用于導體內(nèi)原位電流測量的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電流測量設備，更具體地，涉及一種使用在導體內(nèi)的傳感器裝置測量電流的方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]電流測量用于各種應用，如配電系統(tǒng)的閉環(huán)反饋控制，在該系統(tǒng)中，控制器根據(jù)特定電路內(nèi)流動的已測電流運行。例如，可以運行切換電源以便調(diào)節(jié)輸出電流，以及構(gòu)成反饋環(huán)路以向電源控制器提供流向負載的輸出電流的估計值。通過測量與導體串聯(lián)連接的感測電阻兩端的電壓，可以感測流過導體的電流，但此方法需要消散通過感測電阻的能量。為克服這一困難，磁性傳感器技術(shù)已經(jīng)得到發(fā)展，其中一個或更多傳感器靠近載流導體放置以探測磁場強度，且基于感測的場強估計電流量。然而，在某些情況下，導體位于機器或其他系統(tǒng)中，這些機器或系統(tǒng)具有與流過導體的電流不相關(guān)的大量磁場。在這種情況下，單個磁性傳感器將探測與所關(guān)心的電流有關(guān)系的場，以及外來場(有時稱為串擾)。能夠使用復雜的濾波及信號調(diào)節(jié)電路來試圖將所關(guān)心的信號與串擾區(qū)分開，但這增加了傳感器系統(tǒng)的費用和復雜性。多個傳感器系統(tǒng)已經(jīng)得到發(fā)展，其中，在導體外附近放置若干個磁性傳感器，一同處理傳感器信號以嘗試消除干擾，用于提高電流測量精度。然而，這種多個傳感器技術(shù)比單個傳感器解決方案更昂貴，且在所關(guān)心的導體周圍的區(qū)域上占據(jù)大量的空間。另外，在載有大量電流的導體附近的磁場強度經(jīng)常超過高精度磁性傳感器的感測范圍，且因此，在這些情況中，高準確度電流感測已經(jīng)受到限制。因此，依然需要改進的裝置和技術(shù)，通過這種裝置和技術(shù)，能夠在緊湊傳感器配置中實現(xiàn)成本有效的精確的電流感測，同時減緩串擾的不利影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明提供了原位電流測量裝置和技術(shù)以及導體系統(tǒng)，在該導體系統(tǒng)中，磁力計在導電結(jié)構(gòu)的外圍內(nèi)，用來測量流過導體的電流，通過該導體系統(tǒng)，能夠減緩或避免常規(guī)電流感測技術(shù)的上述缺點以及其他缺點。
[0004]根據(jù)本公開的某些方面提供導體裝置，包括導電結(jié)構(gòu)，如母線(bus bar)、單線或絞線等以便沿縱向傳導電流，以及具有至少部分地在導電結(jié)構(gòu)的外圍內(nèi)放置的磁性傳感器的磁力計，其中，磁性傳感器具有橫向于導電結(jié)構(gòu)的縱向的相關(guān)感測方向。提供在磁力計中的傳感器接口電路，至少部分地基于來自磁性傳感器的信號，來生成表示在導電結(jié)構(gòu)中的縱向電流的至少一個輸出信號或值。磁力計還包括多條導線，其電連接到傳感器接口電路并延伸到導電結(jié)構(gòu)的外圍之外。由于在導電結(jié)構(gòu)的外圍內(nèi)的較低的磁場振幅和潛在改善的磁場均勻性，將磁力計放置在導體內(nèi)促進更高靈敏度傳感器的使用，如磁通門傳感器、各向異性磁阻(AMR)傳感器、巨型磁阻(GMR)傳感器、隧道磁阻或隧道磁電阻(TMR)傳感器等。另外，這種磁力計位置技術(shù)有利地減少由磁力計感測到的串擾量，并比使用磁性傳感器包圍導電結(jié)構(gòu)的外面的常規(guī)方法占據(jù)更少的空間。
[0005]在某些實施例中，磁力計包括兩個或更多個磁性傳感器，其位于導電結(jié)構(gòu)的外圍內(nèi)，其中各個傳感器具有橫向于導電結(jié)構(gòu)的縱向的相關(guān)感測方向。磁性傳感器以一種圖案(pattern)形成，以沿著縱向至少部分地圍繞在導電結(jié)構(gòu)的外圍內(nèi)的點。
[0006]另外，在某些實施例中，磁力計包括具有橫向于縱向的第一面的半導體結(jié)構(gòu)或基板，其中第一面至少部分地放置在導電結(jié)構(gòu)的外圍內(nèi)。磁性傳感器以一種圖案至少部分地形成于半導體結(jié)構(gòu)上或半導體結(jié)構(gòu)中，以沿著基板的第一面至少部分地圍繞點，且在某些實施例中，傳感器接口電路形成于半導體結(jié)構(gòu)上或半導體結(jié)構(gòu)中。
[0007]在某些實施例中，磁性傳感器是磁通門傳感器，其包括易受磁力影響的核心結(jié)構(gòu)和勵磁線圈，以及形成在核心結(jié)構(gòu)周圍的至少一個感測線圈。傳感器接口提供AC勵磁信號到各個磁性傳感器的勵磁線圈，并至少部分地基于從單個或更多個或所有磁性傳感器中的至少一些的感測線圈接收到的信號的單個向量或向量和，生成至少一個輸出信號或值。
[0008]在某些實施例中，各個磁性傳感器可以包括橋電路，其包括至少四個電阻元件，其中至少一個電阻元件是AMR或GMR傳感器元件，接口電路提供勵磁到各個橋電路，并至少部分地根據(jù)從各個橋電路中的至少一些的感測端子接收到的信號的向量和，生成輸出信號或值。
[0009]在某些實施例中，磁性傳感器以一種圖案形成，其中至少兩個磁性傳感器的感測方向是不同的且是圍繞沿著橫向于導體的縱向的磁力計的第一面的點的圓的切線。在各種實施方式中，能夠使用不同的多個傳感器圖案，包括但不限于，平行的、三角形的、矩形的、六邊形的、八邊形的、T形圖案或圓形圖案。
[0010]在某些實施例中，磁力計包括多組磁性傳感器(每組至少兩個)，第一組與沿著橫向于縱向?qū)w方向的磁力計的第一面的點隔開第一距離，且第二組與該點隔開第二距離，在其中，至少部分地基于來自第一組磁性傳感器的信號，傳感器接口電路生成第一輸出信號或值，并至少部分地基于來自第二傳感器組的信號，生成第二輸出信號或值。
[0011]在某些實施例中，圓形傳感器能夠具有圓形感測方向。沒有任何磁心的圓形磁通門傳感器的線圈或單獨的線圈能夠使用，如羅戈夫斯基線圈，其具有橫向于導電結(jié)構(gòu)的縱向的圓形感測方向，其中圓形傳感器圍繞沿著橫向于縱向的磁力計的第一面的點。在某些實施例中，可以使用不同直徑和/或不同磁力計傳感器技術(shù)的兩個或更多個這種圓形磁性傳感器。
[0012]在某些實施例中，(一個或更多個)磁性傳感器可以位于向內(nèi)延伸的導電結(jié)構(gòu)的第一面的凹槽或槽中，且在某些實施例中，槽可以延伸穿過至導電結(jié)構(gòu)的第二面。
[0013]根據(jù)本公開的進一步的方面，一種導體裝置包括導電結(jié)構(gòu)，其具有位于至少部分地在導電結(jié)構(gòu)的外圍內(nèi)的集成電路上的至少一個圓形磁性傳感器。
[0014]根據(jù)本公開的進一步的方面，提供一種用于沿著導電結(jié)構(gòu)的縱向感測電流的方法。該方法包括將具有多個磁性傳感器的磁力計放置在導電結(jié)構(gòu)的外圍內(nèi)，使得與各個傳感器有關(guān)的感測方向橫向于導電結(jié)構(gòu)的縱向，且使得磁性傳感器以一種圖案形成，以沿著縱向至少部分地圍繞在導電結(jié)構(gòu)外圍內(nèi)的點。該方法進一步包括使用磁力計的傳感器接口電路，至少部分地根據(jù)從一個或更多個或所有磁性傳感器中接收到的信號的單個向量或向量和，生成用來表示導電結(jié)構(gòu)中的縱向電流的至少一個輸出信號或值。
【附圖說明】
[0015]圖1是根據(jù)本公開的一個或更多個方面的說明用于沿縱向傳導電流的示例母線導電結(jié)構(gòu)的透視圖，其中用于感測電流的磁力計位于延伸進母線的第一面內(nèi)的槽內(nèi)；
[0016]圖2是沿著在圖1中的線2-2所取截面端部正視圖，其說明磁力計位于在母線中的垂直槽中；
[0017]圖3是示出在圖1和圖2的導電母線結(jié)構(gòu)中的槽和磁力計中以及槽和磁力計周圍的模擬的磁場強度輪廓的端部正視圖；
[0018]圖4是示出在導電母線結(jié)構(gòu)的槽中的磁力計的位置的進一步細節(jié)的局部截面端部正視圖；
[0019]圖5是沿圖1的線5-5所取的示出在導電母線結(jié)構(gòu)的頂部中的位于槽內(nèi)的磁力計的局部俯視平面視圖；
[0020]圖6是集成電路磁力計實施例的簡化端部正視圖，其中具有在半導體基板上的點的相對側(cè)上以平行圖案形成的兩個磁性傳感器；
[0021]圖7是集成電路磁力計實施例的簡化端部正視圖，其中具有圍繞在半導體基板上的點以矩形圖案形成的四個磁性傳感器；
[0022]圖8是另一個集成電路磁力計實施例的簡化端部正視圖，其中具有圍繞在半導體基板上的點以八邊形圖案形成的八個磁性傳感器；
[0023]圖9和圖10是另一個集成電路磁力計實施例的簡化端部正視圖，其中具有與半導體基板的頂面上的感測點隔開不同距離的第一和第二組磁性傳感器(每一組有兩個)；
[0024]圖11是示出雙范圍磁力計實施例的簡化端部正視圖，其具有以相應矩形圖案的第一和第二組磁性傳感器；
[0025]圖12是說明使用以T形圖案放置的三個磁性傳感器的集成電路磁力計的簡化端部正視圖；
[0026]圖13是說明使用以三角形圖案放置的三個磁性傳感器的集成電路磁力計的簡化端部正視圖；
[0027]圖14是示出具有以六邊形圖案形成的六個磁性傳感器的集成電路磁力計的簡化端部正視圖；
[0028]圖15和圖16是說明使用一個或更多個磁通門或AMR/GMR/TMR或霍爾或羅戈夫斯基線圈圓形磁性傳感器的集成電路磁力計實施例的簡化端部正視圖；
[0029]圖17是示意地說明形成于集成電路和磁力計的相關(guān)的勵磁和感測接口電路的半導體基板上或半導體基板中的兩個示例磁通門磁性傳感器的局部端部正視圖；和
[0030]圖18是根據(jù)本公開的示意地說明與磁力計的勵磁和感測電路系統(tǒng)相耦接的兩個基于AMR或GMR的橋電路磁性傳感器的局部端部正面圖。
【具體實施方式】
[0031]圖1示出具有用于沿縱向102傳導電流的導電母線結(jié)構(gòu)110的導體裝置100。僅作參考，各圖包括表示X、Y和Z坐標軸的箭頭示例。已說明的母線110的縱向范圍大致是直的(如沿著Z軸)，雖然能夠使用彎曲的、蛇形的、曲線的或其他縱向?qū)w結(jié)構(gòu)110。在已說明的示例中，母線110分別包括第一和第二縱向端部111和112，且具有帶有在端部111和112之間的外圍的大致矩形形狀，該矩形形狀由頂面或第一面116、底面或第二面115以及側(cè)邊相對面113和114限定。母線110包括向頂面116內(nèi)部延伸的槽118，在其中放置磁力計或電流傳感器裝置120。在已說明的示例中