CN104813176A - Smd电流传感器设备及其应用 - Google Patents

Abstract

一种SMD电流传感器设备，包括：磁芯；第一绕组(31)和第二绕组(43)，分别缠绕该磁芯的第一部段和第二部段。第一绕组(31)的大部分由电绝缘材料包覆成型，该电绝缘材料限定了第一包覆部(3)，该第一包覆部限定了用于将磁芯的第一部段引入其中的通孔(33)，并且该设备包括电绝缘支持部(44)，第二绕组(43)缠绕该电绝缘支持部，且该电绝缘支持部限定了用于将磁芯的第二部段引入其中的通孔(42)，这两个通孔(33、42)彼此对齐。SMD电流传感器设备是用来感测流过所述第一绕组的电流是否过大以及准确测量所述电流的大小。

Description

SMD电流传感器设备及其应用

技术领域

本发明的第一个方面大体上涉及一种SMD(表面安装器件)电流传感器设备(器件)，即一种被设计为通过SMD技术而设置并焊接在印刷电路板上的设备，该设备包括缠绕在磁芯上的两个绕组，更具体而言涉及在结构上形成为构成小而紧凑的SMD电流传感器设备，其尤其借助于在两个绕组之间设置电绝缘屏障(其允许这两个绕组彼此靠近放置)来提供高的效率。

本发明的第二个和第三个方面涉及第一个方面的SMD电流测量设备的不同的应用。

背景技术

在现有技术中具有多种有关电流传感器设备的设备，其中一些包括用于测量电流的电流变换器(也称为互感器)，诸如在美国专利US 4630218中公开的设备。

而且，众所周知的是，在现今的电源供应器中设有包括这种电流传感器的开关保护系统，诸如在公开号为US 2012236611 A1的美国专利申请中公开的输电线电流馈电电源供应器中的那样。

在诸如用于电动车辆和混合动力车辆(又名HEV：“混合动力-电动车辆”)的变流器和DC/DC电池充电器的应用中，电流传感器被要求占用尽量小的空间并支持最大可能的电力。另外，为了具有合适的开关管理，要求数字控制优于传统的PWM控制，并且通过以很高频率(在70KHz与200KHz之间)对流经导体的电流取样来实施这种控制。

由于尺寸限制，本领域已知的绝大多数传感器都难以在要求传感器为表面安装设备的应用中使用。关于绕组之间的距离、磁芯与各绕组之间的距离等各种不同的国际标准的规定阻碍了传统设备为此目的的使用。

然而，已知的某些电流传感器设备实际上适用于SMD，如以下引用的专利所公开的电流传感器设备。

美国专利US 7622910 B2公开了一种适合于表面安装的集成式电流传感器设备，包括磁芯以及缠绕该磁芯的相应的第一部段和第二部段的第一绕组和第二绕组。

专利US 7622910 B2记载了该磁芯和其绕组被适当地绝缘，但却没有公开用以实现这种绝缘的所述元件(绕组和磁芯)的特殊结构设置，也没有公开用于它们在集成设备的基板内的组装的特殊结构设置，而只是援引了集成电路“Sentron CSA-1V-SO”(其据称是通过被包括到AC感应器中而被更改)，因此隐含地设想其通过集成电路自身的基板或在其制造期间加入的其它层状元件的基板来提供绕组和磁芯的绝缘。

制造US 7622910 B2中所述设备的集成电路制造工艺的使用存在着很多缺点，包括与这种工艺的成本以及固有的局限性和复杂性相关联的那些缺点。另外，由于热学、几何学以及其它各种约束条件的限制，相较于非集成电流传感器设备，集成电流传感器设备可以承受的最大电参数值(electrical value)较低。

EP 1105893 B1公开了一种感应元件制造工艺，包括在压力作用下使熔化的热熔胶在一金属模具中模制成型，该金属模具中封围着由一个或更多绕组所缠绕的磁芯。作为一个实施例，据其所称，通过在模具中设置多个盲孔以及放置连接部而在其中形成一个或多个绕组，EP 1105893 B1所公开的感应元件能够直接适用于SMD，。

在EP 1105893 B1中完全没有公开在绕组之间或绕组和磁芯之间的中间绝缘，一旦将绕组缠绕在磁芯上，则执行所公开的成型工艺。

发明内容

本发明的目的是提供相对于现有技术的一备选方案，且旨在提供一种SMD电流传感器设备，该设备为其内部元件(即为磁芯和绕组)提供特殊的结构设置，这使得该设备因被制造为紧凑而小的器件而提高了效率，并且满足有关绝缘标准(如介电强度)和/或物理结构标准(如爬电距离、间隙、绝缘通过距离)等各种国际标准的要求。

为实现此目的，本发明涉及一种SMD电流传感器设备，其包括：

磁芯；

第一绕组，至少缠绕所述磁芯的第一部段；以及

第二绕组，至少缠绕所述磁芯的第二部段；

与现有技术所公开的SMD电流传感器设备相反的是，本发明所提出的一个方案中，第一绕组的至少一部分由电绝缘材料包覆成型，该电绝缘材料限定了第一包覆部(envelope)，该第一包覆部将第一绕组的上述至少一部分限制在其中，所述第一包覆部限定了用于将磁芯的第一部段引入其中的通孔，并且SMD电流传感器设备包括电绝缘支持部，第二绕组缠绕该电绝缘支持部，且该电绝缘支持部限定了用于将磁芯的第二部段引入其中的通孔，其中第一和第二绕组的所述通孔彼此对齐。

第一包覆部提供了将第一绕组与第二绕组物理分隔的绝缘实体屏障。由于相较于无任何绕组被绝缘材料包覆成型的情况，两个绕组之间的电绝缘有所增加，因此这种屏障提供了较高的电绝缘，从而允许两个绕组之间的距离减小。

因此，本发明提供了这样一种电流传感器设备，其设置型式能够实现结合具有SMD器件尺寸规格的电流传感器，保持安全的特性且符合例如IEC-61558和UL-1950之类的标准所提出的参数。

优选地，磁芯以及第一和第二绕组形成一电流变换器，其中第一绕组作为电流变换器的初级绕组，而第二绕组为次级绕组，虽然对于次优选实施例而言，可以不实施为电流变换器(用于电流传感)，而是还可以通过使用本发明的设备的磁芯和绕组来实施。

作为一个实施例，所述电绝缘支持部附接到第一包覆部，即电绝缘支持部与包覆部是彼此附接的两个独立部件，而作为另一个实施例，电绝缘支持部与第一包覆部一体形成，即两者被构成一个单件式件。

作为一个实施例，磁芯包括至少一个长形磁性构件，该长形磁性构件包括所述第一和第二部段。

虽然作为一个实施例，所述第一和第二部段相当于单件式的长形磁性构件的不同区域，而作为另一个实施例，该磁芯被分成第一和第二子磁芯，第一和第二子磁芯包括各自的长形磁性部件，这些长形磁性部件的自由端部在所述对齐的通孔内彼此紧靠、以形成所述长形磁性构件，其中每个所述长形磁性部件对应于该磁芯的相应的所述第一和第二部段。

优选地，通过经由上述对齐的通孔引入的第一和第二部段，该磁芯被可拆卸地附接到第一绕组的第一包覆部，以及附接到第二绕组的电绝缘支持部。

作为另一个实施例，本发明的SMD电流传感器设备包括第一支撑元件和第二支撑元件，每个支撑元件在长形磁性部件的与所述自由端部相反的相应端部处支撑所述长形磁性部件。

作为一个实施例，所述第一和第二支撑元件分别是所述第一和第二子磁芯的一部分，并且同与其形成相应的单件式(单体)元件的、对应长形磁性部件形成为一体，且当组装在一起时形成闭合的磁性电路。

作为一个优选实施例，每个所述磁性单件式元件在截切其三个腿(leg)的横截面的角度来看为E型件，并且磁通量将在其上流通，中心部的腿的宽度为每个侧部腿的两倍，使得当两个E型件被彼此面对设置，使其相应的臂/腿的自由端部接触时，形成闭合的磁路，其中中心腿内的由第一/初级绕组产生的磁通量密度经由两个侧部以一半的感应值腿返回。

作为一个备选实施例，所述第一和第二支撑元件是分别附接到第一和第二子磁芯的长形磁性部件的非磁性元件。

作为一个优选实施例，第一绕组被构造为单匝(one turn)，而第二绕组被构造为多匝。更具体而言，在HEV产业的应用中，第二绕组被构造为至少五十匝。

第二绕组也采用电绝缘材料而被绝缘。作为一个实施例，第二绕组也可被包覆成型。

所述绝缘或包覆成型是彼此独立的，即两者至少以单独的方式执行，并且两者使绕组之间以及绕组与磁芯之间物理屏障增大，使得本发明的SMD电流传感器设备易于承受较高的电流，由此限制了电弧出现的可能性。

根据一个实施例，磁芯由锰锌合金或非晶态钴构成。

按照一个实施例，第二绕组的电绝缘支持部是绕组模，第二绕组缠绕该绕组模而形成。

作为一个实施例，所述绕组模由包括液晶聚合物或者符合如回流或气相焊接方法的SMD焊接工艺(即根据IEC85标准的高热指数塑料)要求的并且还符合根据UL94标准的自熄灭标准的其它塑料的材料组成。

作为一个实施例，第一绕组包括铜、镍、银、金和/或锡合金。

作为一个优选实施例，本发明的电流传感器的原理是基于仪表变换器的使用。因此，并不对经过导体的电流进行操作，而是从磁芯中的、由所述电流感应得到的磁场来执行测量。

本发明的第二方案涉及第一方案中SMD电流传感器设备的应用，用于感测流过第一绕组的电流是否过大，例如用于过热保护。

此外，本发明除了提供用于感测过量电流的电流传感器设备之外，该设备还可以用于电流测量。这种测量方式允许测量很高的电流，而不直接与该电流接触，而如果进行这样的接触，则相关设备应当具有相当大的体积。

因此，本发明的第三个方案涉及任何在先的权利要求的SMD电流传感器设备的应用，用于准确测量流过第一绕组的电流大小，以便例如在相关的开关电源供应装置的控制回路中使用读数装置(reading)。

附图说明

通过下文参照附图对实施例的详细表述，将能更好地理解上述的以及其它的优点和特征，这些附图应当被认为是阐示性而非限制性的，在附图中：

图1是示出作为一个实施例的、本发明第一个方面的SMD电流传感器设备的立体图；

图2是图1的设备的俯视图；

作为与图1和图2相同的实施例，图3是本发明第一个方面的设备的立体分解图；

图4以立体图示出图3所示的的一些元件，特别是包括第一绕组和第二绕组的那些元件；

图5以俯视图示出了与图4相同的元件，其中以虚线绘出用于插入磁芯的三个对齐的通孔，；

图6是沿图5的剖面线VI-VI截取的剖视图；

图7是沿图5的剖面线VII-VII截取的剖视图；

图8是沿图5的剖面线VIII-VIII截取的剖视图；以及

图9是示出图3中所示的所有元件(除了盖2)组装之后的立体图。

具体实施方式

附图示出本发明的SMD电流传感器设备1的多个不同元件，作为一个实施例，该设备包括(主要如图3所示)：

磁芯，其被分成第一子磁芯(magnetic sub-core)和第二子磁芯，第一子磁芯和第二子磁芯各自包括长形磁性部件511、521；

第一绕组31，由电绝缘材料包覆成型，该电绝缘材料限定了第一包覆部3，该第一包覆部将第一绕组31的大部分(除了自由端部31a和31b之外)限制在其中(如图6所示)，所述第一包覆部3限定了用于将长形磁性部件511引入其中的通孔33，如图6所示；

电绝缘支持部44；以及

第二绕组43，其缠绕所述电绝缘支持部44，且电绝缘支持部44限定了用于将所述长形磁性部件521引入其中的通孔42(如图7所示)。

此外，作为所阐示的实施例，第一绕组31由单匝构成，而第二绕组43可以包括50到200匝。作为其它的实施例，本领域技术人员将能够计算第一和第二绕组匝数的比值。

如图8所示，通孔33、42彼此对齐，使得当两个长形磁性部件511、521经过其自由端部被插入时，在对齐的通孔33、42内彼此紧靠。这些长形磁性部件511、521可以通过结构型胶粘剂或环氧树脂胶附接到通孔绕组33和42的内轮廓。

(该设备)设有盖2，以将电流传感器设备1的不同元件(特别是子芯)容置和保持在一起(这里采用卡扣配合)，如图1和图2所示。

如图3所示，SMD电流传感器设备1包括第一支撑元件51和第二支撑元件52，每个支撑元件具有通过横梁(traverse)51c、52c相互连接的两个平行臂51a-51b；52a-52b，长形磁性部件511、521之一在与其自由端部相反的相应端部处连接到此横梁，使得长形磁性部件511、521以与平行臂51a-51b；52a-52b相同的方向平行延伸，从而与这些平行臂及相应的横梁51c；52c一起形成E型件。两个E型件被设置为彼此面对，且在组装时(如图9所示)在两者各自的臂51a-51b；52a-52b及长形磁性部件511、521的各自由端部处接触。

第一支撑元件51和第二支撑元件52的这些E型形状提供了特别有利的实施例，因为在最后组装时，一经组装即彼此接触的两个E型件的形状接近典型的表面安装设备的立方棱柱或直角棱柱形。且因此，这些E型形状允许形成对称的设备1，且在需要时容易将磁芯移除以便进行更换。

作为一个优选实施例，第一支撑元件51和第二支撑元件52分别是第一子磁芯和第二子磁芯的一部分，并且与相应的(与其一同形成相应的磁性单件式元件的)长形磁性部件511、521形成为一体，每个磁性单件式元件是具有宽度为Wc的中心部腿511、521的E型件(如图3所示)，该宽度Wc是每个侧部腿51a、51b、52a、52b的宽度Ws的两倍，使得当两个E型件被设置为彼此面对，且在它们各自的臂/腿的自由端部处接触时，形成闭合的磁路，其中在中心部腿(由522加521形成)内由第一/初级绕组31产生的磁通量经过两个侧部腿(51a加52a以及51b加52b)以一半感应值返回。

作为另一个实施例，第一支撑元件51和第二支撑元件52是分别附接到第一和第二子磁芯的长形磁性部件511、521的非磁性元件。

如图3所示，本发明为每个绕组31、43提供单独封装(single package)，所以在两者之间存在物理屏障以防止产生电弧或损耗。这一点是尤其有益的，因为本发明的设备优选地用于承受100至1000V及具有RMS电流(以检测/测量高达50A的电流)的应用中。

这种单独封装包括完全包覆成型的初级绕组，该初级绕组包括具有介于2至4kV之间的介电强度，且与次级绕组以及磁芯至少相距5mm爬电距离，因此满足如IEC-61558和UL-1950这类标准所规定和要求的绝缘体。

图4详细示出不带有磁芯和盖2的图3的设备，以便可以观察到绕组31、43和与其相关联的元件的细节，例如第一绝缘包覆部3以及电绝缘支持部44或绕组模，在一个特定的优选实施例中，该绕组模由液晶聚合物(也称为LCP，“Liquid Crystal Polymer”)、石碳酸或耐高温的任何其它材料和阻燃剂形成。此绕组模44必须能够经受介于约-40℃至+155℃之间的连续温度。

图5示出图4中所示元件的俯视图，其中五个引脚(pin)41中的两个(五个引脚所在行的第二和第四个)被连接(图中未示出此连接)到第二或次级绕组43的自由端部，当使用时，通过电磁感应原理将会在该绕组上得到与经过第一或初级绕组31的电流成比例的输出电流。作为一个所说明的实施例，次级绕组43的绕组模44以机械方式连接到五个引脚32以提供更好的机械紧固，然而这些引脚32具有非直接的电连接。

第一绕组31是平面状金属条(如图1至9所示)，具有未被包覆成型、保持在包覆部3之外的自由端部31a、31b，这些自由端部构成供SMD使用的两个相应的金属引脚，以便(通过焊接)被电连接到相应的电路板迹线以使电流由此通过。

图6是沿图5的剖切面线VI-VI截取的剖视图，并且示出了在形成具有Ω形或类似形状之后，第一绕组31如何嵌入到第一包覆部3，这种Ω形状通常用于定义一种规则的形状，例如用于金属型材(metal profile)的形状。

这种Ω形状允许围绕长形磁性部件511而形成在此处电磁性地围绕一周被理解为一匝。

如图5和图6所示，第一包覆部3包括两个上部平面壁3a、3b以及在两者之间围绕第一绕组31中心部分的突出中心部3c。

当组装时(如图9所示)，其中第一支撑元件51的两个平行臂51a-51b分别被支撑在所述两个上部平面壁3a、3b之一上以及支撑在突出中心部3c的相应的相邻侧壁3c1、3c2上，因此有助于提供设备1的总体结构的坚固性。

初级绕组优选被提供为支持约50A RMS的DC电流，因此优选的是，选择具有大约3×0.4mm²的横截面、材料为例如铜加镍闪速(flash，闪速熔炼)、锡合金、银或金以确保其可以被适当焊接并且保证良好的电性能(欧姆电阻率)及热性能(热导率)。

另外，频率工作范围必须介于约10KNz至250KHz之间，以满足行业要求。

经过冲压和弯曲的传统加工来获得形成第一绕组31的金属条，并且其通常由不锈钢形成。

图7示出沿图5的剖切面线VII-VII截取的剖视图，其示出了电绝缘支持部44(也被称为绕组模)如何限定上文提及的与通孔33对齐的通孔42。

所述图7以及图3、图4和图5示出了附接到支撑件4或与支撑件4形成为一体的电绝缘支持部44，该支撑件4具有两个上部平表面4a、4b以及介于两者之间且具有与通孔33、42对齐的中心通孔55的中心拱形部4c，其中第二支撑元件52的两个平行臂52a-52b分别被支撑在所述两个上部平表面4a、4b以及中心拱形部4c的相应的相邻侧壁4c1、4c2上，这同样有助于提供设备1的总体结构的坚固性。此绝缘支持部44被用于承载第二或次级绕组43。

对于图8的实施例，电绝缘支持部44、支撑件4和第一包覆部3被构造为单件式元件，其各自的通孔55、42和33形成单个、共同的通孔。

在穿过中心拱形下方的支撑件4的上部表面限定一凹入区域R1，以作为长形磁性部件521的引导部而使其容易由通孔55和42插入。以相同的目的，在第一包覆部3的上部表面限定另一个凹入区域R2，如图5所示。

用于SMD焊接的金属引脚41以机械方式附接到所述支撑件4，使得它们如所有附图所示的那样延伸。上文论述了至少两个所述金属引脚41被连接到第二绕组43的自由端部。

Claims (22)

1.一种SMD电流传感器设备，包括：

磁芯；

第一绕组(31)，至少缠绕所述磁芯的第一部段；以及

第二绕组(43)，至少缠绕所述磁芯的第二部段；

其特征在于，所述第一绕组(31)的至少一部分由电绝缘材料包覆成型，以限定第一包覆部(3)，该第一包覆部将所述第一绕组(31)的所述至少一部分限制在该第一包覆部中，所述第一包覆部(3)限定用于将所述磁芯的第一部段引入其中的通孔(33)，并且其中所述SMD电流传感器设备包括电绝缘支持部(44)，所述第二绕组(43)缠绕所述电绝缘支持部，且所述电绝缘支持部限定用于将所述磁芯的第二部段引入其中的通孔(42)，其中所述第一绕组(31)的通孔(33)和所述第二绕组(43)的通孔(42)彼此对齐。

2.根据权利要求1所述的SMD电流传感器设备，其中所述电绝缘支持部(44)附接到所述第一包覆部(3)，或与所述第一包覆部(3)一体形成。

3.根据权利要求1或2所述的SMD电流传感器设备，其中所述磁芯包括至少一个长形磁性构件，所述长形磁性构件包括所述第一部段和第二部段。

4.根据权利要求3所述的SMD电流传感器设备，其中所述磁芯被分成第一子磁芯和第二子磁芯，所述第一子磁芯和第二子磁芯包括各自的长形磁性部件(511、521)，所述各自的长形磁性部件的自由端部在所述对齐的通孔(33、42)内彼此紧靠，以形成所述长形磁性构件，其中每个所述长形磁性部件(511、521)对应于所述磁芯的相应的所述第一部段和第二部段。

5.根据权利要求4所述的SMD电流传感器设备，包括第一支撑元件(51)和第二支撑元件(52)，每个所述支撑元件在所述长形磁性部件(511、521)的与所述自由端部相反的相应端部处支撑一个所述长形磁性部件。

6.根据权利要求5所述的SMD电流传感器设备，其中所述第一支撑元件(51)和第二支撑元件(52)分别是所述第一子磁芯和第二子磁芯的一部分，并且与相应的所述长形磁性部件(511、521)形成为一体，以与相应的所述第一支撑元件和第二支撑元件形成相应的单件式元件。

7.根据权利要求5所述的SMD电流传感器设备，其中所述第一支撑元件(51)和第二支撑元件(52)是分别附接到第一子磁芯和第二子磁芯的长形磁性部件(511、521)的非磁性元件。

8.根据权利要求6或7所述的SMD电流传感器设备，其中所述第一支撑元件(51)和第二支撑元件(52)各自具有通过横梁(51c；52c)相互连接的两个平行臂(51a-51b；52a-52b)，所述长形磁性部件(511、521)被连接到所述横梁(51c；52c)，使得所述长形磁性部件沿与所述平行臂(51a-51b；52a-52b)相同的方向平行地延伸，以与所述平行臂及所述横梁(51c；52c)一起形成E型件，其中两个E型件被设置为彼此面对，且在两者各自的所述臂(51a-51b；52a-52b)及所述长形磁性部件(511、521)的自由端部处接触。

9.根据权利要求8所述的SMD电流传感器设备，其中所述第一包覆部(3)包括至少两个上部平面壁(3a、3b)以及位于其间的突出中心部(3c)，所述突出中心部围绕所述第一绕组(31)的至少一部分，其中所述第一支撑元件(51)的两个平行臂(51a-51b)分别被支撑在所述至少两个上部平面壁(3a、3b)之一上以及支撑在所述突出中心部(3c)的对应的相邻侧壁(3c1、3c2)上。

10.根据权利要求9所述的SMD电流传感器设备，其中所述电绝缘支持部(44)附接到支撑件(4)或与支撑件(4)形成为一体，所述支撑件(4)具有至少两个上部平表面(4a、4b)以及位于其间的中心拱形部(4c)，所述中心拱形部带有与所述通孔(33、42)对齐的中心通孔(55)，其中所述第二支撑元件(52)的所述两个平行臂(52a-52b)分别被支撑在所述至少两个上部平表面(4a、4b)之一上以及支撑在所述中心拱形部(4c)的对应的相邻侧壁(4c1、4c2)上。

11.根据权利要求10所述的SMD电流传感器设备，包括用于SMD焊接的金属引脚(41)，其中所述金属引脚(41)的至少一部分至少被电连接到所述第二绕组(43)的自由端部并且被以机械方式附接到所述支撑件(4)。

12.根据上述权利要求中任一项所述的SMD电流传感器设备，其中所述第一绕组(31)的自由端部(31a、31b)未被包覆成型且保持在所述包覆部(3)之外，并且构成用于SMD焊接的两个相应的金属引脚。

13.根据权利要求1所述的SMD电流传感器设备，其中所述第一绕组(31)被构造为单匝，而所述第二绕组(43)被构造为多匝。

14.根据上述权利要求中任一项所述的SMD电流传感器设备，其中所述第二绕组(43)也采用电绝缘材料包覆成型。

15.根据上述权利要求中任一项所述的SMD电流传感器设备，其中，通过经由对齐的所述通孔(33、42)分别引入所述磁芯的第一部段和第二部段，使得所述磁芯被可拆卸地附接到所述第一绕组(31)的第一包覆部(3)以及所述第二绕组(43)的电绝缘支持部(44)。

16.根据上述权利要求中任一项所述的SMD电流传感器设备，其中所述磁芯由锰锌合金和/或非晶态钴构成。

17.根据权利要求1所述的SMD电流传感器设备，其中所述第二绕组(43)的电绝缘支持部(44)是绕组模。

18.根据权利要求17所述的SMD电流传感器设备，其中所述绕组模由包括液晶聚合物的材料制成。

19.根据上述权利要求中任一项所述的SMD电流传感器设备，其中所述第一绕组(31)包括镍、银、金和/或锡合金。

20.根据上述权利要求中任一项所述的SMD电流传感器设备，其中所述磁芯与第一绕组(31)和第二绕组(43)形成电流变换器。

21.一种根据上述权利要求中任一项所述的SMD电流传感器设备的应用，用于感测流过所述第一绕组的电流过大。

22.一种根据权利要求1至20中任一项所述的SMD电流传感器设备的应用，用于准确测量流过所述第一绕组的电流的大小。