一种电能表、电路板布线结构及布线方法与流程

1.本技术涉及电路板设计技术领域，尤其涉及一种电能表、电路板布线结构及布线方法。


背景技术：

2.静止式有功电能表(static watt
‑
hour meter)是指由电流和电压作用于固态(电子)器件而产生与被测有功电能量成比例的输出量的仪表，应用于电力、电测与计量领域，以下简称电能表。
3.在应用电能表时，电能表计量的准确性会受到环境中磁场的影响，例如当应用环境中存在方向变化的磁场时，会使得电能表内电路板的走线形成感应电动势，进而导致出现电能的额外变化，使得电能表的计量不准确。
4.因此如何使降低磁场对电能表计量的准确性的影响，成为目前亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术存在的上述问题，本技术提供了一种电能表、电路板布线结构和布线方法，降低了电能表受到的变化的磁场的影响，提升了电能表计量电能时的准确性。
6.第一方面，本技术提供了一种电能表，电能表用于计量负载设备消耗的电能，电能表包括设置在电路板上的接口、采样电路、传输线和芯片封装。接口用于连接负载设备，接口包括正接口和负接口。正接口和负接口通过传输线依次连接所采样电路和芯片封装。芯片封装用于进行电能计量。传输线在电路板上进行至少一次交叉布线。
7.利用本技术提供的电能表，当存在磁感应强度变化的磁场，因为传输线在电路板上进行交叉布线，使得每次交叉后，传输线中的感应电动势方向发生改变，进而使得传输线中的感应电动势部分抵消或者全部抵消，进而降低了变化的磁场对传输线的影响，也即降低了电能表受到的变化的磁场的影响，提升了电能表计量电能时的准确性。
8.在一种可能的实现方式中，传输线经过至少一次交叉布线后，传输线在电路板上的投影形成至少一个第一区域和至少一个第二区域，在同一个方向变化的磁场中，形成至少一个第一区域的传输线的感应电动势的方向，与形成至少一个第二区域的传输线的感应电动势的方向相反。至少一个第一区域的面积与至少一个第二区域的面积相同。
9.实际应用中，至少一个第一区域的面积与至少一个第二区域的面积可能存在微小差异，仅需使得至少一个第一区域的面积与至少一个第二区域的面积尽量相等即可。在一种可能的实现方式中，可以基于gb/t 17215.321
‑
2021《电测量设备(交流)特殊要求第21部分：静止式有功电能表(a级、b级、c级、d级和e级)》中关于0.5mt磁场无负载实验试验要求进行相应的测试，当电能表能够满足实验要求时，即可认为此时磁场对电能表的影响可以忽略。
10.在一种可能的实现方式中，传输线在电路板上进行三次交叉，以形成两个第一区域和两个第二区域，两个第一区域的面积之和等于两个第二区域的面积之和。
11.此时能够使传输线的两个不同方向的电动势的数值大小相同，进而使的传输线产生的感应电动势完全抵消，使得磁场对电能表计量的准确性的影响降到最低。在一种可能的实现方式中，传输线在电路板上进行两次交叉布线，以形成两个第一区域和一个第二区域，两个第一区域的面积之和等于一个第二区域的面积。
12.在一种可能的实现方式中，电能表还包括滤波电路。滤波电路设置在采样电路和芯片封装之间。滤波电路用于滤除传输线中的高频干扰信号。
13.在一种可能的实现方式中，滤波电路与芯片封装之间的传输线的长度，小于滤波电路与采样电路之间的传输线的长度。
14.在一种可能的实现方式中，芯片封装和滤波电路设置在电路板的第一表面，采样电路设置在电路板的第二表面。
15.在一种可能的实现方式中，芯片封装、滤波电路和采样电路均设置在电路板的同一表面。
16.在一种可能的实现方式中，采样电路与正接口之间的传输线的长度，等于采样电路与负接口之间的传输线的长度。
17.第二方面，本技术还提供了一种电路板布线结构，电路板布线结构包括至少一组传输线，至少一组传输线中的每组传输线包括：第一传输线和第二传输线。第一传输线中的电流方向和第二传输线中的电流方向相反。第一传输线和第二传输线在电路板上进行至少一次交叉布线。
18.利用本技术提供的电路板布线结构，当电路板布线结构应用的环境中存在磁感应强度变化的磁场，因为传输线在电路板上进行交叉布线，使得每次交叉后，传输线中的感应电动势方向发生改变，进而使得传输线中的感应电动势部分抵消或者全部抵消，进而降低了变化的磁场对传输线的影响。
19.在一种可能的实现方式中，第一传输线和第二传输线进行至少一次交叉布线，在电路板上的投影形成至少一个第一区域和至少一个第二区域，在同一个变化的磁场中，形成至少一个第一区域的传输线的感应电动势的方向，与形成至少一个第二区域的传输线的感应电动势的方向相反。至少一个第一区域的面积与至少一个第二区域的面积相同。
20.此时能够使传输线的两个不同方向的电动势的数值大小相同，进而使的传输线产生的感应电动势完全抵消。
21.第三方面，本技术还提供了一种应用该电路板布线结构的电子设备，该电子设备可以为手机、笔记本电脑、可穿戴电子设备(例如智能手表)、平板电脑、增强现实(augmented reality，ar)设备、虚拟现实(virtual reality，vr)设备、测量仪表设备以及车载设备等，本技术不作具体限定。
22.第四方面，本技术还提供了一种电路板布线方法，电路板上布设至少一组传输线，至少一组传输线中的每组传输线包括：第一传输线和第二传输线，且第一传输线中的电流方向和第二传输线中的电流方向相反，方法包括：
23.在电路板上布设第一传输线和第二传输线时，进行至少一次交叉布线。
24.利用本技术提供的电路板布线方法，当电路板布线结构应用的环境中存在磁感应强度变化的磁场，因为传输线在电路板上进行交叉布线，使得每次交叉后，传输线中的感应电动势方向发生改变，进而使得传输线中的感应电动势部分抵消或者全部抵消，进而降低
了变化的磁场对传输线的影响。
25.在一种可能的实现方式中，在电路板上布设第一传输线和第二传输线时，进行至少一次交叉布线，具体包括：
26.在电路板上布设第一传输线和第二传输线时，使第一传输线和第二传输线进行至少一次交叉布线后，在电路板上的投影形成至少一个第一区域和至少一个第二区域，在同一个变化的磁场中，形成至少一个第一区域的传输线的感应电动势的方向，与形成至少一个第二区域的传输线的感应电动势的方向相反；
27.并使至少一个第一区域的面积与至少一个第二区域的面积相同。
附图说明
28.图1为一种电能表的电路原理示意图；
29.图2为本技术提供的产生感应电动势的原理示意图；
30.图3为本技术实施例提供的一种电能表的示意图；
31.图4为本技术实施例提供的图3中b区域的斜视图；
32.图5为本技术实施例提供的另一种电能表的示意图；
33.图6为本技术实施例提供的一种电路板布线结构的示意图；
34.图7为本技术实施例提供的一种电路板布线方法的流程图。
具体实施方式
35.为了使本技术领域的人员更清楚地理解本技术方案，下面首先说明本技术技术方案的应用场景。
36.参见图1，该图为一种电能表的电路原理示意图。
37.图示的电能表包括接口10、采样电路20、滤波电路30和mcu40。
38.其中，接口10包括正接口(图中用i 表示)和负接口(图中用i
‑
表示)，接口用于连接外部设备，外部设备也即利用电能表进行计量电能的设备，此时正接口和负接口相当于两个采样点。
39.采样电路20中包括多个电阻，图示的采样电路20包括电阻r1、电阻r2和电阻r3。其中，电阻r1形成第一路支路，电阻r2、电阻r3和后级电路串联后形成第二路支路。两路支路并联，实现分流，进而降低第二路支路的电流，以使第二路支路的电流满足后级电路器件的参数要求。
40.也即采样电路20可以向后级电路输出大小合适的采样电流。
41.以上仅为采样电路20的一种实现方式，采样电路20还可以采用其它的实现方式，本技术在此不再一一说明。
42.滤波电路30用于对采样电路20输出的采样电流进行滤波，以滤除高频干扰信号，滤波电路30中包括滤波电容。
43.微控制单元(microcontroller unit，mcu)用于利用采样电流和采样电路20中各电阻的电阻值进行电能计量。其中，采样电路20中各电阻的电阻值为已知参数，预先确定并保存在mcu中。
44.电能表的以上各部分电路均设置在印制电路板(printed circuit boards，pcb)
上，当应用电能表计量电能时，如果应用环境中存在方向变化的磁场时，会使得电能表内pcb的走线形成感应电动势，进而导致出现电能的额外变化，使得电能表的计量不准确，下面具体说明原理。
45.参见图2，该图为本技术提供的产生感应电动势的原理示意图。
46.带电导线形成闭合回路，相当于电能表的pcb上的电流采样线形成的闭合回路。此时的电流方向为图中的实线箭头所示的顺时针方向。图示磁场方向为垂直指向闭合回路所在平面内部，且磁场变化方向为向内增加。根据楞次定律(lenz's law)：变化的磁场中产生感应电流的方向应该满足，使感应电流的磁场总要阻碍磁场的变化。由于现在磁场的变化方向为向内增加，因此感应电流的磁场方向为垂直指向闭合回路所在平面外部。根据右手安培定则，用右手握住导线，四指指向电流方向，则拇指所指的方向为磁场方向的n极，也即可以判断出此时的感应电流方向为图中虚线箭头所示的逆时针方向。
47.感应电流方向与闭合回路中的电流方向相反，也即产生了减少原电动势的感应电动势，使得进而导致出现电能的额外变化，使得电能表的计量不准确。
48.为了解决以上问题，本技术实施例提供了一种电能表、电路板布线结构和电路板布线方法。其中，该电能表用于计量负载设备消耗的电能，电能表包括设置在电路板上的接口、采样电路、传输线和芯片封装。接口用于连接负载设备，接口包括正接口和负接口。正接口和负接口通过传输线依次连接所采样电路和芯片封装。芯片封装用于进行电能计量。传输线在电路板上进行至少一次交叉布线。利用本技术实施例提供的电能表，降低了电能表受到磁场的影响，提升了电能表计量电能时的准确性。
49.为了使本技术领域的人员更清楚地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行描述。
50.本技术说明中的“第一”、“第二”等用词仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量
51.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。
52.本技术实施例提供了一种电能表，下面结合附图具体说明。
53.参见图3，该图为本技术实施例提供的一种电能表的示意图。
54.电能表用于计量负载设备消耗的电能，图示电能表包括设置在电路板上的接口10、采样电路20、传输线和芯片封装40。
55.其中，接口10用于连接负载设备，接口10包括正接口(图中用i 表示)和负接口(图中用i
‑
表示)，当接口10连接负载设备时，电流从正接口流入，从负接口流出。
56.正接口和负接口通过传输线依次连接采样电路20和芯片封装40。
57.芯片封装40，也即对应图1中的mcu，用于进行电能计量。
58.传输线在电路板上进行至少一次交叉布线，当传输线进行交叉布线时，可利用电路板的正反面布线解决。
59.参见图4，该图为本技术实施例提供的图3中b区域的斜视图。
60.本技术实施例中以a 表示电路板的上表面，以a
‑
表示电路板的下表面。
61.接口连接的传输线先布设在电路板的下表面，当进行第一次交叉布线时，传输线
从电路板的下表面走线至电路板的上表面并完成一次交叉。
62.每进行一次交叉，则两根传输线的左右位置互换一次，并且切换一次所在电路板的表面。
63.本技术实施例对传输线交叉的次数不作具体限定。
64.下面说明本技术技术方案降低电能表受到变化的磁场的影响的具体原理。
65.继续参见图3，图示的电流从正接口流入，从负接口流出。假设磁场变化方向为向内电路板平面内增加。根据楞次定律(lenz's law)：变化的磁场中产生感应电流的方向应该满足，使感应电流的磁场总要阻碍磁场的变化。因此感应电流的磁场方向为垂直指向闭合回路所在平面外部。
66.此时根据右手安培定则，可以判断出此时图中a
‑
所指的(对应电路板的下表面)虚线框的感应电流为逆时针方向，也即感应电动势的方向为逆时针方向。
67.而根据右手安培定则，可以判断出此时图中a 所指的(对应电路板的上表面)实线框的感应电流同样为逆时针方向，也即感应电动势的方向为逆时针方向。
68.但是这会使得同一根传输线，在电路板的不同表面，也即在交叉位置前后，出现了不同方向的感应电动势，使得感应电动势部分或者全部抵消，也即降低了两根传输线整体产生的感应电动势，降低了磁场对传输线产生的影响。
69.综上所述，利用本技术实施例提供的电能表，使传输线在电路板上进行交叉布线，使得每次交叉后，传输线中的感应电动势方向发生改变，进而使得传输线中的感应电动势部分抵消或者全部抵消，进而降低了变化的磁场对传输线的影响，也即降低了电能表受到的变化的磁场的影响，提升了电能表计量电能时的准确性。
70.下面结合具体的实现方式进行说明。
71.继续参见图3，为了使电能表受到变化的磁场的影响最小，本技术实施例在对传输线进行布线时，使传输线在电路板上的投影形成至少一个第一区域和至少一个第二区域。其中，在同一个变化的磁场中，形成至少一个第一区域的传输线的感应电动势的方向，与形成至少一个第二区域的传输线的感应电动势的方向相反。并且使各第一区域的面积之和与各第二区域的面积之和相同，下面具体说明原理。
72.磁感应强度是描述磁场强弱和方向的物理量，常用符号b表示，国际通用单位为特斯拉(符号为t)。磁感应强度也被称为磁通量密度或磁通密度。
73.磁感应强度b可以通过下式确定：
[0074][0075]
其中，为磁通量，s为与磁场方向垂直的磁场通过的传输线回路围成的平面面积。
[0076]
而感应电动势e可以通过以下公式确定：
[0077][0078]
其中，为磁通量的变化量，δt为变化时间，n为传输线的匝数。
[0079]
结合式(2)，对于电能表的电路板而言，传输线的匝数n固定，因此感应电动势e与相关。再结合式(1)，当b一定的情况下，与s成正比。
[0080]
综上可以得出，当b的数值一定时，感应电动势e与s成正比。也即通过使各第一区域的面积之和与各第二区域的面积之和相同，在各第一区域和和第二区域处于同一个磁场中时，能够使的两个不同方向的电动势的数值大小相同，进而使的传输线产生的感应电动势完全抵消，使得磁场对电能表计量的准确性的影响降到最低。
[0081]
可以理解的是，实际应用中，由于制作工艺的误差限制，以上的至少一个第一区域的面积与至少一个第二区域的面积可能存在微小差异，因此实际上仅需使得至少一个第一区域的面积与至少一个第二区域的面积尽量相等即可。也即至少一个第一区域的面积与至少一个第二区域的面积小于预设的差值时，即可认为能够使传输线的感应电动势实现抵消，预设差值可以根据实际的误差要求进行限定。在一种可能的实现方式中，可以基于gb/t 17215.321
‑
2021《电测量设备(交流)特殊要求第21部分：静止式有功电能表(a级、b级、c级、d级和e级)》中关于0.5mt磁场无负载实验试验要求进行相应的测试，当电能表能够满足实验要求时，即可认为此时磁场对电能表的影响可以忽略。可以以满足该实验时对应的误差为以上所述的预设差值。
[0082]
图1所示的传输线进行了三次交叉，形成两个第一区域(可以对应图中a 所指的区域)和两个第二区域(可以对应图中a
‑
所指的区域)，两个第一区域的面积之和等于两个第二区域的面积之和。
[0083]
可以理解的是，当传输线进行多次交叉时，往往会形成多个第一区域和多个第二区域，本技术对每个第一区域和第二区域的面积不作具体限定，仅要求所有第一区域的面积之和等于所有第二区域的面积之和。
[0084]
在设计电路板上的走线方式时，需要计算第一区域和第二区域的面积，规则图形的面积可以按照相应的面积公式计算，不规则图形可以分成多个规则图形进而分别计算后累加。所有第一区域的面积之和与所有第二区域的面积之和越接近，磁场对于传输线的影响越小。
[0085]
电能表还包括滤波电路30，滤波电路30设置在采样电路和芯片封装之间。滤波电路30用于滤除传输线中的高频干扰信号。
[0086]
在一种可能的实现方式中，滤波电路30与芯片封装40之间的传输线的长度，小于滤波电路30与采样电路之间的传输线的长度，也即滤波电路30的位置靠近芯片封装40的管脚，进而提升滤波电路30的滤波效果。
[0087]
图3所示的实现方式中，芯片封装40、滤波电路30和采样电路20均设置在所述电路板的同一表面。在另一些实现方式中，芯片封装40、滤波电路30和采样电路20可以设置在电路板的不同表面，下面结合附图具体说。
[0088]
参见图5，该图为本技术实施例提供的另一种电能表的示意图。
[0089]
图示的传输线在电路板上进行两次交叉布线，以形成两个第一区域(可以对应图中a 所指的区域)和一个第二区域(可以对应图中a
‑
所指的区域)，两个第一区域的面积之和等于一个第二区域的面积，进而能够使的两个不同方向的电动势的数值大小相同，进而使的传输线产生的感应电动势完全抵消，使得磁场对电能表计量的准确性的影响降到最低。
[0090]
其中，芯片封装40和滤波电路30设置在电路板的第一表面，采样电路20设置在电路板的第二表面。
[0091]
进一步的，在一种可能的实现方式中，采样电路与正接口之间的传输线的长度，等于采样电路与所述负接口之间的传输线的长度，以便于进行交叉布线的设计。例如图3中，便于使接口和采样电路之间的传输线通过一次交叉抵消产生的感应电动势。
[0092]
综上所述，采用本技术实施例提供的方案，降低了电能表受到的变化的磁场的影响，提升了电能表计量电能时的准确性，进而可以满足gb/t 17215.321
‑
2021《电测量设备(交流)特殊要求第21部分：静止式有功电能表(a级、b级、c级、d级和e级)》中关于0.5mt磁场无负载实验试验要求。
[0093]
进一步的，在进行电路布线设计时，为了验证此时传输线的感应电动势被抵消，由于直接测量电动势较为困难，可以通过是否有电能累加来体现，有了感应电动势会造成电能的累加，而电能会储存在芯片封装的寄存器里面，可以通过485通讯来读取相应寄存器的值来看电能的大小。当电能不进行累加，即符合要求。
[0094]
本技术实施例还提供了一种电路板布线结构，下面结合附图具体说明。
[0095]
参见图6，该图为本技术实施例提供的一种电路板布线结构的示意图。
[0096]
该电路板布线结构包括至少一组传输线。至少一组传输线中的每组传输线包括：第一传输线和第二传输线。
[0097]
第一传输线中的电流方向和第二传输线中的电流方向相反。在一种典型的应用场景中，电流从第一传输线中流入，从第二传输线中流出。
[0098]
第一传输线和第二传输线在所述电路板上进行至少一次交叉布线。
[0099]
假设磁场变化方向为向内电路板平面内增加。根据楞次定律：变化的磁场中产生感应电流的方向应该满足，使感应电流的磁场总要阻碍磁场的变化。因此感应电流的磁场方向为垂直指向闭合回路所在平面外部。
[0100]
此时根据右手安培定则，可以判断出此时图中a
‑
所指的表面的感应电流为逆时针方向，也即感应电动势的方向为逆时针方向。
[0101]
而根据右手安培定则，可以判断出此时图中a 所指的表面的感应电流同样为逆时针方向，也即感应电动势的方向为逆时针方向。
[0102]
但是这会使得同一根传输线，在电路板的不同表面，也即在交叉位置前后，出现了不同方向的感应电动势，使得感应电动势部分或者全部抵消，也即降低了两根传输线整体产生的感应电动势，降低了磁场对传输线产生的影响。
[0103]
在一种较优的实现方式中，第一传输线和第二传输线进行至少一次交叉布线，在电路板上的投影形成至少一个第一区域和至少一个第二区域，在同一个变化的磁场中，形成至少一个第一区域的传输线的感应电动势的方向，与形成至少一个第二区域的传输线的感应电动势的方向相反，并且至少一个第一区域的面积与至少一个第二区域的面积相同。进而使得对于第一传输线和第二传输线中的任一传输线，两个不同方向的电动势的数值大小相同，也即产生的感应电动势完全抵消，使得磁场对传输线的影响降到最低。
[0104]
综上所述，利用本技术实施例提供的电路板布线结构，当电路板布线结构应用的环境中存在磁感应强度变化的磁场，因为传输线在电路板上进行交叉布线，使得每次交叉后，传输线中的感应电动势方向发生改变，进而使得传输线中的感应电动势部分抵消或者全部抵消，进而降低了变化的磁场对传输线的影响。
[0105]
本技术还实施例提供了一种应用该电路板布线结构的电子设备，该电子设备可以
为手机、笔记本电脑、可穿戴电子设备(例如智能手表)、平板电脑、ar设备、vr设备、测量仪表设备以及车载设备等，本技术实施例不作具体限定。
[0106]
基于以上实施例提供的电路板布线结构，本技术实施例还提供了一种电路板布线方法，下面结合附图具体说明。
[0107]
参见图7，该图为本技术实施例提供的一种电路板布线方法的流程图。
[0108]
s701：在电路板上布设第一传输线和第二传输线时，进行至少一次交叉布线。
[0109]
通过交叉布线，使得同一根传输线，在电路板的不同表面，也即在交叉位置前后，出现了不同方向的感应电动势，进而使得感应电动势部分或者全部抵消，也即降低了两根传输线整体产生的感应电动势，降低了磁场对传输线产生的影响。
[0110]
s702：使交叉布线后形成的至少一个第一区域的面积与至少一个第二区域的面积相同。
[0111]
其中，在同一个变化的磁场中，形成至少一个第一区域的传输线的感应电动势的方向，与形成至少一个第二区域的传输线的感应电动势的方向相反。
[0112]
至少一个第一区域的面积与至少一个第二区域的面积相同，能够进而使得对于第一传输线和第二传输线中的任一传输线，两个不同方向的电动势的数值大小相同，也即产生的感应电动势完全抵消，使得磁场对传输线的影响降到最低。
[0113]
可以理解的是，以上步骤的划分仅是为了方便说明，并不构成对于本技术技术方案的限定。实际应用中，也可以仅实现以上中的s701。
[0114]
利用本技术提供的电路板布线方法，当电路板布线结构应用的环境中存在磁感应强度变化的磁场，因为传输线在电路板上进行交叉布线，使得每次交叉后，传输线中的感应电动势方向发生改变，进而使得传输线中的感应电动势部分抵消或者全部抵消，进而降低了变化的磁场对传输线的影响。
[0115]
应当理解，在本技术中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“a和/或b”可以表示：只存在a，只存在b以及同时存在a和b三种情况，其中a，b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
[0116]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元及模块可以是或者也可以不是物理上分开的。另外，还可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元和模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0117]
以上所述仅是本技术的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本技术的保护范围。