CN102809682A - 电流感应电路、印刷电路板组件以及电流传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电流感应电路，其包括惠斯通电桥电路，所述惠斯通电桥电路具有至少四个连接的磁阻元件以及一对输出端，所述磁阻元件用于感应由一载流电导体产生的具有第一方向的外部磁场，并输出一差分信号；以及负反馈电路，所述负反馈电路与所述输出端连接，由所述差分信号驱动并产生具有与所述第一方向相反的第二方向的磁场，从而消除温度漂移对磁阻元件特性的影响。本发明可消除电路在变化的环境下产生的温度漂移，从而获得准确的电压输出。

Description

电流感应电路、印刷电路板组件以及电流传感器装置

技术领域

本发明涉及电流传感器装置，尤其涉及一种具有负反馈电路的电流感应电路，用于消除电路元件在变化的环境下产生的温度漂移。

背景技术

当前，电流传感器在电子工业上被广泛应用。普遍地，此种传感器包括一霍尔效应(Hall effect)发生器，用以感应由电流产生的磁场，从而产生与该磁场成比例变化的霍尔效应输出电压。

霍尔效应发生器通常包括同种半导体材料，如常见的，在绝缘衬底上形成的霍尔片。在该霍尔片上施加激励电流，当霍尔效应发生器放置于磁场当中并向其施加激励电流后，则可测量输出电压。

过往利用霍尔效应现象的多种感应装置已被使用，如美国专利No.5416407所揭露。如图1所示，该电流传感器100包括放大器102、恒流电源104、安装于印刷电路板(PCB)(图未示)的元件侧的有隙环形磁心(图未示)、从PCB的输出导线延伸至环形磁性的间隙的霍尔效应发生器106，以及置于环形磁心的间隙边缘的感应线圈108。具体地，该霍尔效应发生器106为一标准设计，其封装体内包括安装在绝缘衬底(图未示)上的半导体霍尔片(图未示)，并延伸出恒流线112和霍尔效应输出电压线114。

在工作时，一电导体被插入PCB上的孔上，电导体上流过电流，从而在环形磁心上产生磁场，该磁场穿过环形磁心的间隙。霍尔效应发生器106和感应线圈108受限于该磁场。该恒流电源104向霍尔片提供温度补偿的恒定电流，从而使得霍尔效应发生器106产生与集中在霍尔片上的磁场成比例变化的输出电压，该输出电压提供只放大器102上放大到可用水平，最终测出电流值。

然而，上述的电流传感器100由于霍尔效应只能检测较大的电流，而输出电压的信号较弱，精度不高。电路中会产生失真、温度漂移等现象，从而降低电流的测量精度。再且，霍尔效应发生器106中的霍尔元件的灵敏度无法准确测量不断变化的瞬变电流。

因此，亟待一种具有改进的电流感应电路的电流传感器以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种具有负反馈电路的电流感应电路，其可消除电路在变化的环境下产生的温度漂移，从而获得准确的电压输出。

本发明的另一目的在于提供一种具有电流感应电路的印刷电路板组件，其可消除电路在变化的环境下产生的温度漂移，从而获得准确的电压输出。

本发明的再一目的在于提供一种具有电流感应电路的电流传感器装置，其可消除电路在变化的环境下产生的温度漂移，从而获得准确的电压输出，进而提高电流的测量精度。

为实现上述目的，本发明提供一种电流感应电路，包括惠斯通电桥电路，所述惠斯通电桥电路具有至少四个连接的磁阻元件以及一对输出端，所述磁阻元件用于感应由一载流电导体产生的具有第一方向的外部磁场，并输出一差分信号；以及负反馈电路，所述负反馈电路与所述输出端连接，由所述差分信号驱动并产生具有与所述第一方向相反的第二方向的磁场，从而消除温度漂移对磁阻元件特性的影响。

较佳地，四个所述磁阻元件包括具有相反的钉扎方向的第一元件对和第二元件对，所述钉扎方向与所述外部磁场的所述第一方向垂直。

较佳地，所述负反馈电路包括一前置放大器以及一主导线，所述前置放大器与所述输出端连接，所述主导线设置于所述第一元件对和所述第二元件对之间，所述主导线的设置方向垂直于所述第一元件对和第二元件对的钉扎方向。

作为一个实施例，所述第一元件对和所述载流电导体之间的距离与所述第二元件对和所述载流电导体之间的距离不相同。

作为另一实施例，所述第一元件对和所述载流电导体之间的距离与所述第二元件对和所述载流电导体之间的距离相同。

较佳地，所述第一元件对具有第一灵敏度和第一饱和点，所述第二元件对具有第二灵敏度和第二饱和点。

较佳地，所述第一灵敏度和所述第二灵敏度相同，所述第一饱和点和所述第二饱和点不相同。

可选地，所述第一灵敏度和所述第二灵敏度不相同，所述第一饱和点和所述第二饱和点不相同。

本发明提供一种印刷电路板组件，包括连接的电流感应电路、模数转换器以及中央处理器，所述电流感应电路包括：惠斯通电桥电路，所述惠斯通电桥电路具有至少四个连接的磁阻元件以及一对输出端，所述磁阻元件用于感应由一载流电导体产生的具有第一方向的外部磁场，并输出一差分信号；以及负反馈电路，所述负反馈电路与所述输出端连接，由所述差分信号驱动并产生具有与所述第一方向相反的第二方向的磁场，从而消除温度漂移对磁阻元件特性的影响。

较佳地，四个所述磁阻元件包括具有相反的钉扎方向的第一元件对和第二元件对，所述钉扎方向与所述外部磁场的所述第一方向垂直。

较佳地，所述负反馈电路包括一前置放大器以及一主导线，所述前置放大器与所述输出端连接，所述主导线设置于所述第一元件对和所述第二元件对之间，所述主导线的设置方向垂直于所述第一元件对和第二元件对的钉扎方向。

作为一个实施例，所述第一元件对和所述载流电导体之间的距离与所述第二元件对和所述载流电导体之间的距离不相同。

作为另一实施例，所述第一元件对和所述载流电导体之间的距离与所述第二元件对和所述载流电导体之间的距离相同。

较佳地，所述第一元件对具有第一灵敏度和第一饱和点，所述第二元件对具有第二灵敏度和第二饱和点。

较佳地，所述第一灵敏度和所述第二灵敏度相同，所述第一饱和点和所述第二饱和点不相同。

可选地，所述第一灵敏度和所述第二灵敏度不相同，所述第一饱和点和所述第二饱和点不相同。

本发明提供一种电流传感器装置，包括至少一印刷电路板组件、用于支撑所述印刷电路板组件的支座、覆盖所述支座并用于屏蔽由外部环境产生的外部磁场的遮蔽壳，以及一形成于所述遮蔽壳上并与所述印刷电路板组件连接的显示装置，所述印刷电路板组件包括一电流感应电路，所述电流感应电路包括：惠斯通电桥电路，所述惠斯通电桥电路具有至少四个连接的磁阻元件以及一对输出端，所述磁阻元件用于感应由一载流电导体产生的具有第一方向的外部磁场，并输出一差分信号；以及负反馈电路，所述负反馈电路与所述输出端连接，由所述差分信号驱动并产生具有与所述第一方向相反的第二方向的磁场，从而消除温度漂移对磁阻元件特性的影响。

与现有技术相比，本发明用磁阻元件形成惠斯通电桥电路而取代霍尔效应发生器，磁阻元件的灵敏性比霍尔元件更好。而本发明的电流感应电路包括负反馈电路，其可消除电路在变化的环境下产生的温度漂移，从而消除温度漂移对磁阻元件的影响，因此输出电压更加准确。再且，本发明的电流传感器装置还包括遮蔽壳，用于屏蔽外部空间(如地球)或外部设备(如电流传感器装置旁的马达)产生的外部磁场，从而防止外部磁场影响磁阻元件，进而提高电流的测量精度。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1为传统的电流传感器的结构框图。

图2为本发明的电流感应电路的一个实施例的结构框图。

图3为本发明电流感应电路的GMR元件的结构示意图。

图4为电流感应电路的详细结构图。

图5为电流感应电路工作时的简化示意图。

图6a为惠斯通电桥电路的四个GMR元件的灵敏度和饱和点的一种设置。

图6b为惠斯通电桥电路的四个GMR元件的灵敏度和饱和点的另一种设置。

图7a为图5所示的电流感应电路的简化示意图。

图7b为电流感应电路的另一实施例的简化示意图。

图8为本发明的PCBA的一个实施例的结构框图。

图9a为本发明的电流传感器装置的一个实施例的立体图。

图9b为图9a所示的电流传感器装置的立体分解图。

具体实施方式

下面将参考附图阐述本发明几个不同的最佳实施例，其中不同图中相同的标号代表相同的部件。如上所述，本发明的实质在于一种具有负反馈电路的电流感应电路，其可消除电路在变化的环境下产生的温度漂移，从而获得准确的电压输出。

图2为本发明的电流感应电路的一个实施例的结构框图。如图所示，该电流感应电路200包括惠斯通电桥电路210以及与该惠斯通电桥电路210连接的负反馈电路220。具体地，该惠斯通电桥电路210由四个磁阻元件，如巨磁阻如巨磁阻(giant magnetoresistive，GMR)元件组成。在本发明构思下，该磁阻元件也可以是隧道磁阻(tunnel magnetoresistiv，TMR)元件或各向异性磁阻(anisotropic magnetoresistive，AMR)元件，从而构成惠斯通电桥电路210。

图3展示了一个GMR元件的结构，其包括依次层压的衬底层201、缓冲层202、固定层207以及盖帽层206。具体地，该固定层207包括用于将磁化方向钉扎在一个固定方向的钉扎层205，具有一个随外部磁场变化的磁化方向的自由层203，以及层压于钉扎层205和自由层203之间的间隔层204。该间隔层204用作一个非磁电导体。为众所知，GMR元件的电阻随着钉扎层205的钉扎方向和自由层203的磁化方向之间的夹角变化而变化。而当GMR元件位于一外部磁场时，自由层203的磁化方向会因外部磁场的影响而改变，即，钉扎层205的钉扎方向和自由层203的磁化方向之间的夹角发生变化。因此，GMR元件的电阻也发生变化，进而产生输出电压。

现对电流感应电路200的详细结构进行说明。如图4所示，惠斯通电桥电路210包括四个GMR元件，简称为G1，G2，G3及G4，每一GMR元件具有钉扎方向P1，P2，P3，P4。具体地，该四个GMR元件被分成第一元件对和第二元件对，G1和G3组成第一元件对，G2和G4组成第二元件对。更具体地，钉扎方向P1和P3相同，钉扎方向P2和P4相同，但与P1、P3相反。另外，该惠斯通电桥电路210提供一对电源输入端以及一对信号输出端。例如，G1和G2之间的端点A1以及G3和G4之间的端点A2作为电源输入端，而G2和G4之间的端点A3以及G1和G3之间的端点A4作为信号输出端。可选地，A1，A2可作为信号输出端，而A3，A4作为电源输入端。信号的输入取决于G1，G2，G3及G4的电阻在外部磁场作用下磁化方向的变化。

在本发明的构思之下，如图4所示，该负反馈电路220与输出端A3、A4连接，该负反馈电路220包括前置放大器221及主导线220。具体地，前置放大器221的正输入端与输出端A3连接，负输入端与输出端A4连接，而主导线220与前置放大器221的正输出端A5连接，并设置在第一元件对和第二元件对之间，前置放大器221的负输出端A6接地。较佳地，该主导线222的设置方向垂直于GMR元件G1-G4的钉扎方向P1-P4，因此，其上的电流方向I2也垂直于于GMR元件G1-G4的钉扎方向P1-P4。

图5展示了电流感应电路200工作时的简化示意图。当载流电导体28通电流I1时，在洛伦兹力的作用下，在载流电导体28周围产生具有第一方向M1的磁场，其中，第一方向M1与钉扎方向P1-P4垂直。当载流电导体28靠近电流感应电路200放置时，GMR元件G1-G4的电阻随外部磁场变化而变化，从而在输出端A3和A4上输出差分电压。该差分电压输入至前置放大器221中，在主导线222上产生电流I2，进而在主导线222周围产生具有第二方向M2的磁场。具体地，该电流I2与载流电导体28的电流I1相反，因此第二方向M2与第一方向M1相反。更具体地，第一方向M1的磁场使输出端A3和A4上输出的差分电压增大，该差分电压输入至前置放大器221后，在主导线222上产生的电流I2也增大，进而在主导线222周围产生具有第二方向M2的磁场增大，由于第二方向M2的磁场与第一方向M1的磁场相反，从而削减第一方向M1的磁场，直至达到一个动态平衡和使输出端A3和A4上输一个稳定的差分电压。因此，具有相反相位和方向M2的磁场能够降低电流感应电路200输出的差分信号和电流I2，即形成负反馈系统。因此，在改变的环境下，温度漂移现象被该负反馈电路220消除，即温度漂移对GMR元件特性的影响被消除，使得输出端A5和A6之间的差分输出电压更加稳定和准确。该差分输出电压与外部磁场M1成比例地变化，而温度漂移的现象被负反馈电路220消除，从而提高载流电导体的电流测量精度。

较佳地，本发明的每一个GMR元件可被分割成多个由电极连接在一起的方形段，此设计可大大提高GMR元件的稳定性和可靠性。

较佳地，在本实施例中，第一元件对和第二元件对具有两种不同的灵敏度，即，G1和G3具有相同的灵敏度S1，而G2和G4具有相同的灵敏度S1，S1不等于S2。可选地，S1大于S2，从而感应低电流，较小的S2感应高电流。具体的设置可在实际制造过程中选择。此外，第一元件对和第二元件对的饱和点不同。具体地，第一元件对的饱和点低于第二元件对的饱和点。更具体地，如图6a所示，G1和G3的饱和点为B1，G2和G4的饱和点为B2。基于此设置，当外部磁场达到B1点，G1和G3将会达到饱和，而G2和G4正常工作。因此，在低磁场即小电流情况下，具有较低灵敏度S2的G2和G4反应迟钝而相当于负载，具有较高灵敏度S1的G1和G3反应灵敏，其可检测载流电导体28上的小电流；在高磁场即大电流情况下，具有较高灵敏度S1的G1和G3将会达到饱和而相当于负载，具有较低灵敏度S2的G2和G4反应灵敏，其可检测载流电导体28上的大电流。

可选地，如图6b所示，四个GMR元件G1-G4的灵敏度可设置相同，均为S3，饱和点则如上实施例所述的有两种类型。

在本实施例中，如图7a所示，当载流电导体28放置于电流感应电路200一侧，第一元件对和载流电导体28之间的距离D1与第二元件对和载流电导体28之间的距离D2不相同。具体地，G1、G3和载流电导体28之间的距离D1小于G2、G4和载流电导体28之间的距离D2。在此图省略了负反馈电路220。

可选地，如图7b所示，可设置G1、G2、G3、G4与载流电导体28的距离相同。该四个GMR元件呈一列排列。具体地，参考图6a，G1和G3具有较高灵敏度S1和较低饱和点P1，可检测载流电导体28上的小电流，而G2和G4具有较低灵敏度S2和较高饱和点P2，可检测载流电导体28上的大电流。当然，其灵敏度和饱和点也可如图6b中的设置。

图8展示了本发明的具有电流感应电路200的PCBA 300。该PCBA 300包括A/D转换器301和CPU 302，该A/D转换器301将电流感应电路200输出的电压转换，继而由CPU 302进行运算。该PCBA300包括上述电流感应电路200的所有技术特征，而PCBA 300的其他元件为本领域的技术人员所熟知，因此在此省略其具体描述。

图9a和9b展示了本发明的电流传感器装置的一个实施例，如图所示，该电流传感器装置500包括至少一个PCBA 300、用于支撑该PCBA 300的支座501、覆盖该支座501的遮蔽壳502以及形成在遮蔽壳502上并与PCBA 300连接的显示装置503。具体地，该支座501呈圆柱形，其中提供一通道(未标示)以供载流供电导体28穿过。更具体地，该支座501由陶瓷材料制成，其可分成两部分，也可为一个整体。在支座501的内壁上开有至少一个开槽509，用以收容PCBA 300。而该遮蔽壳502也呈圆柱形，其由导磁合金材料制成，用于屏蔽由外部空间(如地球)和外部设备(如电流传感器装置500附近的马达)产生的磁场。由于遮蔽壳502的存在，GMR元件只感应到载流电导体28产生的磁场，惠斯通电桥电路210的差分输出电压与载流电导体28上的电流成线性比例变化，因此，电流的测量精度得到提高。

结合图5及图9a，在工作时，载流电导体28被插入电流传感器装置500的支座501的通道上。当载流电导体28通电时，产生磁场，因此PCBA300上的电流感应电路200的GMR元件G1-G4的电阻随该磁场变化而变化，从而在输出端A3和A4上输出差分电压(请参考图5)。该差分电压输入至前置放大器221中，在主导线222上产生电流I2，进而在主导线222周围产生具有第二方向M2的磁场。具体地，该电流I2与载流电导体28的电流I1相反，因此第二方向M2与第一方向M1相反。更具体地，第一方向M1的磁场使输出端A3和A4上输出的差分电压增大，该差分电压输入至前置放大器221后，在主导线222上产生的电流I2也增大，进而在主导线222周围产生具有第二方向M2的磁场增大，由于第二方向M2的磁场与第一方向M1的磁场相反，从而削减第一方向M1的磁场，直至达到一个动态平衡和使输出端A3和A4上输一个稳定的差分电压。因此，具有相反相位和方向M2的磁场能够降低电流感应电路200输出的差分信号和电流I2，即形成负反馈系统。因此，在改变的环境下，温度漂移现象被该负反馈电路220消除，即温度漂移对GMR元件特性的影响被消除，使得输出端A5和A6之间的差分输出电压更加稳定和准确。该差分输出电压与外部磁场M1成比例地变化，从该负反馈电路220输出的差分电压被PCBA300的A/D转换器301转换，继而由CPU 302进行运算，最终在显示装置503上显示电流值。如上所述，由于温度漂移的现象被负反馈电路220消除，因此，输出电压被改善，进而最终提高载流电导体28的电流测量精度。

以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (17)

1.一种电流感应电路，其特征在于，包括：

惠斯通电桥电路，所述惠斯通电桥电路具有至少四个连接的磁阻元件以及一对输出端，所述磁阻元件用于感应由一载流电导体产生的具有第一方向的外部磁场，并输出一差分信号；以及

负反馈电路，所述负反馈电路与所述输出端连接，由所述差分信号驱动并产生具有与所述第一方向相反的第二方向的磁场，从而消除温度漂移对磁阻元件特性的影响。

2.如权利要求1所述的电流感应电路，其特征在于：四个所述磁阻元件包括具有相反的钉扎方向的第一元件对和第二元件对，所述钉扎方向与所述外部磁场的所述第一方向垂直。

3.如权利要求2所述的电流感应电路，其特征在于：所述负反馈电路包括一前置放大器以及一主导线，所述前置放大器与所述输出端连接，所述主导线设置于所述第一元件对和所述第二元件对之间，所述主导线的设置方向垂直于所述第一元件对和第二元件对的钉扎方向。

4.如权利要求2所述的电流感应电路，其特征在于：所述第一元件对和所述载流电导体之间的距离与所述第二元件对和所述载流电导体之间的距离不相同。

5.如权利要求2所述的电流感应电路，其特征在于：所述第一元件对和所述载流电导体之间的距离与所述第二元件对和所述载流电导体之间的距离相同。

6.如权利要求2所述的电流感应电路，其特征在于：所述第一元件对具有第一灵敏度和第一饱和点，所述第二元件对具有第二灵敏度和第二饱和点。

7.如权利要求6所述的电流感应电路，其特征在于：所述第一灵敏度和所述第二灵敏度相同，所述第一饱和点和所述第二饱和点不相同。

8.如权利要求6所述的电流感应电路，其特征在于：所述第一灵敏度和所述第二灵敏度不相同，所述第一饱和点和所述第二饱和点不相同。

9.一种印刷电路板组件，包括连接的电流感应电路、模数转换器以及中央处理器，其特征在于：所述电流感应电路包括：

惠斯通电桥电路，所述惠斯通电桥电路具有至少四个连接的磁阻元件以及一对输出端，所述磁阻元件用于感应由一载流电导体产生的具有第一方向的外部磁场，并输出一差分信号；以及

负反馈电路，所述负反馈电路与所述输出端连接，由所述差分信号驱动并产生具有与所述第一方向相反的第二方向的磁场，从而消除温度漂移对磁阻元件特性的影响。

10.如权利要求9所述的印刷电路板组件，其特征在于：四个所述磁阻元件包括具有相反的钉扎方向的第一元件对和第二元件对，所述钉扎方向与所述外部磁场的所述第一方向垂直。

11.如权利要求9所述的印刷电路板组件，其特征在于：所述负反馈电路包括一前置放大器以及一主导线，所述前置放大器与所述输出端连接，所述主导线设置于所述第一元件对和所述第二元件对之间，所述主导线的设置方向垂直于所述第一元件对和第二元件对的钉扎方向。

12.如权利要求9所述的印刷电路板组件，其特征在于：所述第一元件对和所述载流电导体之间的距离与所述第二元件对和所述载流电导体之间的距离不相同。

13.如权利要求9所述的印刷电路板组件，其特征在于：所述第一元件对和所述载流电导体之间的距离与所述第二元件对和所述载流电导体之间的距离相同。

14.如权利要求9所述的印刷电路板组件，其特征在于：所述第一元件对具有第一灵敏度和第一饱和点，所述第二元件对具有第二灵敏度和第二饱和点。

15.如权利要求14所述的印刷电路板组件，其特征在于：所述第一灵敏度和所述第二灵敏度相同，所述第一饱和点和所述第二饱和点不相同。

16.如权利要求14所述的印刷电路板组件，其特征在于：所述第一灵敏度和所述第二灵敏度不相同，所述第一饱和点和所述第二饱和点不相同。

17.一种电流传感器装置，包括至少一印刷电路板组件、用于支撑所述印刷电路板组件的支座、覆盖所述支座并用于屏蔽由外部环境产生的外部磁场的遮蔽壳，以及一形成于所述遮蔽壳上并与所述印刷电路板组件连接的显示装置，所述印刷电路板组件包括一电流感应电路，其特征在于，所述电流感应电路包括：

惠斯通电桥电路，所述惠斯通电桥电路具有至少四个连接的磁阻元件以及一对输出端，所述磁阻元件用于感应由一载流电导体产生的具有第一方向的外部磁场，并输出一差分信号；以及

负反馈电路，所述负反馈电路与所述输出端连接，由所述差分信号驱动并产生具有与所述第一方向相反的第二方向的磁场，从而消除温度漂移对磁阻元件特性的影响。

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