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Die
Erfindung betrifft eine Strommessanordnung, umfassend eine in einer
ersten Ebene angeordnete Lastleitungsbahn und eine in einer zweiten, zur
ersten Ebene parallelen Ebene angeordnete Senscranordnung mit einer
Messschaltung, wobei zur Isolierung zwischen den beiden Ebenen ein
Isolierwerkstoff angeordnet ist.
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Solche
Anordnungen sind weitgehend bekannt. Magnetwiderstandssensoren,
insbesondere GMR-Sensoren (giant magneto resistance), werden als
eine Alternative zu Hallsensoren immer bekannter. Solche Magnetwiderstandssensoren
erlauben einen einfacheren Systemaufbau, eine größere Störsicherheit und ein geringes
Rauschen. Insbesondere ist es bekannt, eine Sensoranordnung mit
einer analogen Messschaltung und gegebenenfalls auch digitalen Elementen
(FPGA, DSP) auf der Rückseite
einer nicht leitenden Platte aus Isolierwerkstoff anzubringen, wobei
der Lastkreis, insbesondere in einer U-Form, auf der Vorderseite
an der rückseitig
angeordneten Sensoranordnung vorbeigeführt wird. Die Sensoranordnung
kann im Rahmen eines sogenannten „back end”-Prozesses im Rahmen eines CMOS-Prozesses,
der die analoge Messchaltung und gegebenenfalls digitale Anteile
realisiert, aufgebracht werden und benötigt somit keine zusätzliche Fläche.
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Es
ergibt sich dabei somit ein Aufbau, bei dem die Lastleitungsbahn
in einer ersten Ebene liegt, die Sensoranordnung aber in einer zweiten,
zur ersten Ebene parallelen Ebene. Beide sind auf dem sie trennenden
Isolierwerkstoff angeordnet.
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Im
Rahmen der Optimierung des Messprozesses verkomplizieren sich die
Sensoranordnungen zunehmend. So werden für viele Anwendungen in der
Stromsensorik jeweils vier magnetoresistive Elemente zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet,
um genauere, von Temperaturschwankungen, Fremdfeldern und dergleichen
unabhängige
Messungen zu erreichen. Um eine Temperaturdrift des Offsets zu vermeiden,
wird neben einem temperaturkompensierten GMR-Stapel auch eine Verbindung
zwischen den magnetoresistiven Stapeln (häufig „metal interconect” genannt)
mit geringem ohmschen Widerstand bzw. hoher Paargenauigkeit entsprechender Widerstände benötigt.
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Um
diese Vorteile erreichen zu können,
können
die Leiterbahnen der Sensoranordnung nicht beliebig schmal ausgeführt werden.
Es entstehen dabei, insbesondere durch die Leiterbahnen, die Kontaktstellen
der Brückenabgriffe
und die Versorgungszuführungen,
Flächen,
die bei dem geschilderten Aufbau in zwei Ebenen in räumlicher
Nähe zur
Lastleitungsbahn angeordnet sein müssen. Dadurch entsteht jedoch
eine relativ hohe kapazitive Kopplung zwischen der Lastleitungsbahn
(Primärkreis)
und der Sensoranordnung (Sekundärkreis).
Bei schnell veränderlichen
Spannungen zwischen Primärkreis
und Sekundärkreis,
beispielsweise bei einer Spannungsänderungsrate (auch Flankensteilheit
oder slew rate) von 1 kV/μs
oder mehr, kommt es zu Messungenauigkeiten bei der Strommessung.
Dann werden als Ausgangssignal beispielsweise eines Filters Spannungen
erhalten, beispielsweise im Bereich von 900 mV, die deutlich höher sind
als das Nutzsignal der Sensoranordnung, das etwa bei 20 mV für AMR-Sensoren
(basierend auf dem anisotropen magnetoresistiven Effekt) bzw. bei
100 mV bei GMR-Sensoren liegt. Ab einer bestimmten Rate der Spannungsveränderung
(slew rate) ist demnach keine Messung mit der Strommessanordnung
mehr möglich,
darunter kommt es zu deutlichen Messfehlern. Werden gar auch die
digitalen Komponenten des Sensors gemeinsam mit der analogen Messschaltung
auf dem Isolierwerkstoff, also dem Schaltungsträger, aufgebracht (häufig als
hybrides System oder SoC, system an carrier, bezeichnet) so entstehen
zusätzliche
Flächen,
die die kapazitive Kopplung noch erhöhen, so dass sich die Verhältnisse
zwischen Signal und Störung
weiter verschlechtern.
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Zur
Lösung
dieser Problematik ist es bekannt, möglichst kleine und gleiche
Flächen
im Layout zu verwenden, so dass die eingekoppelten Zusatzspannungen
durch kapazitive Kopplung minimiert werden. Allerdings ist dabei
nachteilhaft, dass kleine Flächen
hohe Widerstände
der Verbindungsleitungen und damit hohe Temperaturkoeffizienten des
Offsets bedingen, was bei Temperaturschwankungen wieder zu Messfehlern
führt.
Das Konzept, möglichst
gleiche Koppelkapazitäten
durch möglichst gleiche
Flächen
zu erzielen, ist durch Fertigungstoleranzen beschränkt und
löst insbesondere
nicht das Problem des Gleichtaktanteils (common mode) der Störeinkopplung,
der den nachgeschalteten Verstärker
oder A/D-Wandler übersteuern
kann.
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Weiterhin
wurde kürzlich
vorgeschlagen, bei AMR-Stromsensoren eine Elektrokeramik als Schaltungsträger, also
als Isolierwerkstoff, zu verwenden, die durch eine niedrige relative
Permittivität
(Dielektrizitätskonstante)
die kapazitive Kopplung reduziert. Aus Versuchen hat sich ergeben,
dass darüber
hinaus dennoch teilweise erhebliche Fehlmessungen auftreten, wenn
große
slew rates erreicht werden. Gerade solche erhöhten Flankensteilheiten sind
jedoch durch die in den letzten Jahren entwickelten leistungselektronischen
Schalter zu erwarten, die Ein- und Ausschaltvorgänge in immer kürzeren Zeiten
realisieren (beispielsweise seien der „fast recovery insulated gate
bipolar transistor” oder
auch schnelle „superjunction-Feldeffekttransistoren” genannt).
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Strommessanordnung
anzugeben, die auch bei höherer
Flankensteilheit (slew rate) noch verlässliche Messungen erlaubt.
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Zur
Lösung
dieses Problems ist bei einer Strommessanordnung der eingangs genannten
Art erfindungsgemäß vorgesehen,
dass in einer dritten, zwischen der ersten und der zweiten Ebene
liegenden Ebene wenigstens ein elektrisch von der Lastleitungsbahn
isoliertes, auf einem bezüglich
der Sensoranordnung im Wesentlichen konstanten Potential liegendes
leitendes dia- oder
paramagnetisches flächiges
Abschirmelement vorgesehen ist, dessen Fläche wenigstens teilweise die
Messschaltung der Sensoranordnung überdeckt.
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Durch
die erfindungsgemäß vorgesehene zusätzliche
para- oder diamagnetische Schicht, die das Abschirmelement bildet,
kann die kapazitive Kopplung zwischen dem Primärkreis, also der Lastleitungsbahn,
und dem Sekundärkreis,
also der Sensoranordnung, deutlich abgesenkt werden, wenn das elektrische
Potential, auf dem das Abschirmelement liegt, gegenüber der
Versorgung des Signalkreises zeitlich konstant ist. Dabei ist es
insbesondere vorteilhaft, wenn die analoge Messschaltung durch das
Abschirmelement im Wesentlichen vollständig überdeckt ist. Wird ein hybrides
System verwendet, umfasst also die Sensoranordnung auch einen digitalen Anteil,
beispielsweise einen A/D-Wandler, Verstärker und Filter, so kann vorgesehen
sein, dass auch der digitale Anteil zumindest teilweise von dem
Abschirmelement überdeckt
ist. Vorzugsweise sollte der gesamte Überlapp zwischen Sensoranordnung
und Lastleitungsbahn durch das Abschirmelement überdeckt sein. Bei richtiger
Auslegung des Abschirmelements, siehe dazu im Weiteren, kann ein
Durchtreten der elektrischen Feldanteile, die von dem durch die Lastleitungsbahn
strömenden
Strom erzeugt werden, weitgehend verhindert werden, während das – durch die
Messschaltung zu messende – Magnetfeld
praktisch ungehindert durchtritt. Somit ist eine von der kapazitiven
Kopplung auch für
höhere
slew rates fast ungestörte
Strommessung möglich.
In Versuchen zur vorliegenden Erfindung wurden durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene
kapazitive Schirmmaßnahme
in Gestalt des Abschirmelements Reduzierungen der Störeinkopplungen
um ca. den Faktor 10.000 festgestellt. Vorteilhafterweise wird also
die Empfindlichkeit der Sensoranordnung gegen Spannungspulse seitens
der Lastleitungsbahn sehr deutlich reduziert.
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Bei
der optimalen Ausgestaltung des Abschirmelements, also hinsichtlich
der Abmessungen und der Materialwahl, ist zu beachten, dass möglichst bis
hin zu einer gewünschten
Grenzfre quenz (die eine Änderungsrate
wiedergibt) die elektrischen Felder, die durch den Laststrom erzeugt
werden, möglichst
abgeschirmt werden sollen, während
das Magnetfeld nicht zu stark abgedämpft werden darf. Mit anderen
Worten muss für
eine betrags- und phasenrichtige Messung des Stromes bis zur beabsichtigten Grenzfrequenz
die Ausgestaltung des Abschirmelements so gewählt werden, dass die Transmission
des Magnetfeldanteils der durch den Laststrom erzeugten elektromagnetischen
Welle groß genug
bleibt.
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Dazu
kann erfindungsgemäß vorgesehen sein,
dass die Dicke des Abschirmelements abhängig von dem Material des Abschirmelements,
einer Grenzfrequenz, bis zu der die Strommessanordnung nutzbar sein
soll, und einer maximalen Dämpfung
für Magnetfeldanteile
eines von einem durch die Lastleitungsbahn fließenden Strom erzeugten Feldes
bestimmt ist. Über
grundsätzlich
bekannte physikalische Zusammenhänge
lässt sich
ein Zusammenhang zwischen der Dicke des Abschirmelements und der
dadurch bewirkten Dämpfung
der Magnetfeldanteile ermitteln. So kann vorgesehen sein, dass die
Dicke des Abschirmelements nach der Formel
bestimmt ist, wobei d die
Dicke des Abschirmelementes ist, D die Dämpfung, f
g die
Grenzfrequenz, μ
0 die magnetische Konstante, μ die relative
Permeabilität des
Abschirmelements und σ den
spezifischen elektrischen Leitwert der Schicht bezeichnet. Für ein Abschirmelement
aus Kupfer ergibt sich beispielsweise eine ideale Dicke von etwa
35 μm, um
bei einer Grenzfrequenz von 100 kHz die Dämpfung auf ca. 1,5 dB zu begrenzen.
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Allgemein
kann das Abschirmelement aus einem Metall, vorzugsweise aus Kupfer,
bestehen. Jedoch sind auch andere Metalle denkbar, beispielsweise
können
Gold, Aluminium oder Silber verwendet werden. Kupfer bietet den
Vorteil, relativ günstig und
leicht zu verarbeiten zu sein, während
keine zu großen
Dicken benötigt
werden, wie beispielsweise bei Aluminium.
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Alternativ
zur Verwendung eines metallischen Abschirmelements kann auch vorgesehen sein,
dass das Abschirmelement aus einer leitenden Keramik besteht. Auch
leitende Kunststoffe, beispielsweise PDOT, oder Leitkohlenstoffe
sind denkbar.
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Wie
bereits dargelegt, ist das Abschirmelement an ein im Vergleich zum
Versorgungspotential der Sensoranordnung konstantes Potential angeschlossen.
Dazu kann vorgesehen sein, dass das Abschirmelement an das Versorgungspotential
der Sensoranordnung selber oder an Masse angeschlossen ist. Dabei
ist ein Anschluss an Masse vorzuziehen. Um eine möglichst
effektive Schirmung der kapazitiven Kopplung zwischen der Lastleitungsbahn und
der Sensoranordnung zu erreichen, sollten dabei die Stützkondensatoren
entsprechend groß und
die Versorgungsleitungen entsprechend niederohmig dimensioniert
werden.
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Um
zu verhindern, dass der eigentliche Signalbezugspunkt durch die
Verschiebungsströme,
die durch lastseitige Potentialsprünge verursacht werden, belastet
wird, kann zudem vorgesehen sein, dass der Potentialanschluss des
Abschirmelements über
eine Spannungsfolgerschaltung oder eine „ground force”-Schaltung erfolgt.
Diese vorteilhafte Ausgestaltung bei bipolarer Versorgung vermeidet
indirekte Einflüsse
der Spannungspulse durch Potentialschwankungen. Insbesondere kann
vorgesehen sein, dass die Dynamik der Spannungsfolgerschaltung deutlich
höher,
insbesondere um einen Faktor 10–100,
als die bereits erwähnte
Grenzfrequenz ist, bis zu der die Strommessanordnung verlässliche Messwerte
liefern soll.
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Mit
besonderem Vorteil kann vorgesehen sein, dass das Abschirmelement
wenigstens eine Aussparung aufweist. Durch eine solche „Teilperforation” des Abschirmelements
wird eine effektiv kleinere Dicke erreicht, insbesondere treten
jedoch weniger Wirbelströme
auf, die wiederum die Ursache für Messungenauigkeiten
bieten könnten.
Zudem wird durch die verrin gerte Fläche weniger zusätzliche
Kapazität
in die Gesamtanordnung eingeführt.
Die Größe der Aussparungen
ist dabei so zu wählen,
dass die Verschiebungsdichte des elektrischen Feldes auf Höhe der zweiten
Ebene dennoch gegen 0 geht. Dazu kann insbesondere vorgesehen sein,
dass eine maximale Ausmessung der Aussparung kleiner ist als der
kürzeste
Abstand zwischen dem Abschirmelement und der Sensoranordnung. Allerdings
kann die Größe der wenigstens
einen Aussparung auch deutlich kleiner als dieser kürzeste Abstand
sein.
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Alternativ
oder zusätzlich
zu der wenigsten einen Aussparung im Abschirmelement kann vorgesehen
sein, dass mehrere beabstandete, insbesondere streifenförmige Abschirmelemente
vorgesehen sind. Dadurch erhöht
sich allerdings der zusätzliche Bedarf
an niederohmigen Leitungsbahnen zur Anbindung der einzelnen Abschirmelemente
an das entsprechende Potential. Wirbelströme werden jedoch weiter reduziert.
Analog zum Fall der Aussparungen kann auch in diesem Fall vorgesehen
sein, dass ein maximaler Abstand zwischen den Abschirmelementen
kleiner ist als der kürzeste
Abstand zwischen einem Abschirmelement und der Sensoranordnung.
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Als
Isolierwerkstoff kann ein Leiterplattenwerkstoff und/oder eine Keramik
gewählt
werden. Die Keramik bietet wegen ihrer besseren Temperatureigenschaften
und ihrer niedrigen Dielektrizitätskonstante
Vorteile.
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Zur
Einbindung des Abschirmelements in die Strommessanordnung kann ferner
vorgesehen sein, dass das Abschirmelement in einer Mehrlagenleiterplatte
eingebettet ist. Verfahren zur Herstellung von Mehrlagenleiterplatten
sind weithin bekannt, so dass auf diese Weise eine günstige Möglichkeit
geschaffen wird, die erfindungsgemäße Strommessanordnung herzustellen.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich
aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand
der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine
Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Strommessanordnung,
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2 einen
Schnitt entlang der Linie II-II in 1,
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3 eine
alternative Ausgestaltung eines Abschirmelements,
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4 eine
weitere alternative Ausgestaltung eines Abschirmelements,
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5 ein
Signal bei einer Strommessanordnung des Standes der Technik, und
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6 ein
Signal unter denselben Bedingungen wie in 5 bei der
erfindungsgemäßen Strommessanordnung.
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1 und 2 zeigen
eine erfindungsgemäße Strommessanordnung 1.
Sie umfasst als Schaltungsträger 2 einen
Isolierwerkstoff 3, wobei der vorliegende Blick in 1 auf
die Rückseite
des Schaltungsträgers 2 erfolgt.
Objekte in tieferen Ebenen sind gestrichelt angedeutet. Die Strommessanordnung 1 dient
dazu, einen Strom durch eine in einer ersten Ebene, nämlich auf
der Vorderseite des Schaltungsträgers 2 angeordnete
Lastleitungsbahn 4 zu messen. Diese verläuft vorliegend
U-förmig,
um geeignete Magnetfelder für
eine magnetfeldbasierte Messung mit Hilfe einer GMR-Sensoranordnung 5 zu messen.
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Die
Sensoranordnung 5 ist dabei nahe der Lastleitungsbahn 4 in
einer zweiten, zur ersten Ebene parallelen Ebene auf der Rückseite
des Schaltungsträgers 2 angeordnet.
Der Isolierwerkstoff 3 befindet sich dementsprechend zwischen
der ersten und der zweiten. Ebene und isoliert die Komponenten elektrisch.
Vorliegend wurde als Isolierwerkstoff eine Elektrokeramik verwendet,
es kann jedoch auch beispielsweise der Leiterplattenwerkstoff FR4
verwendet werden.
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Der
genaue Aufbau einer solchen Sensoranordnung, beispielsweise als
Wheatstone-Brücke
mit Verbindungsleitungen, sowie die GMR-Stapelstrukturen sind im
Stand der Technik bekannt und sollen daher hier nicht näher ausgeführt werden.
Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Konzept lässt sich
auf alle magnetfeldbasierten Messungen anwenden, beispielsweise
also auch bei AMR-Sensoren.
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Die
Sensoranordnung 5 umfasst eine analoge Messschaltung 6,
die mehrere Leitungsbahnen 7 und weitere Komponenten 8,
beispielsweise GMR-Sensorelemente, umfasst. Zudem umfasst die Sensoranordnung 5 auch
einen digitalen Anteil 9, beispielsweise einen A/D-Wandler,
Filter und/oder auch FPGAs oder DSPs. Durch die Anteile 7–9 kann es
nun zu einer kapazitiven Kopplung mit der Lastleitungsbahn 4 kommen,
die bei schnell veränderlichen Spannungen,
beispielsweise bei Ein- und
Ausschaltvorgängen
mit einer slew rate im Bereich von einigen Kilovolt pro Sekunde
die Messung stören
könnten.
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Um
diese kapazitiven Einkopplungen weitgehend zu verhindern, ist erfindungsgemäß in einer
dritten, zwischen der ersten und der zweiten Ebene liegenden Ebene,
vorliegend also innerhalb des Schaltungsträgers 2, ein Abschirmelement 10 vorgesehen, das
vorliegend aus Kupfer besteht. Der Schaltungsträger 2 ist dabei als
Mehrlagenplatine gefertigt worden, um das Abschirmelement 10 einzubringen.
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Wie
aus den 1 und 2 ersichtlich
ist, überdeckt
das Abschirmelement 10 in seiner Fläche die gesamte analoge Messschaltung 5.
Auch ein Teil des digitalen Anteils 9 wird überdeckt,
soweit die Lastleitungsbahn 4 hierauf einen Einfluss haben kann.
Der gesamte Überlapp
zwischen der Sensoranordnung 5 und der Lastleitungsbahn 4 ist
somit überdeckt.
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Die
Dicke des Abschirmelements
10 ist dabei so gewählt, dass
unter Berücksichtigung
der Materialeigenschaften des Kupfers, einer Grenzfrequenz 100 kHz,
bis hin zu der eine verlässliche
Messung möglich
sein soll und einer maximalen Dämpfung
der Magnetfeldanteile eines durch den Strom in der Lastleiterbahn
4 erzeugten
elektromagnetischen Feldes von 1,5 dB noch eine betrags- und phasenrichtige Messung
des Stromes erfolgen kann. Diese Dicke ergibt sich mit der allgemeinen
Beziehung
die bereits in der allgemeinen
Beschreibung erläutert wurde,
zu 35 μm.
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In 2 ist
bei 11 zusätzlich
der Potentialanschluss des dia- oder paramagnetischen Abschirmelements 10 an
Masse dargestellt. So ist sichergestellt, dass das Abschirmelement 10 gegenüber der Sensoranordnung 5 auf
einem zeitlich konstanten Potential gehalten wird. Der Potentialanschluss 11 ist dabei
möglichst
niederohmig ausgeführt.
Zusätzlich ist
eine Spannungsfolgerschaltung 12 vorgesehen, um zu verhindern,
dass die im Abschirmelement 10 entstehenden Verschiebungsströme zu einer
Verschiebung des Massebezugspunktes führen können, also um Einflüsse der
in dem Abschirmelement 10 entstehenden Verschiebungsströme auf die
restliche Anordnung zu vermeiden. Die Spannungsfolgerschaltung 12 weist
dabei eine Dynamik auf, die um den Faktor 50 gegenüber der
Grenzfrequenz erhöht ist.
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Alternative
Ausgestaltungen für
Abschirmelemente 10, 10'' sind
in den 3 und 4 dargestellt.
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Das
in 3 gezeigte Abschirmelement 10' weist Aussparungen 13 auf,
die der Minimierung von Wirbelströmen und der allgemeinen Flächenminderung
des Abschirmelementes 10 dienen sollen, um möglichst
wenig zusätzliche
kapazitive Kopplungen in das System einzubringen. Der Durchmesser
der hier kreisförmigen
Aussparungen 13 ist so gewählt, dass er kleiner als der
kleinste Abstand, also hier der horizontale Abstand in 2,
des Abschirmelements 10' von
der Sensoranordnung 5 ist. Auf diese Weise geht die Verschiebungsdichte
des elektrischen Feldes auf Höhe
der Sensoranordnung 5, also in der zweiten Ebene, gegen
0.
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4 zeigt
eine weitere Ausgestaltung, in der nicht nur ein Abschirmelement 10 oder 10' vorgesehen
ist, sondern mehrere streifenförmige
Abschirmelemente 10''. Diese sind
parallel zueinander angeordnet, wobei ihr Abstand wiederum kleiner
ist als der kürzeste
Abstand zwischen den Abschirmelementen 10 und der Sensoranordnung 5.
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Selbstverständlich ist
es grundsätzlich
auch möglich,
die Ausgestaltung nach 3 und 4 zu kombinieren,
so dass beispielsweise die streifenförmigen Abschirmelemente 10'' der 4 auch Aussparungen 13 aufweisen
können.
Dabei ist jedoch grundsätzlich
darauf zu achten, dass die Abschirmwirkung nicht verloren geht.
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5 und 6 zeigen
nun Graphen, die die Wirksamkeit des erfindungsgemäß vorgesehenen
Abschirmelements 10, 10' bzw. 10'' zeigen. 5 zeigt
das Sensorsignal am Ausgang eines Tiefpassfilters einer herkömmlichen
Strommessanordnung des Standes der Technik nach einem Potentialsprung
der Lastleitungsbahn 4 von 2 kV in 0,1 μs. Es entsteht ersichtlich eine
Spannungsspitze von 900 mV, die die üblichen Messspannungen von
bis zu 100 mV deutlich überschreitet.
Wird nun jedoch ein Abschirmelement 10 gemäß den Ausgestaltungen der 1 und 2 verwendet,
ergibt sich das in 6 gezeigte Antwortverhalten
am Ausgang des Tiefpassfilters nach demselben Potentialsprung von 2
kV in 0,1 μs.
Offensichtlich ist eine Verbesserung um bis zu einem Faktor 10.000
möglich,
da das Abschirmelement 10 bzw. die Abschirmelemente 10' und 10'' eine kapazitive Einkopplung, die
durch elektrische Feldanteile erzeugt wird, fast vollständig abschirmen,
während
das eigentliche Messsignal, der magnetische Feldanteil, erhalten
bleibt. Mit anderen Worten ist die Ausgestaltung der Abschirmelemente 10, 10', 10'' so gewählt, dass eine hinreichende Transmission
der magnetischen Feldanteile möglich ist,
während
die elektrischen Feldanteile die Messung bis zu der gewählten Grenzfrequenz
nicht stören.
