罗氏线圈及电流检测电路的制作方法

1.本实用新型涉及一种罗氏线圈和一种具有罗氏线圈的电流检测电路。


背景技术：

2.在电力系统中，rogowski线圈(简称罗氏线圈)作为一种电流传感器元件被广泛地应用于测量各种电流的大小。罗氏线圈具有不含铁心、无磁饱和现象、线性度好、反应灵敏、测量频率宽、绝缘性好等优点。传统的罗氏线圈通过将导线均匀地缠绕在非铁磁性的环形骨架上形成，然而无论是手工缠绕还是机器缠绕都很难保证线圈的各匝的分布是均匀的以及每匝包围的面积是相同的。此外，导线绕制成的线圈在多次使用后可能会发生断线、分散等问题，从而导致测量不准确。
3.针对传统罗氏线圈的上述问题并且为了实现罗氏线圈的小型化和集成化，如今开发出了一种新型的罗氏线圈，即印刷电路板罗氏线圈(简称pcb罗氏线圈)。pcb罗氏线圈由印刷电路板上的印制线形成。通过交替地在不同层上蛇形连接印制线就形成了pcb罗氏线圈。基于印刷电路板的高精度的制造工艺可以实现线圈的均匀缠绕，并且可以在更小的面积中实现更多的匝数，从而可以实现更准确地测量。
4.在如今的电气设备中，为了进一步实现电气设备的小型化会要求进一步缩小印刷电路板的大小，由此正在越来越多地使用多层pcb板，例如四层pcb板。如何在多层pcb板中优化pcb罗氏线圈的结构是亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本实用新型提供了一种罗氏线圈，其可以充分利用多层pcb板的厚度而具有较大的横截面积，并且生产工艺简单，从而可以方便制造并且降低成本。
6.本实用新型涉及一种罗氏线圈，所述罗氏线圈包括在电路板中形成的第一线圈和第二线圈；
7.所述电路板从上到下依次包括第一导电层、第二导电层、第三导电层和第四导电层，每个导电层上包括多个印制线；
8.所述第一导电层上的多个印制线、所述第三导电层上的多个印制线以及所述第一导电层与所述第三导电层之间的多个金属化的孔形成所述第一线圈，其中，所述第一导电层上的一根印制线从其第一端延伸到其第二端，并且在其第二端处通过一个金属化的孔与所述第三导电层上的一根印制线的第一端连接，所述第三导电层上的所述一根印制线从其第一端延伸到其第二端，并且在其第二端处通过另一个金属化的孔与所述第一导电层上的另一根印制线的第一端连接，由此形成所述第一线圈的一匝；并且
9.所述第二导电层上的多个印制线、所述第四导电层上的多个印制线以及所述第二导电层与所述第四导电层之间的多个金属化的孔形成所述第二线圈，其中，所述第二导电层上的一根印制线从其第一端延伸到其第二端，并且在其第二端处通过一个金属化的孔与所述第三导电层上的一根印制线的第一端连接，所述第三导电层上的所述一根印制线从其
第一端延伸到其第二端，并且在其第二端处通过另一个金属化的孔与所述第二导电层上的另一根印制线的第一端连接，由此形成所述第二线圈的一匝。
10.根据本实用新型的一些实施例，所述金属化的孔穿过所述电路板形成通孔；连接所述第一导电层和所述第三导电层的金属化的孔与第二导电层上的印制线不连接；并且连接所述第二导电层和所述第四导电层的金属化的孔与第三导电层上的印制线不连接。
11.根据本实用新型的一些实施例，在所述第一导电层与所述第二导电层之间包括第一介质层；在所述第二导电层与所述第三导电层之间包括第二介质层；在所述第三导电层与所述第四导电层之间包括第三介质层；并且所述第二介质层的厚度大于所述第一介质层和所述第三介质层。
12.本实用新型还涉及一种电流检测电路，所述电流检测电路包括罗氏线圈；以及工频电流检测电路和浪涌电流检测电路；其中，所述工频电流检测电路和所述浪涌电流检测电路分别与所述罗氏线圈电连接，分别用于检测工频电流和浪涌电流。
13.根据本实用新型的一些实施例，所述罗氏线圈通过滤波电路与所述工频电流检测电路电连接，所述滤波电路包括rc低通滤波器、第一二极管和第二二极管；并且所述第一二极管的阳极与第一参考电位电连接，所述第一二极管的阴极和所述第二二极管的阳极与所述rc低通滤波器的输出端电连接，所述第二二极管的阴极与第二参考电位电连接。
14.根据本实用新型的罗氏线圈可以更简单的工艺进行制造，例如在制造过程中可以减少打孔和金属化的次数并且可以避免由于采用盲孔工艺而产生成本。此外，通过以间隔两个介质层的方式构造第一线圈和第二线圈，可以使线圈获得更大的横截面积，由此，在线圈的匝数减小的情况下也能够保持线圈的互感量不变，甚至还可以增大互感量。
15.根据本实用新型的罗氏线圈可以将流过该线圈中心的大的电流量成比例地转换为小的电压量，根据本实用新型的电流检测电路通过该罗氏线圈既可以对工频电流进行测量，也可以对浪涌电流进行测量。
附图说明
16.为了更清楚地说明本实用新型的实施例的技术方案，下面将对实施例的描述中所需要使用的附图作简单的介绍。下面描述中的附图仅仅是本实用新型的示例性实施例。
17.图1以俯视图示意性示出了利用相邻的导电层来构建线圈的情况下的印制线的电连接；
18.图2以正视图示意性示出了利用相邻的导电层来构建线圈的情况下的孔；
19.图3以侧视图示意性示出了利用相邻的导电层来构建线圈的情况下的线圈的横截面；
20.图4以俯视图示意性示出了利用不相邻的导电层来构建线圈的情况下的印制线的电连接；
21.图5以正视图示意性示出了利用不相邻的导电层来构建线圈的情况下的孔；
22.图6以侧视图示意性示出了利用不相邻的导电层来构建线圈的情况下的线圈的横截面；
23.图7示意性示出了具有罗氏线圈的电流检测电路；
24.图8示意性示出了应用于电流检测电路的滤波电路。
具体实施方式
25.为了使得本公开的目的、技术方案和优点更为明显，下面将参考附图详细描述根据本公开的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本公开的一部分实施例，而不是本公开的全部实施例，应理解，本公开不受这里描述的示例实施例的限制。
26.在本说明书和附图中，基本上相同或相似的步骤和元素用相同或相似的附图标记来表示，并且对这些步骤和元素的重复描述将被省略。
27.图1至图3分别示出了利用相邻的导电层来构建线圈的情况下具有四个导电层的电路板的俯视图、正视图和侧视图。该电路板从上到下依次包括第一导电层、第二导电层、第三导电层和第四导电层，每个导电层上包括多个印制线。这四个导电层之间通过介质层彼此间隔，金属化的孔将这些介质层打通，并且因此将不同导电层上的印制线连接。通过特定的连接方式可以在该电路板中形成第一线圈和第二线圈，并且第一线圈和第二线圈可以串联或并联连接并且形成罗氏线圈。下面参照附图1至3对此进行更详细的解释。
28.图1以俯视图示意性示出了利用相邻的导电层来构建线圈的情况下的印制线的电连接。在图1的左侧示出了电路板上通过印制线连接形成的罗氏线圈100，在图1的右侧示意性示出了罗氏线圈100局部的印制线连接，例如虚线框所包围的部分。需要说明的是，本实用新型中的“印制线”设置在印刷电路板上，其表示采用印刷电路板技术形成在印刷电路板上的任何形式的线状导电部件。在图1的示意图中，电路板的第一导电层上的印制线用实线表示，第二导电层上的印制线用长虚线表示，第三导电层上的印制线用短虚线表示，第四导电层上的印制线用点状虚线表示。为了清楚起见，将第一和第二导电层上的印制线与第三和第四导电层上的印制线分开示出，在实际的电路板俯视图中，第一和第二导电层上的印制线可以与第三和第四导电层上的印制线重叠或者偏差不大。
29.第一导电层上的多个印制线、第二导电层上的多个印制线以及第一导电层与第二导电层之间的多个金属化的孔形成第一线圈101。具体方式如下：第一导电层上的印制线110从其第一端111延伸到第二端112，并且在第二端112处通过金属化的孔与第二导电层上的印制线120的第一端121电连接。印制线120从第一端121延伸到第二端122。然后，印制线120在第二端122处通过金属化的孔与第一导电层上的另一印制线的第一端连接，由此印制线110、印制线120和两个金属化的孔形成第一线圈101的一匝。然后，第一导电层上的其余印制线和第二导电层上的其余印制线重复以上方式通过金属化的孔相互连接，由此最终形成第一线圈101。
30.以相同的方式，第三导电层上的多个印制线、第四导电层上的多个印制线以及第一导电层与第二导电层之间的多个金属化的孔形成第二线圈102。具体方式如下：第三导电层上的印制线130从其第一端131延伸到第二端132，并且在第二端132处通过金属化的孔与第四导电层上的印制线140的第一端141电连接。印制线140从第一端141延伸到第二端142。然后，印制线140在第二端142处通过金属化的孔与第三导电层上的另一印制线的第一端连接。然后，第三导电层上的其余印制线和第四导电层上的其余印制线重复以上方式通过金属化的孔相互连接，由此最终形成第二线圈102。
31.图2以正视图示意性示出了利用相邻的导电层来构建线圈的情况下的孔210、220、230和240，其是这些金属化的孔相关部分的示意截面图。这些孔被称为盲孔，因为它们没有贯通电路板。从图2中清楚的看到电路板的四个导电层：第一导电层201，第二导电层202，第
三导电层203和第四导电层204，第一导电层201和第二导电层202通过第一介质层205间隔，第二导电层202和第三导电层203通过第二介质层206间隔，第三导电层203和第四导电层204通过第三介质层205间隔。
32.盲孔210和220贯穿第一介质层205并且在经过金属化后可以将第一导电层201上的印制线与第二导电层202上的印制线电连接。盲孔210和220贯穿第三介质层207并且在经过金属化后可以将第三导电层203上的印制线与第四导电层204上的印制线电连接。
33.图3以侧视图示意性示出了利用相邻的导电层来构建线圈的情况下的线圈101和102的横截面，该截面垂直于图2的截面。可以看到，第一导电层201上的印制线、第二导电层上202上的印制线以及贯穿第一介质层205的孔共同映射出了第一线圈101的横截面。同样地第三导电层203上的印制线、第四导电层上204上的印制线以及贯穿第三介质层207的孔共同映射出了第二线圈102的横截面。
34.图4至图6分别示出了利用不相邻的导电层来构建线圈的情况下具有四个导电层的电路板的俯视图、正视图和侧视图。该电路板从上到下依次包括第一导电层、第二导电层、第三导电层和第四导电层，每个导电层上包括多个印制线。这四个导电层之间通过介质层彼此间隔，金属化的孔将这些介质层打通，并且因此将不同导电层上的印制线连接。通过特定的连接方式可以在该电路板中形成第一线圈和第二线圈，并且第一线圈和第二线圈串联或并联连接并且形成罗氏线圈。下面参照附图4至6对此进行更详细的解释。
35.图4以俯视图示意性示出了利用不相邻的导电层来构建线圈的情况下的印制线的电连接。在图4的左侧示出了电路板上通过印制线连接形成的罗氏线圈400，在图4的右侧示意性示出了罗氏线圈400局部的印制线连接，例如虚线框所包围的部分，在该示意图中，电路板的第一导电层上的印制线用实线表示，第二导电层上的印制线用长虚线表示，第三导电层上的印制线用短虚线表示，第四导电层上的印制线用点状虚线表示。
36.第一导电层上的多个印制线、第三导电层上的多个印制线以及所述第一导电层与所述第三导电层之间的多个金属化的孔形成所述第一线圈401，具体方式如下：第一导电层上的印制线410从其第一端411延伸到第二端412，并且在第二端412处通过金属化的孔与第三导电层上的印制线430的第一端431电连接。印制线430从第一端431延伸到第二端432。然后，印制线430在第二端432处通过金属化的孔与第一导电层上的另外的印制线的第一端连接，由此印制线410、印制线430和两个金属化的孔形成第一线圈401的一匝。然后，第一导电层上的其余印制线和第三导电层上的其余印制线重复以上方式通过金属化的孔相互连接，由此最终形成第一线圈401。
37.以相同的方式，第二导电层上的多个印制线、第四导电层上的多个印制线以及所述第二导电层与所述第四导电层之间的多个金属化的孔形成所述第二线圈402。具体方式如下：第二导电层上的印制线420从其第一端421延伸到第二端422，并且在第二端422处通过金属化的孔与第四导电层上的印制线440的第一端441电连接。印制线440从第一端441延伸到第二端442。然后，印制线440在第二端442处通过金属化的孔与第二导电层上的另外的印制线的第一端连接，由此印制线420、印制线440和两个金属化的孔形成第二线圈402的一匝。然后，第二导电层上的其余印制线和第四导电层上的其余印制线重复以上方式通过金属化的孔相互连接，并且最终形成第二线圈402。
38.图5以正视图示意性示出了利用不相邻的导电层来构建线圈的情况下的孔510和
520。从图5中清楚的看到电路板的四个导电层：第一导电层501，第二导电层502，第三导电层503和第四导电层504，第一导电层501和第二导电层502通过第一介质层505间隔，第二导电层502和第三导电层503通过第二介质层506间隔，第三导电层503和第四导电层504通过第三介质层505间隔。经过金属化的孔510穿过第一介质层505和第二介质层506与第一导电层上的印制线和第三导电层上的印制线电连接，而不与第二导电层上的印制线连接。经过金属化的孔520穿过第三介质层507和第二介质层506与第二导电层上的印制线和第四导电层上的印制线电连接，而不与第三导电层上的印制线连接。在一些实施例中，孔510和520可以是通孔，即完全穿过电路板的四个导电层和三个介质层，并且金属化的通孔510与第一导电层上的印制线和第三导电层上的印制线电连接，金属化的通孔520与第二导电层上的印制线和第四导电层上的印制线电连接。
39.图6以侧视图示意性示出了利用不相邻的导电层来构建线圈的情况下的线圈401和402的横截面。可以看到，第一导电层501上的印制线、第三导电层上503上的印制线以及将它们电连接的金属化的孔共同映射出了第一线圈401的横截面。同样地第二导电层502上的印制线、第四导电层上504上的印制线以及将它们电连接的金属化的孔共同映射出了第二线圈402的横截面。
40.从图3和图6可以看出，相对于利用相邻的导电层来构建线圈的情况，由于利用不相邻的导电层来构建线圈的情况下的孔跨过两个介质层，即将第一和第三导电层上的印制线连接或者将第二和第四导电层上的印制线连接，因此利用不相邻的导电层构建的线圈的每匝具有更大的横截面积。根据电磁感应定律，对于相同的待测电流并且因此相同的磁感应强度来说，在线圈中感应出的电压u取决于线圈的匝数和线圈的截面积。因此，利用不相邻的导电层来构建线圈可以产生更大的感应电压。
41.在一些实施例中，在利用不相邻的导电层来构建线圈的情况下，可以使第二介质层506的厚度大于第一介质层505和第三介质层507。由此可以使第一线圈401和第二线圈402的横截面积更大，例如大于利用相邻的导电层构建的线圈横截面积的2倍。因此可以在线圈中感应出更大的电压。
42.若利用不相邻的导电层构建线圈的情况下的孔为通孔，则这种通孔工艺相对于利用相邻的导电层构建线圈的情况下的盲孔具有如下优点：盲孔工艺需要在电路板的第一介质层205和第三介质层207上分别打孔，并且需要对第一介质层205和第三介质层207上的孔分别进行金属化，而通孔工艺只需要在电路板上打通孔，然后对所有的通孔一起进行金属化。例如，对于在单个导电层上可以布置n个孔的电路板，若采用盲孔工艺来制造包括两个线圈的罗氏线圈，则需要进行2n次打孔，并且对第一介质层205中的n个孔和第三介质层207中的n个孔分别进行金属化；若采用通孔工艺进行制造，则仅需要进行n此打孔，并且对这n个孔进行金属化。因此，相对于盲孔工艺，根据本实用新型的通孔工艺显著减少了打孔的次数和对孔进行金属化的次数，由此简化了生产工艺并且降低了生产成本。
43.图7示意性示出了具有罗氏线圈的电流检测电路700。该电流检测电路包括根据本实用新型的罗氏线圈701、工频电流检测电路702和浪涌电流检测电路703。当穿过罗氏线圈701中心的印制线中有电流i(t)流过时，根据安培定律和电磁感应定律在罗氏线圈701上会感应出电压信号u(t)，该电压信号被分别馈送给与罗氏线圈701连接的工频电流检测电路702和浪涌电流检测电路703。在一些实施例中，在所述电流检测电路700以地电势作为参考
电势的情况下，由罗氏线圈701产生的电压信号u(t)可以作为差分信号u (t)，u-(t)被同时馈送给工频电流检测电路702和浪涌电流检测电路703。
44.在一些实施例中，罗氏线圈701通过滤波电路704与工频电流检测电路702电连接。电压差分信号u (t)，u-(t)首先经过滤波电路704，滤波电路704可以不仅可以滤除高频信号还可以滤除电压尖峰，例如由浪涌电流引起的电压尖峰。经过滤波的电压信号被馈送给工频电流检测电路704，并且由工频电流检测电路704对其进行进一步处理。
45.在一些实施例中，滤波电路704包括rc低通滤波器、第一二极管801和第二二极管802。在输入信号为差分信号的情况下，可以设置两个相同的滤波电路704。如图8所示，第一二极管801的阳极与第一参考电位电连接，所述第一二极管801的阴极和所述第二二极管802的阳极与所述rc低通滤波器的输出端电连接，所述第二二极管802的阴极与第二参考电位电连接。由电阻r和c组成的低通滤波器可以消除输入信号中的高频噪声并且由此使输入信号中的工频分量更清晰。第一二极管801和第二二极管802的布置可以实现将输出端的电压与第一参考电位和第二参考电位进行比较，若输出端的电压低于第一参考电压或高于第二参考电压，则第一二极管801或第二二极管802导通，由此可以将电流导出而不在输出端进行输出。
46.在一些实施例中，可以将第一参考电位接地，并且第二参考电位为正电位，例如3.3v。在这种情况下，当输入电压过大，例如发生浪涌时产生了高达几百或几千伏特的电压时，第二二极管802导通并且将浪涌电流导出，此时在滤波电路704的输出端不输入信号。由此可以滤除超过后续元件，例如模数转换器的输入范围之外的电压，从而保护工频电流检测电路702的后续元件不受大电压，例如浪涌的损害。
47.本实用新型中涉及的电路、单元、器件、装置、设备、系统的方框图仅作为示例性的例子并不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些电路、单元、器件、装置、设备、系统，只要能够实现所期望的目的即可。本实用新型中涉及的电路、单元、器件、装置可以采用任何合适的方式实现，例如采用专用集成电路、现场可编程门阵列(fpga)等，也可以采用通用处理器结合已知程序。
48.本领域技术人员应该理解，上述的具体实施例仅是例子而非限制，可以根据设计需求和其它因素对本实用新型的实施例进行各种修改、组合、部分组合和替换，只要它们在所附权利要求或其等同的范围内，即属于本实用新型所要保护的权利范围。