, die zwischen einen Ausgang des ersten Verstärkers (23-1) und einen Eingang des zweiten Verstärkers (23-2) geschaltet sind.
Stromsensor (20) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der erste Verstärker (23-1) einen nicht-invertierenden und einen invertierenden Ausgang aufweist und der zweite Verstärker (23-2) einen nicht-invertierenden Eingang und einen invertierenden Eingang aufweist, wobei die Kompensationsschaltung ein zwischen den nicht-invertierenden Ausgang des ersten Verstärkers und den invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers gekoppeltes erstes RC-Glied mit in Abhängigkeit von der Temperatur einstellbarem Widerstand und/oder Kapazität aufweist und ein zwischen den invertierenden Ausgang des ersten Verstärkers und den nicht-invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers gekoppeltes zweites RC-Glied mit in Abhängigkeit von der Temperatur einstellbarem Widerstand und/oder Kapazität aufweist.
Stromsensor (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Magnetfeldsensor (21) eine Spule aufweist.
Stromsensor (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Magnetfeldsensor einen magnetoresistiven Sensor aufweist und wobei die Kompensationsschaltung ausgebildet ist, eine Frequenzabhängigkeit einer Rückkopplung von einem Ausgang auf einen Eingang des Verstärkers in Abhängigkeit von der Temperatur einzustellen.
Stromsensor (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Steuerschaltung (27), die ausgebildet ist, in Abhängigkeit von der Temperatur digitale Steuersignale zum Einstellen von Widerständen und/oder Kapazitäten der Kompensationsschaltung (26) auszugeben.
Stromsensor (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stromsensor als integrierter Schaltkreis in einem Chipgehäuse ausgebildet ist.
Verfahren zur Strommessung, umfassend Messen eines durch einen elektrischen Strom verursachten Magnetfelds mit einem Magnetfeldsensor; Bereitstellen eines verstärkten Messsignals von dem Magnetfeldsensor an einem Ausgangsanschluss, wobei der Magnetfeldsensor und der Ausgangsanschluss durch einen analogen Signalpfad mit wenigstens einem Verstärker verbunden werden, wobei der analoge Signalpfad einen Frequenzgang aufweist; Messen einer Temperatur; und Korrigieren des Frequenzgangs des analogen Signalpfads in Abhängigkeit von der Temperatur, wobei der Frequenzgang durch temperaturabhängiges Schalten von wenigstens einer passiven Filterkomponente in dem analogen Signalpfad korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Frequenzgang für Frequenzen oberhalb von 50 kHz korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Frequenzgang durch temperaturabhängiges Schalten von Widerständen und/oder Kapazitäten in dem analogen Signalpfad korrigiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das Korrigieren des Frequenzgangs ein temperaturabhängiges Verschieben einer Pol- und/oder Nullstelle in einer Übertragungsfunktion des analogen Signalpfads umfasst.