CN102866279A - 电流传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电流传感器装置，包括第一印刷电路板组件；与第一印刷电路板组件相对设置的第二印刷电路板组件；以及用于支撑第一、第二印刷电路板组件的支座，支座具有一通道以供一电导体穿过。第一印刷电路板组件包括具有至少一个第一元件对的第一感应电路，第一元件对包括两个具有第一钉扎方向的磁阻元件，第二印刷电路板组件包括具有至少一个第二元件对的第二感应电路，第二元件对包括两个具有第二钉扎方向的磁阻元件，第二钉扎方向与第一钉扎方向相反，第一、第二钉扎方向垂直于流经电导体上的电流的电流方向，第一感应电路与第二感应电路电连接。本发明在两个相反的方向感应外部磁场，从而消除外部磁场对测量的影响，进而提高测量精度。

Description

电流传感器装置

技术领域

本发明涉及电流传感器装置，尤其涉及一种具有第一感应电路、第二感应电路的电流传感器装置，其可在两个相反的方向感应外部磁场，从而消除外部磁场的影响，进而提高测量精度。

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***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输出电压的信号较弱，测量精度不高。而且，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传感器装置以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种电流传感器装置，其在两个相反的方向感应外部磁场，从而消除外部磁场对测量的影响，进而提高测量精度。

本发明的另一目的在于提供一种电路组件连接至印刷电路板的方法，其可简化制造工艺、降低电子装置的厚度。

为实现上述目的，本发明提供一种电流传感器装置，包括第一印刷电路板组件；与所述第一印刷电路板组件相对设置的第二印刷电路板组件；以及用于支撑所述第一、第二印刷电路板组件的支座，所述支座具有一通道以供一电导体穿过。所述第一印刷电路板组件包括具有至少一个第一元件对的第一感应电路，所述第一元件对包括两个具有第一钉扎方向的磁阻元件，所述第二印刷电路板组件包括具有至少一个第二元件对的第二感应电路，所述第二元件对包括两个具有第二钉扎方向的磁阻元件，所述第二钉扎方向与所述第一钉扎方向相反，所述第一、第二钉扎方向垂直于流经所述电导体上的电流的电流方向，所述第一感应电路与所述第二感应电路电连接。

较佳地，所述第一感应电路还包括与所述第一元件对电连接的第三元件对，所述第三元件对包括两个具有所述第二钉扎方向的磁阻元件，所述第二感应电路还包括与所述第二元件对电连接的第四元件对，所述第四元件对包括两个具有所述第一钉扎方向的磁阻元件。

较佳地，所述第一元件对和所述第二元件对对称地位于所述电导体的两侧。

较佳地，所述第三元件对和所述第四元件对对称地位于所述电导体的两侧。

较佳地，所述支座的内壁上设有两凹槽，所述第一、第二印刷电路板组件分别嵌入所述凹槽。

较佳地，所述第一印刷电路板组件上设有第一通槽，所述第二印刷电路板组件上设有第二通槽，所述第一感应电路封装后嵌入所述第一通槽，所述第二感应电路封装后嵌入所述第二通槽。

较佳地，还包括覆盖所述支座的遮蔽壳。

较佳地，还包括设置于所述遮蔽壳上的显示装置，所述显示装置与所述第一、第二印刷电路板组件电连接

本发明提供一种连接电路组件至印刷电路板的方法，包括在所述印刷电路板上形成开槽；将所述电路组件嵌入所述开槽中；以及将所述开槽和所述电路组件的边缘连接。

较佳地，还包括：在所述印刷电路板上形成多个第一焊盘；在所述电路组件上形成多个第二焊盘；以及分别将所述第一焊盘和所述第二焊盘连接。

与现有技术相比，首先，本发明采用磁阻元件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。其次，由于第一感应电路、第二感应电路分别位于电导体的两侧并具有相反的钉扎方向，因此可在两个相反的方向上感应同样的外部磁场，因此，被感应的磁场在两个方向上的电压输出相互抵消，从而消除了外部磁场对测量的影响，进而提高电流测量精度。再且，第一、第二感应电路嵌入PCB的开槽中，从而简化工艺、降低装置的整体高度，有利于当前电子产品的轻薄型设计。

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2a-2b分别为本发明的第一、第二感应电路的一个实施例的结构示意图。

图3为图第一、第二感应电路的GMR元件的结构示意图。

图4为第一、第二感应电路在工作时的简化视图。

图5a为第一感应电路的封装体在焊接到PCB之前的简化视图。

图5b为第一感应电路的封装体在焊接到PCB之后的简化视图。

图6a为本发明的电流传感器装置的一个实施例的立体图。

图6b为图6a所示的电流传感器装置的分解图。

图7为本发明的第一、第二感应电路的另一实施例在工作时的简化视图。

图8为本发明的连接电路组件至印刷电路板的方法的一个实施例的流程图。

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电流传感器装置，其在两个相反方向上感应外部磁场，从而消除外部磁场对测量的影响，进而提高电流的测量精度。

图2a-2b分别为本发明的第一、第二感应电路的一个实施例的结构示意图。如图2a所示，该第一感应电路210包括第一元件对，其具有两个连接在一起的磁阻元件211、213，并形成三个端点212、214、216。如图2b所示，第二感应电路220包括第二元件对，其具有两个连接在一起的磁阻元件221、223，并形成三个端点222、224、226。在本发明中，该磁阻元件可以是巨磁阻(giantmagnetoresistive，GMR)元件，隧道磁阻(tunnel magnetoresistiv，TMR)元件或各向异性磁阻(anisotropic magnetoresistive，AMR)元件。本实施例中的磁阻元件均采用GMR元件。

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。

现对第一、第二感应电路210、220的详细结构进行说明。再次参考图2a及图2b，GMR元件211、213具有第一钉扎方向215，GMR元件221、223具有相反于第一钉扎方向的第二钉扎方向225。该第一、第二感应电路210、220将被分别嵌入两个PCB中，并相互电连接形成惠斯通电桥电路(图未示)。具体地，端点212与端点222电连接以形成一个输入端，端点216与端点226电连接以形成另一个输入端(例如，其可以是接地端)，而端点214与端点224则作为两个输出端。

如图4所示，第一感应电路210和第二感应电路220面对面设置，载流电导体28位于两个感应电路210、220之间。具体地，在X-Z平面内，第一、第二钉扎层215、225垂直于载流电导体28上的电流方向。更具体地，第一感应电路210和第二感应电路220对称位于载流电导体28的两侧。当输入端212、222和216、226输入一输入电源Vcc，第一、第二感应电路210、211分别感应在载流电导体28周围产生的磁场，其磁场方向标示为11。

具体地，在第一感应电路210的输出端214的电压输出为

第二感应电路220的输出端224的电压输出为因此，由第一、第二感应电路210、220形成的惠斯通电桥电路的总的差分输出为

若在第一、第二感应电路210、220的周围存在除了载流电导体28产生的磁场之外的外部磁场，其磁场方向标示为12，由于外部磁场的影响，GMR元件上会产生噪声V1n及V2n，因此，该噪声会在端点212、222和216、226上被检测。由于第一、第二感应电路210、220上的GMR元件的电阻值相同，而钉扎方向相反，因此，被第一、第二感应电路210、220检测的噪声V1n和V2n大小相同、方向相同，总的噪声输出为V＝V1n-V2n＝0。因此，外部噪声会被由第一、第二感应电路210、220组成的***自动消除，在消除了外部磁场的影响的情况下，载流电导体28上的电流测量精度从而得到提高。

在第一、第二感应电路210、220嵌入PCB之前会被封装成封装体210’，如图5a所示。由于第一感应电路210和第二感应电路220的结构和设置相似，因此只对第一感应电路210进行描述。如图5a所示，第一感应电路210的详细的元件被省去，三个焊盘代表三个端点212、214、216。

请参考图5a、5b，其展示了如何将封装后的第一感应电路210安装在PCB30上形成印刷电路板组件(PCBA)300。该PCB 30包括模数转换器(图未示)和连接的中央处理器(CPU)(图未示)。如图所示，在PCB 30上形成开槽31，该开槽31具有与第一感应电路210的封装体210’具有对应的形状和尺寸。在本实施例中，该开槽31为通槽。具体地，该开槽31的深度大于或等于封装体210’的厚度。该封装体210’被***开槽31中并通过环氧胶连接在一起。可选地，在PCB 30靠近开槽31的表面上形成多个焊盘32，以与封装体201’上的焊盘相连接，例如可通过锡球焊接或金线接合法连接。因此，第一感应电路210的封装体210’嵌入至PCB 30上，并与PCB在同一平面上，因此，与现有的表面贴装技术相比，该焊接方法可降低装置模块的总厚度。

可选地，该开槽31可以是形成在PCB 30上的凹槽，同样具有与第一感应电路210的封装体210’具有对应的形状和尺寸。同样地，该凹槽的深度深度大于或等于封装体210’的厚度。该封装体210’被***开槽31中并通过环氧胶焊接在一起。因此，第一感应电路210的封装体210’嵌入至PCB 30上，并与PCB在同一平面上，因此，与现有的表面贴装技术相比，该焊接方法可降低装置模块的总厚度。

图6a和6b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包括第一PCBA 300、第二PCBA 400、用于支撑该PCBA300、400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、400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由陶瓷材料或塑形材料制成，其可分成两部分，也可为一个整体。而该遮蔽壳502也呈圆柱形，其由塑性材料或不锈钢材料制成。支座501的内壁上设有两个开槽509，用以容纳PCBA 300和PCBA 400。具体地，两个开槽509位于支座501的同一中心线上，即，两个开槽509面对面设置，因此，具有第一感应电路210的PCBA 300和具有第二感应电路220的PCBA 400同样面对面设置，并对称地位于载流电导体28的两侧。较佳地，该第一、第二感应电路220同样位于支座501的同一中心线上。

当载流电导体28被***支座501的通道507上时，具有相反钉扎方向215、225的第一、第二感应电路210、220同时感应由载流电导体28上的电流产生的磁场。由于第一、第二感应电路210、220对称地设置在载流电导体28的两侧，而且具有相反的钉扎方向215、225，因此，可以在两个相反的方向上感应同一个磁场(请参考图4)。由于第一、第二感应电路210、220连接成惠斯通电桥电路，因此最后的差分输出与由载流电导体28产生的磁场成比例地输出，在经过模数转换器的转换和CPU的计算后，电流数值在显示装置503上显示。

在本发明的构思下，当在电流传感器装置500附近存在外部磁场，第一、第二感应电路210、220的GMR元件同样随外部磁场而改变，从而在第一、第二感应电路210、220分别输出相同方向的噪声信号输出电压。如上所述，由于第一、第二感应电路210、220电连接成惠斯通电桥电路，即两个输出电压连接后最终输出差分噪声信号输出电压，因此该差分噪声信号输出电压被抵消，其值为0。因此，在消除了外部磁场影响的情况下，载流电导体28的电流的测量精度得到提高。

图7则为本发明的第一、第二感应电路的另一实施例。该第一感应电路210还包括与第一元件对电连接成第一惠斯通电桥电路的第三元件对，该第三元件对包括GMR元件211’、213’，其具有第二钉扎方向215’；第二感应电路220还包括与第二元件对电连接成第二惠斯通电桥电路的第四元件对，该第四元件对包括GMR元件221’、223’，其具有第一钉扎方向225’。该第一惠斯通电桥电路与第二惠斯通电桥电路在其差分输出端214、214’和224、224’上电连接。此外，还包括输入端212’、216’、222’和226’。

在本实施例中，第一元件对的输出端214的输出电压为

第三元件对的输出端214’的输出电压为第二元件对的输出端224的输出电压为

第四元件对的输出端224’的输出电压为

因此，第一、第二感应电路210、220的总的差分输出电压为 $V=(V1-V2)-(V3-V4)=4\mathrm{Vcc}\×\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}.$

同样地，若在第一、第二感应电路210、220的周围存在除了载流电导体28产生的磁场之外的外部磁场，其磁场方向标示为12，由于外部磁场的影响，第一、第二、第三、第四元件对上的GMR元件上会产生噪声V1n、V3n、V2n、V4n，因此，该噪声会在端点212、222和216、226上被检测。如在第一个实施例所述，V1n＝V3n，V2n＝V4n，因此总的噪声信号差分输出则为V＝(V1n-V2n)-(V3n-V4n)＝0。因此，外部噪声会被由第一、第二感应电路210、220组成的***自动消除，在消除了外部磁场的影响的情况下，载流电导体28上的电流测量精度从而得到提高。

图8为本发明的一种连接电路组件至印刷电路板的方法的一个实施例的流程图。如图所示，该方法包括以下步骤：

步骤(801)，在PCB上形成开槽；

步骤(802)，将电路组件嵌入该开槽中；以及

步骤(803)，将开槽和电路组件的边缘连接。

较佳地，步骤(803)还包括在PCB上形成多个第一焊盘；在电路组件上形成多个第二焊盘；以及分别将第一焊盘和第二焊盘连接，例如通过锡球焊接或金线接合法。

较佳地，该开槽的深度大于或等于电子组件的厚度。

较佳地，该开槽可为通槽或凹槽。

与传统的连接方法相比，本发明将电路组件嵌入PCB上的通槽或凹槽中，从而降低PCBA的总高度，有利于当前电子产品的轻薄型结构和设计。

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 (12)

1.一种电流传感器装置，包括：

第一印刷电路板组件；

与所述第一印刷电路板组件相对设置的第二印刷电路板组件；以及

用于支撑所述第一、第二印刷电路板组件的支座，所述支座具有一通道以供一电导体穿过；

其特征在于：所述第一印刷电路板组件包括具有至少一个第一元件对的第一感应电路，所述第一元件对包括两个具有第一钉扎方向的磁阻元件，所述第二印刷电路板组件包括具有至少一个第二元件对的第二感应电路，所述第二元件对包括两个具有第二钉扎方向的磁阻元件，所述第二钉扎方向与所述第一钉扎方向相反，所述第一、第二钉扎方向垂直于流经所述电导体上的电流的电流方向，所述第一感应电路与所述第二感应电路电连接。

2.如权利要求1所述的电流传感器装置，其特征在于：所述第一感应电路还包括与所述第一元件对电连接的第三元件对，所述第三元件对包括两个具有所述第二钉扎方向的磁阻元件，所述第二感应电路还包括与所述第二元件对电连接的第四元件对，所述第四元件对包括两个具有所述第一钉扎方向的磁阻元件。

3.如权利要求1所述的电流传感器装置，其特征在于：所述第一元件对和所述第二元件对对称地位于所述电导体的两侧。

4.如权利要求2所述的电流传感器装置，其特征在于：所述第三元件对和所述第四元件对对称地位于所述电导体的两侧。

5.如权利要求1所述的电流传感器装置，其特征在于：所述支座的内壁上设有两凹槽，所述第一、第二印刷电路板组件分别嵌入所述凹槽。

6.如权利要求1所述的电流传感器装置，其特征在于：所述第一印刷电路板组件上设有第一通槽，所述第二印刷电路板组件上设有第二通槽，所述第一感应电路封装后嵌入所述第一通槽，所述第二感应电路封装后嵌入所述第二通槽。

7.如权利要求1所述的电流传感器装置，其特征在于：还包括覆盖所述支座的遮蔽壳。

8.如权利要求7所述的电流传感器装置，其特征在于：还包括设置于所述遮蔽壳上的显示装置，所述显示装置与所述第一、第二印刷电路板组件电连接。

9.一种连接电路组件至印刷电路板的方法，其特征在于，包括：

在所述印刷电路板上形成开槽；

将所述电路组件嵌入所述开槽中；以及

将所述开槽和所述电路组件的边缘连接。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：

在所述印刷电路板上形成多个第一焊盘；

在所述电路组件上形成多个第二焊盘；以及

分别将所述第一焊盘和所述第二焊盘连接。

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述开槽为通槽或凹槽。

12.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述开槽的深度大于或等于所述电子组件的厚度。

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