DE602005003777T2

DE602005003777T2 - Oberflächenmontierter integrierter Stromsensor

Info

Publication number: DE602005003777T2
Application number: DE602005003777T
Authority: DE
Inventors: Giuseppe Strada Torino Catona; Riccardo Strada Torino Groppo; Alberto Strada Torino Manzone
Original assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Current assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Priority date: 2005-02-15
Filing date: 2005-02-15
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2025-02-16
Also published as: US20060181264A1; EP1691204B1; ATE381024T1; JP4988220B2; EP1691204A1; JP2006242946A; US7196506B2; DE602005003777D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen oberflächenmontierten integrierten Stromsensor.
Die vorliegende Erfindung ist in vorteilhafter Weise, jedoch nicht ausschließlich auf dem Gebiet von Stromsensoren anwendbar, die den Hall-Effekt nutzen, auf den in der folgenden Beschreibung ausdrücklich Bezug genommen wird, ohne daß dabei die Allgemeingültigkeit beeinträchtigt wird.
Es ist zur Messung von Strömen bekannt, Stromsensoren zu verwenden, die den Hall-Effekt nutzen, der bekanntlich eine mit dem Durchfluß eines Stroms durch einen Leiter zusammenhängende Erscheinung ist, wobei der Leiter in einem Bereich liegt, in dem ein zur Richtung des Stroms selbst orthogonal gerichtetes Magnetfeld vorhanden ist. Insbesondere bringt das Magnetfeld auf die Ladungsträger eine zur der Richtung des Stroms orthogonale Kraft (Lorentz-Kraft) auf, und zwar derart, daß sich die Ladungsträger an dem einen Rand des Leiters addieren, so daß ein Ladungsüberschuß an diesem Rand und eine dementsprechende Schwächung der Ladung an dem gegenüberliegenden Rand geschaffen wird.
Somit wird dadurch eine Potentialdifferenz zwischen den gegenüberliegenden Rändern des Leiters erzeugt, deren Betrag zu dem im Leiter selbst fließenden Strom proportional ist. Die Anwesenheit dieser Potentialdifferenz zwischen den gegenüberliegenden Rändern eines Leiters, der von Strom durchflossen und einem dazu orthogonalen Magnetfeld ausgesetzt ist, trägt exakt die Bezeichnung Hall-Effekt.
Bei den vorstehend erwähnten Stromsensoren wird dieser Effekt dadurch genutzt, daß man den zu messenden Strom entlang einer leitfähigen Bahn fließen läßt, um so ein dazu proportionales Magnetfeld zu erzeugen, innerhalb dessen eine weitere leitfähige Bahn vorhanden ist, die zu dem Magnetfeld selbst orthogonal ist und entlang welcher man einen Prüfstrom fließen läßt, und die zwischen den gegenüberliegenden Rändern der zweiten leitfähigen Bahn vorhandene Potentialdifferenz wird gemessen.
Die 1a, 1b, 1c und 1d zeigen vier verschiedene Arten von bekannten integrierten Stromsensoren, die den Hall-Effekt nutzen, d. h. die mit einem Halleffekt-Wandler versehen sind, der dazu konzipiert ist, das durch den Durchgang des Stroms erzeugte Magnetfeld zu erfassen und mittels einer dazu vorgesehenen Erfassungs- und Aufbereitungselektronik in eine dazu proportionale Spannung umzuwandeln.
Dabei zeigt 1a einen Stromsensor, bei dem der zu messende Strom entlang einer leitfähigen Bahn fließt, die nicht Teil des Stromsensors selbst ist und eine Öffnung durchsetzt, die in dem Gehäuse des Stromsensors gebildet ist, während die 1b, 1c und 1d drei Stromsensoren zeigen, bei denen der zu messende Strom entlang einer leitfähigen Bahn fließt, die Teil des Stromsensors ist und innerhalb des Gehäuses des Stromsensors entlang einer leitfähigen Bahn verläuft, die Teil des Stromsensors selbst ist. Insbesondere weisen die in den 1a und 1b gezeigten Stromsensoren einen Magnetkern auf, in dessen Luftspalt der Halleffekt-Wandler angeordnet ist und in dem der Fluß des von dem zu messenden Strom erzeugten Magnetfelds konzentriert ist.
Die Ströme, die von den in den 1a bis 1d gezeigten Stromsensoren gemessen werden können, variieren zwischen einigen Ampère und einigen hundert Ampère, je nach dem Querschnitt der Leiter, durch die der zu messende Strom fließt.
Derartige Stromsensoren sind zwar in großem Umfang in Gebrauch, sie weisen jedoch gewisse Einschränkungen auf, die eine adäquate Nutzung ihrer sämtlichen Vorteile nicht erlauben. Insbesondere bestehen die wesentlichen Einschränkungen der in den 1a und 1b gezeigten Stromsensoren in ihren Gesamtdimensionen und den Schwierigkeiten bei ihrer Integration in gedruckten Schaltungen, was darauf zurückzuführen ist, daß sie für die Oberflächenmontage auf einer gedruckten Schaltung überhaupt nicht adäquat sind und daß sie in einer Vertikalrichtung deutlich von der gedruckten Schaltung vorspringen, so daß sie den Grad der Stapelung der gedruckten Schaltungen einschränken.
Die Haupteinschränkungen des in 1c gezeigten Stromsensors sind andererseits dadurch gegeben, daß er für eine Oberflächenmontage auf einer gedruckten Schaltung überhaupt nicht adäquat ist, sowie durch die Gesamtdimensionen, die letztlich durch das Vorhandensein von Anschlüssen bedingt sind, die für die Messung des Stroms bestimmt sind und deren Dimensionen deutlich größer als die der herkömmlichen Stifte von integrierten Schaltungen sind und die vor allem in recht auffälliger Weise seitlich vom Gehäuse vorstehen.
Schließlich besteht die hauptsächliche Einschränkung des in 1d gezeigten Stromsensors darin, daß der zu messende Strom durch Stifte in den Stromsensor eingeleitet wird, welche die gleichen Dimensionen wie herkömmliche Stifte haben, wobei deren reduzierte Dimensionen den größten mit dem Stromsensor meßbaren Strom deutlich beschränken.
Die US 2004/056647 zeigt einen integrierten Stromsensor, der einen Magnetfeldwandler, wie etwa einen Halleffekt-Sensor, einen Magnetkern und einen elektrischen Leiter aufweist. Der Leiter weist Ausbildungen zur Aufnahme von Bereichen des Halleffekt-Sensors auf, und der Kern und die Elemente sind so dimensioniert, daß nur eine geringe oder keine Relativbewegung zwischen den Elementen möglich ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Angabe eines integrierten Stromsensors, der die Beschränkungen bekannter Stromsensoren nicht aufweist und der insbesondere die Messung großer Ströme erlaubt, zur Oberflächenmontage auf einer gedruckten Leiterplatte geeignet ist, kleine Dimensionen aufweist und eine hohe Positioniergenauigkeit des Halleffekt-Wandlers in bezug auf den Pfad, durch den der zu messende Strom fließt, bietet.
Die genannte Aufgabe wird mit der vorliegenden Erfindung gelöst, insoweit sie einen integrierten Stromsensor gemäß der Definition in Anspruch 1 betrifft.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird nachstehend eine bevorzugte Ausführungsform ausschließlich als nichteinschränkendes Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben; in den Zeichnungen zeigen:
1a, 1b, 1c und 1d Perspektivansichten von bekannten Stromsensoren; und
2a, 2b und 2c eine Perspektivansicht bzw. eine Seitenansicht im Querschnitt bzw. eine Draufsicht von unten eines oberflächenmontierten integrierten Stromsensors gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die 2a, 2b und 2c zeigen einen insgesamt mit 1 bezeichneten integrierten Stromsensor gemäß der vorliegenden Erfindung, der besonders zur Oberflächenmontage auf einer gedruckten Schaltung 2 geeignet ist.
Der Stromsensor 1 weist eine Baugruppe 3 typischerweise aus Epoxidharz mit einer im allgemeinen parallelepipedförmigen Gestalt auf, in deren Innerem ein Leiterrahmen 4 und ein aus Halbleitermaterial bestehender Chip 5, der an dem Leiterrahmen 4 typischerweise über eine Verbundschicht 6 befestigt ist, untergebracht sind.
Insbesondere ist die Tragkonstruktion 4 mit Leitern 7 versehen, deren Anschlußabschnitte aus der Baugruppe 3 herausgeführt sind und äußere Stifte 8 bilden, die im Gebrauch mit jeweiligen leitfähigen Leiterbahnen 9 der gedruckten Schaltung 2 typischerweise durch Bonden verbunden werden sollen, während in dem Chip 5 ein Halleffekt-Wandler 10 und die entsprechende Elektronik 11 zur Signalmessung und Signalaufbereitung integriert sind, die mit Kontaktanschlußflächen 12 verbunden sind, die ihrerseits wiederum über Bonddrähte 13, die typischerweise aus Gold bestehen, mit entsprechenden Leitern 7 verbunden sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist auf die Unterseite 14 der Baugruppe 3, d. h. auf die Seite, die im Gebrauch (also wenn der Stromsensor 1 an der gedruckten Schaltung angebracht ist) der gedruckten Schaltung 2 selbst zugewandt ist, ein elektrisch leitfähiges Bodenstück 15 aufgesetzt, das aus einer Metallplatte besteht, die eine im wesentlichen rechteckige Gestalt hat und von der Unterseite 14 der Baugruppe 3 vorsteht und folgendes aufweist: eine äußere Fläche, die bündig mit denn Stiften 9 angeordnet und so geformt ist, daß sie dann, wenn der Stromsensor 1 an der gedruckten Schaltung 2 montiert ist, eine elektrisch leitfähige Leiterbahn 16 der gedruckten Schaltung 1 überbrückt, entlang welcher im Gebrauch der zu messende Strom fließt; und eine innere Fläche, die dem Halleffekt-Wandler 10 zugewandt ist, der in dem Chip 5 in einer Position angeordnet ist, die möglichst nahe dem Bodenelement 15 liegt.
Insbesondere ist das Bodenstück 15 vollständig in den auf der gedruckten Schaltung vorstehenden maximalen Gesamtdimensionen der Baugruppe 3 enthalten, und es ist insbesondere vollständig in dem Umfang der Unterseite der Baugruppe 3 enthalten und nimmt den größten Teil davon ein.
Die Breite und Länge des Bodenstücks 15 sind durch die Dimensionen der Baugruppe 3 begrenzt, während die Dicke derart gewählt ist, daß sie dem zu messenden Strom, der entlang der Leiterbahn 16 fließt, standhält.
Zweckmäßigerweise, jedoch nicht unbedingt notwendigerweise, kann eine Baugruppe 3 von dem handelsüblich als Power SO-8 bekannten Typ verwendet werden, die abweichend von dem Standard SO-8 mit einem metallischen Bodenstück ausgestattet ist, das zum Zweck der Wärmeabgabe vorgesehen ist.
Um eine Vorstellung in bezug auf die Dimensionen des Bodenstücks 15 zu erhalten, ist zu bemerken, daß beispielsweise zur Messung eines Stroms von 60 A die Leiterbahn 16 eine nominelle Breite von ungefähr 3 cm haben muß, während in einer Baugruppe Power SO-8 das Bodenstück eine Breite von ungefähr 0,3 cm und eine Länge von ungefähr 0,4 cm hat.
Bei dem in den 2a und 2c gezeigten Beispiel hat die Leiterbahn 16 eine nominelle Breite, die größer als diejenige des Stromsensors 1 ist, um so den Durchsatz hoher Ströme zu ermöglichen, und zwar auch solcher, die in der Größenordnung von einigen hundert Ampère, und hat eine Einschnürung 17, deren Breite im wesentlichen gleich derjenigen des Bodenstücks 15 ist und in einer Position liegt, die entsprechend eine Unterbrechung 18 vorgesehen ist, deren Länge kleiner als die des Bodenstücks 15 selbst ist.
Der Stromsensor 1 ist auf der gedruckten Schaltung 2 in einer der Einschnürung 17 der Leiterbahn 16 entsprechenden Position durch Bonden der Stifte 7 auf den Leiterbahnen 9 und des Bodenstücks 15 auf der Leiterbahn 16 montiert. Auf diese Weise überbrückt das Bodenstück 15 elektrisch die Enden der zwei Abschnitte der Leiterbahn 16, die somit durch die Unterbrechung 18 elektrisch voneinander getrennt sind.
Nachstehend wird der Betrieb des Stromsensors 1 beschrieben.
Der zu messende Strom, der entlang der Leiterbahn 16 fließt, durchsetzt das Bodenstück 15 und erzeugt somit ein dazu proportionales Magnetfeld, das von dem Halleffekt-Wandler 10 erfaßt und über die Elektronik zur Signalmessung und Signalaufbereitung in eine dazu proportionale Spannung umgewandelt wird. Die so erzeugte Spannung wird dann einem oder mehreren Stiften 9 des Stromsensors 1 zugeführt, die zu diesem Zweck vorgesehen sind.
Im Vergleich mit bekannten Stromsensoren bietet der Stromsensor 1 gemäß der vorliegenden Erfindung die nachstehenden Vorteile:

• Präzise Positionierung des Halleffekt-Wandlers in bezug auf die Bahn, durch die der zu messende Strom fließt, mit offensichtlichen Vorteilen in bezug auf die Meßgenauigkeit;
• Unempfindlichkeit der Strommessung gegenüber äußeren Störungen jeder Art: elektromagnetischen, mechanischen etc.;
• Kompaktheit des Stromsensors in bezug auf den zu messenden Strom; tatsächlich ist es durch geeignete Bemessung des Bodenstücks möglich, sehr große Ströme zu messen;
• kleine Dimensionen des Stromsensors: das Bodenstück ist tatsächlich vollständig in den Gesamtdimensionen der Baugruppe enthalten, so daß es nicht seitlich davon vorspringt;
• Vereinfachung des Aufbaus der gedruckten Schaltung.
• Die Einschnürung, die entlang der Leiterbahn der gedruckten Schaltung, entlang welcher der zu messende Strom fließt, in einer Position entsprechend derjenigen, an der dann der Stromsensor montiert sein wird, bedingt zwar eine geringfügige lokale Erhöhung des elektrischen Widerstands der Leiterbahn, aber die Einschnürung verursacht keine bedeutende lokale Erhöhung der Temperatur insofern, als der breite Teil der Leiterbahn als Wärmeableiter dient, und zwar sowohl für die Wärme, die von der Einschnürung der Leiterbahn selbst erzeugt wird, als auch die Wärme, die aufgrund des Durchsatzes des zu messenden Stroms durch das Bodenstück des Stromsensors erzeugt wird.

Schließlich ist ersichtlich, daß bei dem hier beschriebenen und gezeigten Stromsensor Modifikationen und Änderungen vorgenommen werden können, ohne deshalb vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung entsprechend der Definition in den beigefügten Patentansprüchen abzuweichen.
Insbesondere könnte die Strommessung auf eine andere als die oben beschriebene Weise vorgenommen werden, d. h. ohne Nutzung des Hall-Effekts. Beispielsweise könnte die Strommessung erfolgen durch das Messen der Spannung über einem mit dem Bodenstück verbundenen Nebenschlußwiderstand, wobei diese proportional zu dem in dem Bodenstück selbst fließenden Strom ist. Als Alternative könnte die Messung des Stroms durch direktes Messen der Spannung über dem Bodenstück selbst vorgenommen werden.
Ferner könnte das Bodenstück eine von der Rechteckform in den 2a bis 2c abweichende Gestalt annehmen, oder das Bodenstück könnte durch andere leitfähige Elemente ersetzt werden, wie beispielsweise eine Serie von parallelen geradlinigen Leiterbahnen, die in einem Abstand voneinander angeordnet sind, oder durch Leiterbahnen mit einer anderen Struktur, beispielsweise einer Zickzackstruktur.
Schließlich bedeutet die Implementierung der vorliegenden Erfindung nicht, daß die Leiterbahn der gedruckten Schaltung, entlang welcher der zu messende Strom fließt, eine Unterbrechung aufweisen muß. Tatsächlich könnte der Stromsensor in einer Position entsprechend einer fortlaufenden Einschnürung, d. h. ohne Unterbrechungen, montiert sein, so daß das Bodenstück parallel zu einem gleich langen Abschnitt der Einschnürung angeschlossen ist.

Claims

Oberflächenmontierter integrierter Stromsensor (1) zur Verwendung in einer gedruckten Schaltung (2), wobei die gedruckte Schaltung (2) mindestens eine elektrisch leitfähige Leiterbahn (16) aufweist, entlang der im Betrieb ein zu messender elektrischer Strom fließt, wobei der Stromsensor (1) folgendes aufweist: – eine Baugruppe (3), die eine Fläche (14) hat, die der gedruckten Schaltung (2) im Betrieb zugewandt ist; – einen Strompfad (15), durch den im Betrieb der zu messende elektrische Strom fließt; und – Sensoreinrichtungen (10, 11), die zur Erzeugung einer elektrischen Größe ausgebildet sind, die mit dem entlang dem Strompfad (15) fließenden elektrischen Strom korreliert ist; wobei der Stromsensor dadurch gekennzeichnet ist, daß der Strompfad eine elektrisch leitfähige Einrichtung (15) aufweist, die auf die Fläche (14) der Baugruppe (3) gesetzt und dazu ausgebildet ist, im Betrieb mit der Leiterbahn (16) der gedruckten Schaltung (2) in Kontakt zu stehen.
Stromsensor nach Anspruch 1, wobei die elektrisch leitfähige Einrichtung (15) vollständig in den maximalen Gesamtdimensionen der Baugruppe (3) auf der gedruckten Schaltung (2) enthalten ist.
Stromsensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die elektrisch leitfähige Einrichtung (15) vollständig in dem Umfang der genannten Fläche (14) enthalten ist.
Stromsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrisch leitfähige Einrichtung eine Platte (15) aufweist.
Stromsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Platte (15) eine Metallplatte ist.
Stromsensor nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, wobei die Platte (15) in Abhängigkeit von dem zu messenden elektrischen Strom bemessen ist.
Stromsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensoreinrichtungen (10, 11) vom Hall-Effekt-Typ sind.
Stromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Sensoreinrichtungen (10, 11) einen Nebenschlußwiderstand aufweisen.
Gedruckte Schaltung (2), die mindestens eine elektrisch leitfähige Leiterbahn (16) aufweist, entlang der im Betrieb ein zu messender elektrischer Strom fließt, wobei die gedruckte Schaltung dadurch gekennzeichnet ist, daß sie ferner einen oberflächenmontierten integrierten Stromsensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Gedruckte Schaltung nach Anspruch 9, wobei die Leiterbahn (16) in einer Position, die derjenigen entspricht, an der der Stromsensor (1) montiert ist, eine Einschnürung (17) hat.
Gedruckte Schaltung nach Anspruch 10, wobei die Einschnürung (17) eine Unterbrechung (18) hat und wobei die elektrisch leitfähige Einrichtung (15) die Enden von zwei Bereichen der Leiterbahn (16), die durch die Unterbrechung (18) getrennt sind, elektrisch überbrückt.