CN109946499A - 基于pcb的电流检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于PCB的电流检测装置，其中一种包括：PCB板体；导线，印制在PCB板体的第一表面；导线包括相互平行的第一直导线和第二直导线，以及从一侧连接其的第三导线部，第三导线部关于对称线对称，对称线与第一直导线、第二直导线平行；第一磁电阻、第二磁电阻，设置于PCB板体的第二表面；第一磁电阻、第二磁电阻各自在导线所在平面的投影分别位于第一直导线和第二直导线的外侧；第一磁电阻和第二磁电阻的磁敏感方向相同，且均与PCB板体平行，并与对称线垂直；第一磁电阻和第二磁电阻串联，串联后的两端连接电源；信号处理模块，输入端连接在第一磁电阻和第二磁电阻之间。该装置检测较小的待测电流时精度较高。

Description

基于PCB的电流检测装置

技术领域

本发明涉及电流传感器技术领域，具体涉及基于PCB的电流检测装置。

背景技术

电流检测产品广泛应用于新能源、智能交通、工业控制、智能家电以及智能电网等领域。电流检测产品通常为封装的芯片，芯片的至少两个引脚分别用于引入或引出待测电流，在电流检测芯片的内部这两个引脚也是通过导线连接的；实际用于感知磁场以实现检测电流功能的磁传感器也被封装在芯片内，且磁传感器贴近于连接上述两个引脚的导线。这种电流检测芯片存在以下弊端：(1)芯片的耐压较低；(2)上述连接两个引脚的导线的截面积较小而使其内阻较大、功耗较大，加之芯片式的封装使得散热效果较差，使得芯片容易发热。

为解决上述弊端，现有技术提供了基于PCB的电流检测装置，如图1A和图1B所示，这种电流检测产品包括磁传感器1、用于通以待测电流的导线2和 PCB板3，其中，磁传感器1和导线2分别设置在PCB板3的两个相对表面上，导线2中的“×”表示导线内所流通的电流的方向(即从读者所在的纸面或屏幕一侧指向另一侧)。由于磁传感器1与导线2之间有PCB板3作为间隔，可以在待测电流大小不变的情况下降低磁传感器1所要感知的磁场强度，因此提高电流检测产品的耐压，并且可以通过调整PCB板的厚度及尺寸大小进一步提高检测装置的耐压。导线2可以在制作PCB板的时印制在板体上，且便于将导线2印制为各种形状，能够增大导线截面的宽度，从而减小导线的内阻、降低其功耗，加之印制的导线散热面较大使其散热效果较好，因此基于PCB的电流检测装置较不容易发热。

然而，发明人发现，现有基于PCB的电流检测装置较适用于测量较大的电流(例如30A以上的电流)，而对于较小的电流(例如30A以下的电流)则测量精度不够。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了基于PCB的电流检测装置，以解决现有方法对较小的电流测量精度不够的问题。

根据第一方面，本发明实施例提供了一种基于PCB的电流检测装置，包括： PCB板体；导线，印制在所述PCB板体的第一表面，用于通以待测电流；所述导线包括相互平行的第一直导线和第二直导线，以及从一侧连接其的第三导线部，所述第三导线部关于对称线对称，所述对称线与第一直导线、第二直导线平行，且与第一直导线、第二直导线的间距基本相等；第一磁电阻、第二磁电阻，设置于所述PCB板体的第二表面，所述第二表面与所述第一表面相对；所述第一磁电阻、所述第二磁电阻各自在所述导线所在平面的投影分别位于所述第一直导线和所述第二直导线的外侧；所述第一磁电阻和所述第二磁电阻的磁敏感方向相同，且均与所述PCB板体平行，并与所述对称线垂直；所述第一磁电阻和所述第二磁电阻串联，串联后的两端连接电源；信号处理模块，其输入端连接在所述第一磁电阻和所述第二磁电阻之间，用于根据所述第一磁电阻与所述第二磁电阻之间的电信号获取输出待测电流值。

根据第二方面，本发明实施例提供了一种基于PCB的电流检测装置，包括： PCB板体；导线，印制在所述PCB板体的第一表面，用于通以待测电流；所述导线包括相互平行的第一直导线和第二直导线，以及从一侧连接其的第三导线部，所述第三导线部关于对称线对称，所述对称线与第一直导线、第二直导线平行，且与第一直导线、第二直导线的间距基本相等；第一磁电阻、第二磁电阻、第三磁电阻、第四磁电阻，设置于所述PCB板体的第二表面，所述第二表面与所述第一表面相对；并且，所述第一磁电阻、所述第四磁电阻各自在所述导线所在平面的投影位于所述第一直导线和所述第二直导线外部的同一侧，所述第二磁电阻、所述第三磁电阻各自在所述导线所在平面的投影位于所述第一直导线和所述第二直导线外部的另一侧；所述第一磁电阻和所述第二磁电阻串联，串联后的两端连接电源，所述第三磁电阻和所述第四磁电阻串联，串联后的两端连接所述电源，并且所述第一磁电阻和所述第三磁电阻连接至所述电源的同一端；同一串联支路上的两个磁电阻各自在所述导线所在平面的投影分别位于所述第一直导线和所述第二直导线的外侧；所述第一磁电阻、所述第二磁电阻、所述第三磁电阻、所述第四磁电阻的磁敏感方向相同，且均与所述PCB 板体平行，并与所述对称线垂直；信号处理模块，其第一输入端连接在所述第一磁电阻和所述第二磁电阻之间，第二输入端连接在所述第三磁电阻和所述第四磁电阻之间；所述信号处理模块用于根据所述第一磁电阻与所述第二磁电阻之间的电信号、所述第三磁电阻和所述第四磁电阻之间的电信号获取待测电流值。

可选地，所述第三导线部为具有开口的矩形或圆角矩形，并且矩形的长边与所述对称线垂直。

可选地，所述第三导线部为与所述对称线垂直的直导线；并且，所述第一磁电阻和所述第二磁电阻位于所述第一直导线或所述第二直导线的中线的同一侧。

可选地，所述导线还包括：第四直导线、第五直导线，均与所述对称线垂直，并且分别连接至第一直导线、第二直导线的端部。

可选地，所述信号处理模块为运算放大器。

可选地，所述装置包括至少三个检测单元，所述检测单元包括各个磁电阻和所述导线。

可选地，至少三个所述导线分别用于通以三相电流。

可选地，所述装置还包括金属罩，设置于所述PCB板的第二表面，并且各个磁电阻和/或所述信号处理模块位于所述金属罩内。

本发明实施例所提供的基于PCB的电流检测装置，对于同样大小的待测电流，输出值更大，检测较小的待测电流时精度较高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1A示出了现有基于PCB的电流检测装置的侧视图；

图1B示出了现有基于PCB的电流检测装置的总体结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例的一种基于PCB的电流检测装置的侧视图；

图3A示出了根据本发明实施例的一种基于PCB的电流检测装置的俯视图；

图3B示出了根据本发明实施例的另一种基于PCB的电流检测装置的俯视图；

图4示出了图2、图3A、图3B中两个磁电阻的电连接关系；

图5示出了适用于图4的一种运算放大器的电连接关系示意图；

图6示出了根据本发明实施例的另一种基于PCB的电流检测装置的侧视图；

图7A示出了根据本发明实施例的又一种基于PCB的电流检测装置的俯视图；

图7B示出了根据本发明实施例的又一种基于PCB的电流检测装置的俯视图；

图8示出了图6、图7A、图7B中两个磁电阻的电连接关系；

图9示出了适用于图8的一种运算放大器的电连接关系示意图；

图10示出了基于PCB的电流检测装置包含三个检测单元并分别用于通以三相电流的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要提前说明的是，本申请中的磁敏感方向为方向矢量，既包括“当该方向的磁场增大时，磁敏元件的正输出值增大的方向(也称正磁敏感方向)”，也包括“当该方向的磁场增大时，磁敏元件的正输出值减小的方向(也称负磁敏感方向)”。

本申请中还约定：当仅提及磁敏感方向时，该磁敏感方向既包括正磁敏感方向，又包括负磁敏感方向，对正、负方向不做区分；而当提及磁敏感方向相同、相反时，区分正磁敏感方向、负磁敏感方向，也即“磁敏感方向相同”是指磁敏感方向均为正磁敏感方向或均为负磁敏感方向，“磁敏感方向相反”是指一者为正磁敏感方向、另一者为负磁敏感方向。

实施例一

本发明实施例提供了一种基于PCB的电流检测装置，图2示出了其侧视图，图3A示出了其一种俯视图，图3B示出了其另一种俯视图，其中，填充的条形区域表示导线，内部虚线箭头表示电流流向。该装置包括第一磁电阻11、第二磁电阻12、导线20、PCB板体30和信号处理模块(图2、图3A和图3B中未示出)。

导线20印制在PCB板体30的第一表面，用于通以待测电流。导线20包括相互平行的第一直导线和第二直导线(即图3A和图3B中圆形虚线框内的两条直导线)，以及从一侧连接其的第三导线部(即如图3A和图3B中左侧矩形虚线框内的导线)，第三导线部关于对称线对称，对称线与第一直导线、第二直导线平行，且与第一直导线、第二直导线的间距基本相等。

第一磁电阻11、第二磁电阻12设置于PCB板体30的第二表面，第二表面与第一表面相对。第一磁电阻11、第二磁电阻12各自在导线20所在平面的投影分别位于第一直导线和第二直导线的外侧。本申请中将第一直导线和第二直导线作为一个整体看待，“第一直导线和第二直导线的内侧”是指两条直导线之间，第一直导线和第二直导线的“外侧”与“内侧”相对。第一磁电阻11 和第二磁电阻12串联，串联后的两端连接电源。

信号处理模块的输入端连接在第一磁电阻11和第二磁电阻12之间，用于根据第一磁电阻11与第二磁电阻12之间的电信号获取输出待测电流值。

假设第一磁电阻11的为R₁＝R₀+k·B₁，其中R₀为第一磁电阻11在磁感应强度为零时的阻值，B₁为第一磁电阻11所在处的磁感应强度，k为第一磁电阻11 的变化率；第二磁电阻12的阻值为R₂＝R₀+k·B₂，其中R₀为第二磁电阻12在磁感应强度为零时的阻值(磁感应强度为零时，第一磁电阻11和第二磁电阻12 的阻值相等)，B₂为第二磁电阻12所在处的磁感应强度，k为第二磁电阻12的变化率。那么，第一磁电阻11和第二磁电阻12之间的电压为

其中，V_cc为电源电压。

在导线内没有通以电流时，第一磁电阻11和第二磁电阻12之间的电压应为V₀＝V_cc/2。所以，在通电之后，第一磁电阻11和第二磁电阻12之间输出电压与V₀的差值为：

需要说明的是，上述公式(1)推导的最后一步中，由于实际情况下R₀的数值往往远远大于B₁和B₂的数值，因而2R₀+k·(B₁+B₂)可以近似为2R₀，从而得到上述公式(1)的最终结果。

根据上述公式(1)的最终结果可以看出，根据第一磁电阻11和第二磁电阻12之间输出的电压值与参考值的差值便可以得到待测电流值，并且待测电流输出结果取决于第一磁电阻11、第二磁电阻12所在位置处磁感应强度的差值。

如图3A和图3B所示，由于第一直导线和第二直导线内所流通的电流方向相反，因此第一直导线和第二直导线所产生的磁场方向相反。假设第一磁电阻 11更靠近第一直导线，第二磁电阻12更靠近第二直导线，则如图3A和图3B 所示，第一磁电阻11和第二磁电阻12所在位置处的“直导线作用的综合磁场”应当位于图中所示的z轴方向(z轴方向，即是在导线所在平面上、且与对称线垂直的方向)上，并且方向相反。由于第三导线部关于对称线对称，第三导线部中、在第一磁电阻11和第二磁电阻12所在位置处产生的磁场在z轴方向具有分量的部分导线(该部分导线即图3A和图3B中左侧矩形虚线框内x轴方向的导线)在第一磁电阻11和第二磁电阻12处所产生的磁场大小相等、方向相反，二者的向量之和为0。

根据上述分析，在上述公式(1)中，磁感应强度B₁和B₂的数值是相反的，且公式(1)的最终结果只取决于B₁和B₂的数值之和(即|B₁|+|B₂|)，第三导线部所产生的磁场并不会影响公式(1)的最终结果，因此，对于同样大小的待测电流，本发明实施例所提供的基于PCB的电流检测装置的输出值更大，检测较小的待测电流时精度较高。

假设第一直导线和第二直导线所产生的磁场在第一磁电阻11所在位置处的磁感应强度为b₁(b₁为数值)，在第二磁电阻12所在位置处的磁感应强度为-b₂ (b₂为数值)，外界干扰磁场在第一磁电阻11、第二磁电阻12所在位置处的磁感应强度均为b₀(即共模干扰)，则上述矢量B₁＝b₁+b₀，B₂＝-b₂+b₀，则这两个矢量的差值B₂＝b₁-b₂，也即检测结果不受共模干扰的影响。由此可见，本发明实施例所提供的基于PCB的电流检测装置抗外界磁场干扰的能力较强。

需要说明的是，上述参考值可选取为电源电压值的一半，或者也可以为其他固定数值。用于“根据第一磁电阻11和第二磁电阻12之间输出的电压值与参考值的差值获得待测电流值”的信号处理模块可以是运算放大器及其***电路，如图4和图5所示，运算放大器的第一输入端连接在第一磁电阻11和第二磁电阻12之间，第二输入端连接参考电压，图中V_o为第一磁电阻11和第二磁电阻12之间的电压，V_ref为参考电压，可以设置为电源电压值的一半，即V_cc/2；或者，也可以是包括处理器芯片的模块，或者也可以是其他电子电路，本申请不做限定。

实施例二

本发明实施例提供了另一种基于PCB的电流检测装置，图6示出了其侧视图，图7A示出了其一种俯视图，图7B示出了其另一种俯视图。对照图2、图3A和图3B可以看出，本发明实施例所提供的装置与实施例一的区别在于，该装置包括四个磁电阻，即第一磁电阻11、第二磁电阻12、第三磁电阻13和第四磁电阻14，而不是两个磁电阻。下面将具体介绍本实施例中这四个磁电阻的具体设置方式。

第一磁电阻11、第二磁电阻12、第三磁电阻13、第四磁电阻14，设置于 PCB板体30的第二表面，第二表面与第一表面相对。第一磁电阻11、第四磁电阻14各自在导线20所在平面的投影位于第一直导线和第二直导线外部的同一侧，第二磁电阻12、第三磁电阻13各自在导线20所在平面的投影位于第一直导线和第二直导线外部的另一侧。本申请中将第一直导线和第二直导线作为一个整体看待，“第一直导线和第二直导线的内侧”是指两条直导线之间，第一直导线和第二直导线的“外侧”与“内侧”相对。第一磁电阻11和第二磁电阻 12串联，串联后的两端连接电源，第三磁电阻13和第四磁电阻14串联，串联后的两端连接电源，并且第一磁电阻11和第三磁电阻13连接至电源的同一端。同一串联支路上的两个磁电阻各自在导线20所在平面的投影分别位于第一直导线和第二直导线的外侧，例如，第一磁电阻11和第二磁电阻12各自在导线 20所在平面的投影分别位于第一直导线和第二直导线的外侧，第三磁电阻13 和第四磁电阻14各自在导线20所在平面的投影分别位于第一直导线和第二直导线的外侧。第一磁电阻11、第二磁电阻12、第三磁电阻13、第四磁电阻14 的磁敏感方向相同，且均与PCB板体30平行，并与对称线垂直。

信号处理模块的第一输入端连接在第一磁电阻11和第二磁电阻12之间，第二输入端连接在第三磁电阻13和第四磁电阻14之间；信号处理模块用于根据第一磁电阻11与第二磁电阻12之间的电信号、第三磁电阻13和第四磁电阻 14之间的电信号获取待测电流值。

如图8所示，第一磁电阻11和第二磁电阻12所在的第一支路可以单独看作图4所示的电路，第三磁电阻13和第四磁电阻14所在的第二支路也可以单独看作图4所示的电路。由于第一磁电阻11和第四磁电阻14位置处的磁场方向相同，第二磁电阻12和第三磁电阻13位置处的磁场方向相同，且第一磁电阻11和第二磁电阻12位置处的磁场方向相反，并且四个磁电阻的磁敏感方向相同，因此，当导线内没有通以电流时，图8中的V-(即第一磁电阻11与第二磁电阻12之间的电压)和V+(即第三磁电阻13与第四磁电阻14之间的电压)的数值相同，二者之差为0；在导线内通以电流时，图8中的V-和V+分别朝向相反的方向变化(即一者增大，另一者减小)，二者之差为其中任意一者变化量的两倍。由此可见，本实施例与实施例一相比，所提供的电流检测装置能够进一步增大输出值，提高检测精度。

类似实施例一，信号处理模块既可以是运算放大器及其***电路，如图8 和图9所示(两个图中符号相同的位置是电连接的)；或者，也可以是包括处理器芯片的模块，或者也可以是其他电子电路，本申请不做限定。

作为实施例一或实施例二的一种可选实施方式，第三导线部为具有开口的矩形或圆角矩形，并且矩形的长边与对称线垂直，如图3A或图7A中左侧矩形虚线框内所示。

作为实施例一或实施例二的一种可选实施方式，第三导线部为与对称线垂直的直导线，如图3B或图7B中左侧矩形虚线框内所示；并且，第一磁电阻11 和第二磁电阻12位于第一直导线或第二直导线的中线的同一侧。该实施方式中，第一直导线和第二直导线较长，具体长度需要根据实际情况而定。

作为实施例一或实施例二的一种可选实施方式，导线20还包括第四直导线、第五直导线，均与对称线垂直，并且分别连接至第一直导线、第二直导线的端部，如图3A、图3B、图7A、图7B所示。

作为实施例一或实施例二的一种可选实施方式，该基于PCB的电流检测装置包括至少三个检测单元，每个检测单元包括实施例一或实施例二中所述的各个磁电阻和导线，从而在一个PCB板上设置多个检测单元，每个检测单元可以用于检测一路待检测电流。特殊地，至少三个导线可以分别用于通以三相电流。例如在图10中，填充的条形区域表示导线，三条导线分别用于通以A、B、C 三相电流，每条导线附近的两个小方块分别表示两个磁电阻，30表示PCB板体。

作为实施例一或实施例二的一种可选实施方式，基于PCB的电流检测装置还包括金属罩，设置于PCB板的第二表面，并且各个磁电阻和/或信号处理模块位于金属罩内。金属罩可以屏蔽外界电场的干扰，有效消除待测电流自身(即 dv/dt对磁电阻的干扰)以及空间杂散电场对于磁电阻或信号处理模块的各元器件的干扰。

可选地，本申请各实施例中的磁电阻可以采用灵敏度和精度较高的TMR 隧道磁电阻，或者其他同类磁电阻，本申请对此不做限定。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (9)

1.一种基于PCB的电流检测装置，其特征在于，包括：

PCB板体；

导线，印制在所述PCB板体的第一表面，用于通以待测电流；所述导线包括相互平行的第一直导线和第二直导线，以及从一侧连接其的第三导线部，所述第三导线部关于对称线对称，所述对称线与第一直导线、第二直导线平行，且与第一直导线、第二直导线的间距基本相等；

第一磁电阻、第二磁电阻，设置于所述PCB板体的第二表面，所述第二表面与所述第一表面相对；所述第一磁电阻、所述第二磁电阻各自在所述导线所在平面的投影分别位于所述第一直导线和所述第二直导线的外侧；所述第一磁电阻和所述第二磁电阻的磁敏感方向相同，且均与所述PCB板体平行，并与所述对称线垂直；所述第一磁电阻和所述第二磁电阻串联，串联后的两端连接电源；

信号处理模块，其输入端连接在所述第一磁电阻和所述第二磁电阻之间，用于根据所述第一磁电阻与所述第二磁电阻之间的电信号获取输出待测电流值。

2.一种基于PCB的电流检测装置，其特征在于，包括：

PCB板体；

导线，印制在所述PCB板体的第一表面，用于通以待测电流；所述导线包括相互平行的第一直导线和第二直导线，以及从一侧连接其的第三导线部，所述第三导线部关于对称线对称，所述对称线与第一直导线、第二直导线平行，且与第一直导线、第二直导线的间距基本相等；

第一磁电阻、第二磁电阻、第三磁电阻、第四磁电阻，设置于所述PCB板体的第二表面，所述第二表面与所述第一表面相对；并且，所述第一磁电阻、所述第四磁电阻各自在所述导线所在平面的投影位于所述第一直导线和所述第二直导线外部的同一侧，所述第二磁电阻、所述第三磁电阻各自在所述导线所在平面的投影位于所述第一直导线和所述第二直导线外部的另一侧；所述第一磁电阻和所述第二磁电阻串联，串联后的两端连接电源，所述第三磁电阻和所述第四磁电阻串联，串联后的两端连接所述电源，并且所述第一磁电阻和所述第三磁电阻连接至所述电源的同一端；同一串联支路上的两个磁电阻各自在所述导线所在平面的投影分别位于所述第一直导线和所述第二直导线的外侧；所述第一磁电阻、所述第二磁电阻、所述第三磁电阻、所述第四磁电阻的磁敏感方向相同，且均与所述PCB板体平行，并与所述对称线垂直；

信号处理模块，其第一输入端连接在所述第一磁电阻和所述第二磁电阻之间，第二输入端连接在所述第三磁电阻和所述第四磁电阻之间；所述信号处理模块用于根据所述第一磁电阻与所述第二磁电阻之间的电信号、所述第三磁电阻和所述第四磁电阻之间的电信号获取待测电流值。

3.根据权利要求1或2所述的基于PCB的电流检测装置，其特征在于，所述第三导线部为具有开口的矩形或圆角矩形，并且矩形的长边与所述对称线垂直。

4.根据权利要求1或2所述的基于PCB的电流检测装置，其特征在于，所述第三导线部为与所述对称线垂直的直导线；并且，所述第一磁电阻和所述第二磁电阻位于所述第一直导线或所述第二直导线的中线的同一侧。

5.根据权利要求1或2所述的基于PCB的电流检测装置，其特征在于，所述导线还包括：

第四直导线、第五直导线，均与所述对称线垂直，并且分别连接至第一直导线、第二直导线的端部。

6.根据权利要求1或2所述的基于PCB的电流检测装置，其特征在于，所述信号处理模块为运算放大器。

7.根据权利要求1或2所述的基于PCB的电流检测装置，其特征在于，包括至少三个检测单元，所述检测单元包括各个磁电阻和所述导线。

8.根据权利要求7所述的基于PCB的电流检测装置，其特征在于，至少三个所述导线分别用于通以三相电流。

9.根据权利要求1或2所述的基于PCB的电流检测装置，其特征在于，还包括金属罩，设置于所述PCB板的第二表面，并且各个磁电阻和/或所述信号处理模块位于所述金属罩内。