一种电流传感器的制作方法

1.本发明实施例涉及电流检测装置技术领域，尤其涉及一种电流传感器。


背景技术：

2.电流传感器能将被测电流信息按一定规律变换成为符合一定标准需要的电信号或其他所需形式的信息输出，是可以满足信息传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求的检测装置。
3.目前，应用广泛的电流传感器包括分流器、电流互感器、罗氏线圈、光纤电流传感器、磁性电流传感器，多应用于家用电器、智能电网、电动车、风力发电等领域。
4.分流器根据直流电流通过标准电阻时在电阻两端产生电压的原理制成，适用于低频低功率，其缺点是信号输出端与被测电流回路之间没有电气隔离，且测量对象单一，难以测量交流大电流。电流互感器依据电磁感应原理制成，仅能测量交变电流。罗氏线圈适用于较宽频率范围内的交流电流的测量，但无法测量直流电流，灵敏度较低且体积较大。光纤电流传感器根据磁光晶体的法拉第效应制成，利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤作为传感元件，具有较高的测量精度，容易小型化，但须用特殊光纤，成本高。磁性电流传感器的种类有多种。如霍尔电流传感器，具有技术成熟、成本低、集成度高且体积小的优点，但灵敏度低、温度漂移特性比较差、带宽小，难以应用在高精度电流测量场合。其他类型磁阻电流传感器，与霍尔电流传感器相比，饱和场较小，导致工作范围较小，在大电流测量中容易出现磁饱和，限制了电流测量范围。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供一种电流传感器，以实现增大电流测量范围，在大电流和小电流输入时都能够实现高精度检测的效果。
6.本发明实施例提供了一种电流传感器，包括：输入模块、大电流检测模块、小电流检测模块和线路板；
7.所述输入模块包含并联连接的差分铜排和分流铜排，待测电流垂直于所述差分铜排和分流铜排的横截面流过，并在所述大电流检测模块和所述小电流检测模块位置处产生磁场；
8.所述大电流检测模块包含第一磁感应模块和第一信号输出模块，所述第一磁感应模块固定于所述线路板上且放置于所述输入模块内部空隙处，所述第一磁感应模块内至少包括第一磁感应单元和第二磁感应单元，所述第一磁感应单元和所述第二磁感应单元以差分方式感应所述输入模块的磁场，并经由所述第一信号输出模块形成输出信号；
9.所述小电流检测模块包含第二磁感应模块和第二信号输出模块，所述第二磁感应模块固定于所述线路板上且放置于所述输入模块外部，所述第二磁感应模块内至少包括第三磁感应单元和第四磁感应单元，所述第三磁感应单元和所述第四磁感应单元以差分方式感应所述输入模块的磁场，并经由所述第二信号输出模块形成输出信号。
10.本发明实施例还提供了一种电流传感器，包括：输入模块、大电流检测模块、小电流检测模块和线路板；
11.所述输入模块包含两个或两个以上并联连接的分流铜排；待测电流垂直于所述分流铜排的横截面流过，并在所述大电流检测模块和所述小电流检测模块位置处产生磁场；
12.所述大电流检测模块位于所述输入模块内部的空隙处；所述大电流检测模块包含固定于所述线路板上的第一磁感应模块和第一信号输出模块，所述第一磁感应模块包含第一磁感应单元；所述第一磁感应单元感应所述输入模块的磁场，并经由所述第一信号输出模块形成所述电流传感器的输出信号；
13.所述小电流检测模块位于所述输入模块外部；所述小电流检测模块包含固定于所述线路板上的第二磁感应模块和第二信号输出模块，所述第二磁感应模块包含第二磁感应单元；所述第二磁感应单元感应所述输入模块的磁场，并经由所述第二信号输出模块形成所述电流传感器的输出信号。
14.本发明实施例中，差分铜排和分流铜排并联连接构成输入模块，并对待测电流进行分流；大电流检测模块位于输入模块内部空隙处，小电流检测模块位于输入模块外部，第一磁感应模块和第二磁感应模块分别以差分方式感应输入模块的磁场，再经由第一信号输出模块和第二信号输出模块形成输出信号，实现了电流传感器通过磁感应模块以差分方式感应待测电流流过输入模块产生的差模磁场。本发明实施例提供的电流传感器，能够通过调节各铜排的形状和分布实现对电流输入范围和灵敏度的调控，使得电流测量范围大，适用于各类工作范围的磁感应单元，在大电流和小电流输入时都能够实现高精度检测，还可测直流和/或交流电流，并且输入模块和信号输出模块之间电气隔离，可以提升抗外磁场干扰能力。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图虽然是本发明的一些具体的实施例，对于本领域的技术人员来说，可以根据本发明的各种实施例所揭示和提示的器件结构，驱动方法和制造方法的基本概念，拓展和延伸到其它的结构和附图，毋庸置疑这些都应该是在本发明的权利要求范围之内。
16.图1是本发明实施例提供的一种电流传感器的示意图；
17.图2是图1中台阶式差分铜排的磁场仿真图；
18.图3是图1中输入模块的磁场仿真图；
19.图4是本发明实施例提供的另一种电流传感器的示意图；
20.图5为差分半桥结构的示意图；
21.图6为差分全桥结构的示意图；
22.图7为双推挽半桥差分结构的示意图；
23.图8为双推挽全桥差分结构的示意图；
24.图9是本发明实施例提供的又一种电流传感器的示意图；
25.图10是本发明实施例提供的又一种电流传感器的示意图。
具体实施方式
26.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本发明实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本发明的技术方案，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所揭示和提示的基本概念，本领域的技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.参考图1所示，为本发明实施例提供的一种电流传感器的示意图。本实施例中电流传感器包括：输入模块、大电流检测模块3、小电流检测模块4和线路板5；输入模块包含并联连接的差分铜排1和分流铜排2，待测电流垂直于差分铜排1和分流铜排2的横截面流过，并在大电流检测模块3和小电流检测模块4位置处产生磁场；大电流检测模块3包含第一磁感应模块和第一信号输出模块32，第一磁感应模块固定于线路板5上且放置于输入模块内部空隙处，第一磁感应模块内至少包括第一磁感应单元311和第二磁感应单元312，第一磁感应单元311和第二磁感应单元312以差分方式感应输入模块的磁场，并经由第一信号输出模块32形成输出信号；小电流检测模块4包含第二磁感应模块和第二信号输出模块42，第二磁感应模块固定于线路板5上且放置于输入模块外部，第二磁感应模块内至少包括第三磁感应单元411和第四磁感应单元412，第三磁感应单元411和第四磁感应单元412以差分方式感应输入模块的磁场，并经由第二信号输出模块42形成输出信号。
28.本实施例中，输入模块包含并联连接的差分铜排1和分流铜排2，如图1所示电流传感器的截面图中，差分铜排1和分流铜排2之间存在间隙，差分铜排1、分流铜排2及两者之间的间隙可定义为输入模块的区域，那么该间隙为输入模块内部的间隙；相应的，输入模块的区域的外围可定义为输入模块的外部。由此可知，固定于线路板5上的大电流检测模块3放置于输入模块内部的空隙处，即大电流检测模块3位于差分铜排1和分流铜排2之间；固定于线路板5上的小电流检测模块4放置于输入模块的外部，可选小电流检测模块4位于分流铜排2背离差分铜排1的一侧外。可以理解，电流传感器的截面图是垂直于差分铜排1和分流铜排2的平面对电流传感器截面得到的截面图。
29.电流传感器用于检测电流，则待测电流流入电流传感器，具体的待测电流从垂直于差分铜排1和分流铜排2的横截面流过，并在大电流检测模块3位置处产生磁场，还在小电流检测模块4位置处产生磁场。
30.大电流检测模块3包含第一磁感应模块(未标记编号)和第一信号输出模块32，其中，第一磁感应模块固定于线路板5上且放置于输入模块内部空隙处，即大电流检测模块3位于差分铜排1和分流铜排2之间。如图1所示，第一磁感应模块内至少包括第一磁感应单元311和第二磁感应单元312，待测电流流入输入模块后，第一磁感应单元311和第二磁感应单元312以差分方式感应输入模块的磁场，该磁场信号经由第一信号输出模块32处理形成电流传感器的输出信号。
31.小电流检测模块4包含第二磁感应模块(未标记编号)和第二信号输出模块42，其中，第二磁感应模块固定于线路板5上且放置于输入模块外部，可选小电流检测模块4位于分流铜排2背离差分铜排1的一侧。如图1所示，第二磁感应模块内至少包括第三磁感应单元411和第四磁感应单元412，其中，第三磁感应单元411和第四磁感应单元412位于输入模块外部同侧，可选位于输入模块上方且在分流铜排2附近。第三磁感应单元411位于分流铜排2竖直投影覆盖范围内，第四磁感应单元412位于该竖直投影覆盖范围外。第三磁感应单元
411和第四磁感应单元412的灵敏度方向都向右。待测电流流入输入模块后，第三磁感应单元411和第四磁感应单元412以差分方式感应输入模块的磁场，该磁场信号经由第二信号输出模块42处理形成电流传感器的输出信号。
32.如图1所示，可选第一磁感应单元311位于差分铜排1上方，第一磁感应单元311的灵敏度方向与差分铜排1在第一磁感应单元311处产生的磁场方向相同或相反，且沿第一磁感应模块平面内方向并垂直于待测电流方向；第二磁感应单元312的灵敏度方向与第一磁感应单元311相同，且第二磁感应单元312与差分铜排1的距离大于第一磁感应单元311与差分铜排1的距离。
33.可选差分铜排1在第一磁感应模块附近为台阶状，且至少包括第一台阶11和第二台阶12；第一磁感应单元311位于第一台阶11上方，且第二磁感应单元312位于第二台阶12上方；第一磁感应单元311的灵敏度方向与差分铜排1在第一磁感应单元311处产生的磁场方向相同或相反，且沿第一磁感应模块平面内方向并垂直于待测电流方向；第二磁感应单元312的灵敏度方向与差分铜排1在第二磁感应单元312处产生的磁场方向相同或相反，且沿第二磁感应模块平面内方向并垂直于待测电流方向。
34.具体的如图1所示，采用一个截面为台阶式的差分铜排1和一个截面为矩形的分流铜排2，两者并联分流构成输入模块，差分铜排1和分流铜排2之间存在空隙。台阶式差分铜排1面向分流铜排2的一侧为台阶状，其截面图如图1所示包括第一台阶11和第二台阶12。第一磁感应单元311位于第一台阶11上方的磁场均匀区，第二磁感应单元312位于第二台阶12上方的磁场均匀区；第一磁感应单元311和第二磁感应单元312均位于分流铜排2的磁场均匀区，且灵敏度方向都向右。
35.参考图2所示，为台阶式差分铜排的磁场仿真图。假设待测电流i
in
为50a，台阶式差分铜排1的截面宽度为10mm。待测电流流入输入模块时，会在差分铜排1上方0.6mm水平面处产生磁场，如图2所示，可以看出在差分铜排1的台阶上升截面附近，第一台阶11和第二台阶12上方同一平面磁场具有明显的差值，且磁场分布较为均匀。
36.参考图3所示，为输入模块的磁场仿真图。在差分铜排1的基础上，引入截面宽度为10mm的分流铜排2，分流铜排2与差分铜排1并联，其磁场仿真计算结果如图3所示，可以看出与图2相比，输入模块的磁场分布大致形状不变，但整体曲线出现明显下移即磁场减小。
37.令待测电流i
in
垂直于输入模块的横截面流过，电流方向在图1中为垂直纸面向内方向。令第一台阶11通过的电流为i
11
，第二台阶12通过的电流为i
12
，分流铜排2通过的电流为i2，则流过差分铜排1的电流i1为i1＝i
11
i
12
。第一磁感应单元311和第二磁感应单元312位于分流铜排2的磁场均匀区，各铜排材质相同，则得到式(1)：
38.i
in
＝i
11
i
12
i2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
39.为了方便分析计算，可以将第一台阶11和第二台阶12的整体按照第二台阶12的高度重新划分为上下两个矩形截面部分。其中，差分铜排1划分出的下方矩形的高度与第二台阶12的高度一致，宽度为第一台阶11与第二台阶12之和；差分铜排1划分出的上方矩形的高度为第一台阶11与第二台阶12的高度差，宽度与第一台阶11一致。那么第一磁感应单元311和第二磁感应单元312位于下方矩形的上方，第一磁感应单元311位于上方矩形的上方。可以得出，第一磁感应单元311和第二磁感应单元312位于下方矩形的磁场均匀区，第一磁感应单元311位于上方矩形的磁场均匀区。
40.基于此，可以将流过台阶式差分铜排1的电流i1分为下方矩形电流i'1和上方矩形电流δi1，则得到式(2)和式(3)：
41.i1＝i'1 δi1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
42.i
in
＝i'1 δi1 i2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
43.以图1所示水平向右方向为磁场正方向，根据载流导线产生磁场的毕萨定律，台阶式差分铜排1的电流i1在第一磁感应单元311位置处产生的磁场h
211
和在第二磁感应单元312位置处产生的磁场h
212
分别随电流线性变化，则得到式(4)：
44.h
211
＝k1i'1 k
21
δi
1-k3i2；
45.h
212
＝k1i'1 k
22
δi
1-k3i2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
46.其中，k1为下方矩形电流i'1在第一磁感应单元311和第二磁感应单元312位置处产生均匀磁场的线性常数，k3为分流铜排电流i2在第一磁感应单元311和第二磁感应单元312位置处产生均匀磁场的线性常数，k
21
为上方矩形电流δi1在第一磁感应单元311位置处产生磁场的线性常数，k
22
为上方矩形电流δi1在第二磁感应单元312位置处产生磁场的线性常数。
47.对(4)式进行等效变换，将第一磁感应单元311和第二磁感应单元312位置处的磁场分解为共模磁场h
cm
和差模磁场h
dm
，则得到式(5)：
[0048][0049]
相应的，第一磁感应单元311和第二磁感应单元312位置处的磁场可转化为共模磁场h
cm
和差模磁场h
dm
的叠加表示，表达如式(6)：
[0050]h211
＝h
cm
h
dm
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0051]h212
＝h
cm-h
dm
[0052]
从式(5)以及图1可以看出，下方矩形电流i'1在第一磁感应单元311和第二磁感应单元312位置处产生的磁场方向相反于分流铜排电流i2在第一磁感应单元311和第二磁感应单元312位置处产生的磁场方向，两者可以相互抵消。具体的，下方矩形电流i'1在第一磁感应单元311和第二磁感应单元312位置处产生的磁场为k1i'1，分流铜排电流i2在第一磁感应单元311和第二磁感应单元312位置处产生的磁场为k3i2，两者可抵消减小即k1i'
1-k3i2，甚至抵消后可能归零如k1i'
1-k3i2＝0。
[0053]
那么抵消后，共模磁场h
cm
可能与差分铜排1单独产生的磁场同向、归零或反向，可以理解，差分铜排1单独产生的磁场可以理解为差分铜排1中上方矩形电流δi1在第一磁感应单元311和第二磁感应单元312位置处产生的磁场。并且，下方矩形电流i'1和分流铜排电流i2在第一磁感应单元311和第二磁感应单元位置处只产生共模磁场h
cm
，不产生差模磁场h
dm
，可以起到调节并增大电流传感器可测量电流的输入范围的作用。
[0054]
同时，对于小电流检测模块4，根据载流导线产生磁场的毕萨定律可知，不同于前述分析中差分铜排1和分流铜排2在大电流检测模块3位置产生的磁场方向相反而互相抵消或减小的情况，小电流检测模块4位于差分铜排1和分流铜排2组成的输入模块的外部，可选小电流检测模块4位于分流铜排2背离差分铜排1的一侧即输入模块的外部上方位置，在其
他实施例中，还可选小电流检测模块位于差分铜排背离分流铜排的一侧即输入模块的外部下方位置。因而，差分铜排1和分流铜排2在小电流检测模块4处产生的磁场方向相同。
[0055]
在图1中，差分铜排1和分流铜排2在小电流检测模块4中第三磁感应单元411位置处产生的磁场方向相同，那么两者可以互相叠加增大，从而在小电流情况下能够产生更大的磁场，从而能够确保更准确的检测到待测小电流。拓展了电流传感器可测量电流的输入范围。
[0056]
可选分流铜排的个数为一个或一个以上，其中任一分流铜排的位置为第一磁感应模块上方或差分铜排下方，且任一分流铜排的竖直投影范围覆盖第一磁感应模块中的第一磁感应单元和第二磁感应单元。如图1所示，可选分流铜排2的个数为一个，其位于第一磁感应模块上方，且分流铜排2的竖直投影范围覆盖第一磁感应模块中的第一磁感应单元311和第二磁感应单元312。
[0057]
参考图4所示，为本发明实施例提供的另一种电流传感器的示意图。如图4所示，可选差分铜排1位于线路板5内部，可选分流铜排的个数为两个，其中，分流铜排21的位置位于差分铜排1的下方，分流铜排22的位置位于第一磁感应模块的上方，分流铜排21&22的竖直投影范围均覆盖第一磁感应模块中的第一磁感应单元311和第二磁感应单元312。输入模块采用一个截面为矩形的差分铜排1和两个截面为矩形的分流铜排21&22并联分流构成。其中，两个矩形分流铜排21&22相对设置，矩形差分铜排1位于两个矩形分流铜排21&22之间的空隙处。大电流检测模块3放置于矩形差分铜排1和矩形分流铜排22之间的空隙处。矩形差分铜排1临近第一磁感应单元311一侧且位于分流铜排21上方。
[0058]
基于此，令第一磁感应单元311和第二磁感应单元312位于分流铜排21的磁场均匀区，还位于分流铜排22的磁场均匀区，且灵敏度方向都向右。第一磁感应单元311位于差分铜排1的磁场均匀区。那么此输入模块的分析计算过程与图1所示台阶式差分铜排1和矩形分流铜排2构成的输入模块类似。因而可以将图4中矩形差分铜排1的电流类比为图1中上方矩形电流δi1，图4中分流铜排21的电流类比为图1中下方矩形电流i'1。
[0059]
由于认为第一磁感应单元311和第二磁感应单元312均位于分流铜排21和分流铜排22的磁场均匀区，所以在差分铜排1和分流铜排21间存在间隙的情况下，(1)式至(6)式依旧能够成立。
[0060]
如上所述，从式(5)&(6)可以看出，第一磁感应单元311和第二磁感应单元312位置处的磁场与待测电流i
in
成正比，能够通过测量差模磁场h
dm
实现待测电流的检测。多个分流铜排的分析计算与前述分析过程大致相同，仅在于对k3i2项以及共模磁场h
cm
的调整。
[0061]
进一步的，理想状况下共模磁场h
cm
被完全抵消，则得到式(7)和(8)：
[0062][0063]
[0064]
进一步的，理想情况下，δi1在第二磁感应单元312位置处产生的磁场很小，可以近似认为k
22
＝0，则式(7-8)可以简化为式(9-10)：
[0065][0066][0067]
即第一磁感应单元311和第二磁感应单元312位置处的磁场与待测电流i
in
成正比，能够通过测量差模磁场h
dm
实现待测电流检测。
[0068]
结合(9)式和(10)式可以看出，理想状况下共模磁场h
cm
被完全抵消，即待测电流只在第一磁感应单元311和第二磁感应单元312位置处产生差模磁场h
dm
，并且差模磁场h
dm
的大小可以通过输入模块中铜排的形状进行调节，使差模磁场h
dm
的大小完全匹配磁电阻敏感元件的线性工作区间。那么电流传感器的电流测量范围可以达到最大。
[0069]
如上所述，大电流检测模块3对输入模块产生的差模磁场采用差分测量，同时可以做到对共模磁场的部分或全部抵消，能有效解决磁电阻敏感元件容易饱和的问题，进而调节并扩大测量电流范围，提供良好的抗外磁场干扰能力，因而适用于各类工作范围的电流检测。
[0070]
可选电流传感器还包括：切换模块6，切换模块6根据待测电流的范围选择切换为大电流检测模块3或小电流检测模块4；输入模块、大电流检测模块3、小电流检测模块4和切换模块6之间电气隔离。可选使用介质隔离层进行模块间的电气隔离。切换模块6切换至大电流检测模块3时，大电流检测模块3工作，那么电流传感器可用于测量大电流；切换模块6切换至小电流检测模块4时，小电流检测模块4工作，那么电流传感器可用于测量小电流。
[0071]
可选电流传感器还包括机械支架外壳7，机械支架外壳7对电流传感器内各部分起到包裹、固定支撑以及提供外部接口的作用。
[0072]
本发明实施例中，差分铜排和分流铜排并联连接构成输入模块，并对待测电流进行分流；大电流检测模块位于输入模块内部空隙处，小电流检测模块位于输入模块外部，第一磁感应模块和第二磁感应模块分别以差分方式感应输入模块的磁场，再经由第一信号输出模块和第二信号输出模块形成输出信号，实现了电流传感器通过磁感应模块以差分方式感应待测电流流过输入模块产生的差模磁场。本发明实施例提供的电流传感器，能够通过调节各铜排的形状和分布实现对电流输入范围和灵敏度的调控，使得电流测量范围大，适用于各类工作范围的磁感应单元，在大电流和小电流输入时都能够实现高精度检测，还可测直流和/或交流电流，并且输入模块和信号输出模块之间电气隔离，可以提升抗外磁场干扰能力。
[0073]
可选第一磁感应模块中第一磁感应单元与第二磁感应单元连接构成差分半桥结构、差分全桥结构、双推挽半桥差分结构和双推挽全桥差分结构中的任意一种结构；第二磁感应模块中第三磁感应单元与第四磁感应单元连接构成差分半桥结构、差分全桥结构、双推挽半桥差分结构和双推挽全桥差分结构中的任意一种结构；
[0074]
对于差分半桥结构，每个磁感应单元包含一个磁电阻桥臂，同一个磁感应模块中的两个磁电阻桥臂共同在电气上差分形成一个差分半桥结构；
[0075]
对于差分全桥结构，每个磁感应单元包含两个磁电阻桥臂，同一个磁感应单元中的两个磁电阻桥臂位于相对的两个桥臂上，不同磁感应单元的两个磁电阻桥臂位于相邻的两个桥臂上，形成差分全桥结构，该磁感应模块的输出信号为差分全桥结构的差分信号；
[0076]
对于双推挽半桥差分结构，同一个磁感应模块中的两个磁感应单元均包含两个磁电阻桥臂，每个磁感应单元中的两个磁电阻桥臂具有相反的灵敏度方向，磁感应单元中的两个磁电阻桥臂为上下两个桥臂且构成推挽半桥结构，两个磁感应单元中的上桥臂的灵敏度方向相同且两个磁感应单元中的下桥臂的灵敏度方向相同，同一个磁感应模块中的两个磁感应单元整体构成双推挽半桥差分结构，该磁感应模块的输出信号为双推挽半桥差分结构的差分信号；
[0077]
对于双推挽全桥差分结构，同一个磁感应模块中的两个磁感应单元均包含四个磁电阻桥臂，磁感应单元的四个磁电阻桥臂构成推挽全桥结构，同一个磁感应模块中的两个磁感应单元的灵敏度方向相同，同一个磁感应模块中的两个磁感应单元整体构成双推挽全桥差分结构，该磁感应模块的输出信号为双推挽全桥差分结构的差分信号；磁电阻桥臂由一个或多个磁电阻敏感元件通过串并联连接构成。
[0078]
可选同一个磁感应模块中的两个磁感应单元的器件选择有以下两种：(1)两个磁感应单元由磁通门fluxgate、巨磁阻抗gmi和磁电耦合器件me的其中一种磁感应元件构成；(2)两个磁感应单元中构成差分结构的磁电阻敏感元件由各向异性磁电阻amr、巨磁电阻gmr、隧道磁电阻tmr和庞磁电阻cmr的其中一种构成。
[0079]
参考图5所示，为差分半桥结构的示意图。如图5所示，大电流检测模块3采用具有差分半桥结构的单电桥，具体的，第一磁感应模块中第一磁感应单元311与第二磁感应单元312连接构成差分半桥结构。对于该差分半桥结构，第一磁感应单元311包含一个磁电阻桥臂311a，第二磁感应单元312包含一个磁电阻桥臂312a。第一磁感应模块中的两个磁电阻桥臂311a和312a共同连接在电气上差分形成一个差分半桥结构，其中，两个磁电阻桥臂311a和312a的灵敏度方向相同且为水平向右方向。可选磁电阻桥臂由一个或多个磁电阻敏感元件构成，磁电阻桥臂311a和312a中磁电阻敏感元件为隧道磁电阻tmr。
[0080]
根据前述分析计算和图5所示的差分半桥结构示意图，可知图1所示情况下，差分铜排1和分流铜排2抵消后的共模磁场可能与差分铜排1在第一磁感应模块位置处产生的水平向右磁场同向、归零或反向。
[0081]
以抵消过后，差分铜排1和分流铜排2抵消后的共模磁场方向为水平向右为例，即抵消过后为同向，那么差模磁场h
dm
导致第一磁感应单元311位置处向右的磁场大于第二磁感应单元312位置处向右的磁场。由于两个磁电阻桥臂311a和312a的灵敏度方向均向右，所以图5中磁电阻桥臂311a位置处向右的磁场大于磁电阻桥臂312a位置处的磁场，因此磁电阻桥臂311a的电阻小于磁电阻桥臂312a的电阻，实现了磁场到电压的变化。由此图5中vout会根据待测电流的情况产生相应的变化，形成差分电压信号。
[0082]
参考图6所示，为差分全桥结构的示意图。如图6所示，小电流检测模块4采用具有差分全桥结构的单电桥，具体的，第二磁感应模块中第三磁感应单元411与第四磁感应单元412连接构成差分全桥结构。对于该差分全桥结构，第三磁感应单元411包含两个磁电阻桥
臂411a和411b，第四磁感应单元412包含两个磁电阻桥臂412a和412b。第二磁感应模块中的四个磁电阻桥臂411a、411b、412a和412b的灵敏度方向完全相同，且为水平向右，在电气上连接形成同一个差分全桥结构。可选磁电阻桥臂由一个或多个磁电阻敏感元件构成，每个磁电阻桥臂中磁电阻敏感元件为隧道磁电阻tmr。
[0083]
结合图1和图6所示，第三磁感应单元411处向右的磁场大于第四磁感应单元412处向右的磁场，由于四个磁电阻桥臂411a、411b、412a和412b的灵敏度方向都向右，因此磁电阻桥臂411a和411b处向右的磁场大于磁电阻桥臂412a和412b处向右的磁场，则磁电阻桥臂411a和411b的电阻小于磁电阻桥臂412a和412b的电阻，基于此可以得到图6中v2电压大于v1电压，形成差分电压信号。
[0084]
参考图7所示，为双推挽半桥差分结构的示意图。结合图4和图7所示，大电流检测模块3采用双推挽半桥差分结构进行差分，具体的，第一磁感应模块中第一磁感应单元311与第二磁感应单元312连接构成双推挽半桥差分结构。第一磁感应单元311包含两个磁电阻桥臂311a1和311a2，且该两个桥臂构成第一推挽半桥结构，其中磁电阻桥臂311a1的灵敏度方向向左，磁电阻桥臂311a2的灵敏度方向向右。第二磁感应单元312包含两个磁电阻桥臂312a1和312a2，且该两个桥臂构成第二推挽半桥结构，其中磁电阻桥臂312a1的灵敏度方向向左，磁电阻桥臂312a2的灵敏度方向向右。可选磁电阻桥臂由一个或多个磁电阻敏感元件构成，磁电阻敏感元件为巨磁电阻gmr。
[0085]
结合图1和图7，假设共模磁场抵消过后方向为向右，并且叠加差模磁场后第一磁感应单元311处向右的磁场大于第二磁感应单元312处向右的磁场，则磁电阻桥臂311a1的电阻大于磁电阻桥臂311a2的电阻，磁电阻桥臂312a1的电阻大于磁电阻桥臂312a2的电阻，且磁电阻桥臂311a1和311a2的电阻差值大于磁电阻桥臂312a1和312a2的电阻差值，由此实现磁场到电压的变化。基于此，图7中v1a和v2a会根据待测电流的情况产生相应的变化并形成差分电压信号。
[0086]
参考图8所示，为双推挽全桥差分结构的示意图。结合图4和图8所示，小电流检测模块4采用双推挽全桥差分结构进行差分。具体的，第三磁感应单元411内部包含四个磁电阻桥臂411b1、411b2、411b3和411b4，且构成一推挽全桥结构，其中，磁电阻桥臂411b2和411b3的灵敏度方向均向左，磁电阻桥臂411b1和411b4的灵敏度方向均向右。第四磁感应单元412内部包含四个磁电阻桥臂412b1、412b2、412b3和412b4，且构成另一推挽全桥结构，其中，磁电阻桥臂412b2和412b3的灵敏度方向均向左，磁电阻桥臂412b1和412b4的灵敏度方向均向右。构成磁电阻桥臂的磁电阻敏感元件为巨磁电阻gmr。
[0087]
结合图4和图8所示，第三磁感应单元411主要受分流铜排22产生的方向向右的磁场影响，第四磁感应单元412主要受分流铜排21产生的方向向左的磁场影响。图8中v1b1和v1b2的电压差形成第三磁感应单元411的输出信号，v2b1和v2b2的电压差形成第四磁感应单元412的输出信号，根据双推挽全桥差分结构特性可得，以上两个推挽全桥结构的差分电压信号随待测电流线性变化。
[0088]
可选第一信号输出模块和第二信号输出模块各自分别包含采用开环电路的开环信号调理电路，或者，采用闭环电路的闭环信号调理电路以及反馈线圈；
[0089]
对于开环电路，第一信号输出模块或第二信号输出模块采用开环信号调理电路，信号输出模块采用开环信号调理电路对模块内两个磁感应单元的差分信号进行调理放大、
温度补偿和线性度修正；开环信号调理电路为pcb板级分立元件电路或asic专用集成电路中的一种；
[0090]
对于闭环电路，第一信号输出模块或第二信号输出模块采用闭环信号调理电路和反馈线圈，信号输出模块采用闭环信号调理电路和反馈线圈对模块内两个磁感应单元的差分信号进行调理放大、温度补偿和线性度修正；其中，大电流检测模块或小电流检测模块中的闭环信号调理电路、反馈线圈与磁感应单元构成闭环磁场反馈，将模块内两个磁感应单元的差分信号经放大后，通过反馈线圈产生反馈磁场以反向抵消差模磁场；达到磁场动态平衡时，模块内两个磁感应单元工作在相等的共模磁场工作点，通过取样电阻对反馈线圈的反馈电流取样后形成磁感应模块的输出信号；
[0091]
闭环信号调理电路为pcb板级分立元件电路或asic专用集成电路中的一种；反馈线圈集成于闭环信号调理电路、线路板、磁感应单元、asic专用集成电路或磁感应模块内部。
[0092]
本实施例中，第一信号输出模块和第二信号输出模块各自分别包含采用开环电路的开环信号调理电路，或者，采用闭环电路的闭环信号调理电路以及反馈线圈。也就是说，在本发明的具体实施例中，第一信号输出模块和第二信号输出模块都可以包含采用开环电路的开环信号调理电路，或者第一信号输出模块和第二信号输出模块都可以采用闭环电路的闭环信号调理电路以及反馈线圈，或者第一信号输出模块包含采用开环电路的开环信号调理电路，而第二信号输出模块包含采用闭环电路的闭环信号调理电路以及反馈线圈，或者第一信号输出模块都可以包含采用闭环电路的闭环信号调理电路以及反馈线圈，而第二信号输出模块包含采用开环电路的开环信号调理电路。
[0093]
以大电流检测模块中第一信号输出模块采用闭环电路为例。第一信号输出模块包含闭环信号调理电路和反馈线圈，闭环信号调理电路、反馈线圈和模块中的磁感应单元构成闭环磁场反馈。其中，磁场反馈线圈可以集成于闭环信号调理电路内，或者可以集成于线路板内，或者可以集成于磁感应单元内，或者采用asic专用集成电路，或者可以集成于磁感应模块内部，无论磁场反馈线圈集成在什么位置，其磁场闭环负反馈原理大致相同。
[0094]
第一信号输出模块中，采用闭环信号调理电路和反馈线圈对差分电压信号进行调理放大、温度补偿和线性度修正。其中，闭环信号调理电路将差分电压信号经放大后，驱动反馈线圈产生反馈磁场反向抵消差模磁场。达到磁场动态平衡时，第一磁感应单元和第二磁感应单元工作在相等的共模磁场工作点，通过取样电阻对反馈线圈的反馈电流取样后形成第一磁感应模块的输出。可选闭环信号调理电路采用pcb板级分立元件电路。
[0095]
参考图1所示，大电流检测模块3中第一信号输出模块32包括磁场反馈线圈，磁场反馈线圈集成在第一磁感应模块内，在此标记32可等效看做第一信号输出模块中磁场反馈线圈。磁场反馈线圈32所在平面平行于第一磁感应单元311和第二磁感应单元312所在平面，磁场反馈线圈32截面沿中线两侧对称分布，中线一侧电流方向垂直纸面向外，中线另一侧电流方向垂直纸面向内。
[0096]
关于磁场反馈线圈32产生反馈磁场的方向，以第一磁感应单元311处向右的磁场大于第二磁感应单元312处向右的磁场的情况为例，为了反向抵消差模磁场，如图1所示截面图中，可选磁场反馈线圈32的中线左侧即第一磁感应单元311下方水平排列的导线截面电流方向为垂直纸面向外，磁场反馈线圈32的中线右侧即第二磁感应单元312下方水平排
列的导线截面电流方向为垂直纸面向内。由此在第一磁感应单元311处产生向左的反馈磁场，在第二磁感应单元312处产生向右的反馈磁场，以此反向抵消差模磁场，最终达到磁场动态平衡。
[0097]
参考图4所示，磁场反馈线圈32集成于模块中磁感应单元内部，磁场反馈线圈42集成于模块中磁感应单元内部。反馈线圈的位置不限于以上图示位置，尽管磁场反馈线圈的分布或连接略有不同，但磁场反馈原理相同，均是利用磁场反馈线圈的分布产生方向相反的磁场以抵消差模磁场。
[0098]
同理，小电流检测模块4包含第二信号输出模块，第二信号输出模块采用闭环信号调理电路和反馈线圈42，其电路结构和磁场反馈原理与大电流检测模块3大致相同，不具体赘述。可选反馈线圈42集成于第二磁感应模块内部，但反馈线圈的位置不限于此。
[0099]
本实施例中，电流传感器在大电流和小电流输入时都能够实现高精度检测，能够有效解决磁电阻敏感元件容易饱和的问题，适用于各类线性工作范围的磁感应单元，并提供良好的抗外磁场干扰能力，具有可测直流交流大电流、输入输出电气隔离的特点。结合隧道磁电阻器件的体积小、信号幅值大、灵敏度高、噪声低、易于与半导体电路集成的特点，能够进一步的简化电流传感器后端信号处理电路的设计，减小整个电流传感器的体积，并降低电流传感器的成本。
[0100]
可选第二磁感应模块中的第三磁感应单元和第四磁感应单元采用以下两种放置方式中的任意一种：(1)第三磁感应单元位于输入模块上方，第四磁感应单元位于输入模块下方或侧方，且第三磁感应单元和第四磁感应单元的灵敏度方向相同；(2)第三磁感应单元和第四磁感应单元位于输入模块的同一侧；第三磁感应单元位于距离其最近的分流铜排或差分铜排的竖直投影覆盖范围内，第三磁感应单元的灵敏度方向与距离其最近的分流铜排或差分铜排在第三磁感应单元位置处产生的磁场方向相同或相反，且沿第二磁感应模块平面内方向并垂直于待测电流方向；第四磁感应单元位于分流铜排和差分铜排的竖直投影覆盖范围外，第四磁感应单元的灵敏度方向与第三磁感应单元相同。
[0101]
参考图1所示，第三磁感应单元411和第四磁感应单元412位于输入模块的同一侧，可选靠近分流铜排2，远离差分铜排1。第三磁感应单元411位于分流铜排2的竖直投影覆盖范围内，第三磁感应单元411的灵敏度方向与分流铜排2在第三磁感应单元411位置处产生的磁场方向相同或相反，且该灵敏度方向沿第二磁感应模块平面内方向并垂直于待测电流方向。第四磁感应单元412位于分流铜排2的竖直投影覆盖范围外，第四磁感应单元412的灵敏度方向与第三磁感应单元411相同。
[0102]
参考图4所示，第三磁感应单元411和第四磁感应单元412位于输入模块的不同侧，可选第三磁感应单元411位于输入模块的上方，第四磁感应单元412位于输入模块下方或侧方。第三磁感应单元411和第四磁感应单元412的灵敏度方向相同，均向右。具体的，第三磁感应单元411位于输入模块外部上方的磁场均匀区，第四磁感应单元412位于输入模块外部下方的磁场均匀区。差分铜排1、分流铜排21和22在小电流检测模块4的第三磁感应单元411和第四磁感应单元412两个位置产生的磁场都是互相叠加增大，从而在小电流情况下能够产生更大的磁场，进而能够确保更准确的检测到待测小电流。
[0103]
可选电流传感器还包括：第三电流检测模块，第三电流检测模块包含第三磁感应模块和第三信号输出模块；第三磁感应模块是通过第一磁感应模块中第一磁感应单元或第
二磁感应单元以及第二磁感应模块中第三磁感应单元或第四磁感应单元组成，第三磁感应模块中的两个磁感应单元以差分方式感应输入模块的磁场，并经由第三信号输出模块形成电流传感器的输出信号。
[0104]
参考图4所示，可选电流传感器还包括第三电流检测模块8，第三电流检测模块8包含第三磁感应模块和第三信号输出模块。第三磁感应模块包括两个磁感应单元，其中，第一磁感应模块中的第二磁感应单元312复用为第三磁感应模块中的一磁感应单元，第二磁感应模块中第三磁感应单元411复用为第三磁感应模块中的另一磁感应单元。可选第二磁感应单元312为推挽半桥结构，第三磁感应单元411为推挽全桥结构，第二磁感应单元312和第三磁感应单元411以差分方式感应输入模块的磁场，并经由第三信号输出模块形成电流传感器的输出信号。
[0105]
本实施例中，采用一个截面为矩形的差分铜排1和两个截面为矩形的分流铜排21、22并联对待测电流进行分流，能够通过调节各铜排的形状和分布实现对电流输入范围和电流传感器灵敏度的调控。大电流检测模块3采用具有两个推挽半桥进行差分的双半桥结构，小电流检测模块4采用具有推挽全桥进行差分的双全桥结构，且第三磁感应单元411位于输入模块外部上方磁场均匀区，第四磁感应单元412位于输入模块外部下方磁场均匀区。可选采用asic专用集成电路的闭环信号调理电路，反馈线圈集成于磁感应单元内部，磁电阻敏感元件采用巨磁电阻gmr。
[0106]
此外，还添加了第三磁感应模块，选取第二磁感应单元312的推挽半桥输出和第三磁感应单元411的推挽全桥输出进行差分，提供了三种输出选择。那么电流传感器在大电流和小电流输入时都能够实现高精度检测，能够有效解决磁电阻敏感元件容易饱和的问题，适用于各类线性工作范围的磁感应单元，并提供良好的抗外磁场干扰能力，具有可测直流交流大电流、输入输出电气隔离的特点。结合巨磁电阻器件体积小、信号幅值大、灵敏度高、噪声低、易于与半导体电路集成的特点，能够进一步的简化电流传感器后端信号处理电路的设计，减小整个电流传感器的体积，并降低电流传感器的成本。
[0107]
参考图9所示，为本发明实施例提供的又一种电流传感器的示意图。如图9所示，该电流传感器包括输入模块、大电流检测模块3、小电流检测模块4、线路板5和机械支架外壳7。输入模块采用一个截面为矩形的差分铜排1和两个截面为矩形的分流铜排21、22并联分流，产生磁场原理与图1大致相同。
[0108]
大电流检测模块3的结构和原理与图1大致相同。其中，第一磁感应模块内的第一磁感应单元311和第二磁感应单元312在电气上形成图5所示的差分半桥结构，再差分形成差分电压信号。第一信号输出模块由闭环信号调理电路和反馈线圈32构成，可选反馈线圈32集成于线路板5内部。磁电阻单元由磁电阻敏感元件串并联构成，可选磁电阻敏感元件采用庞磁电阻cmr。
[0109]
小电流检测模块4内第二磁感应模块中的第三磁感应单元411和第四磁感应单元412采用图8所示的两个推挽全桥结构，进行差分并形成差分电压信号输出。可选第四磁感应单元412位于输入模块外部侧方，第三磁感应单元411和第四磁感应单元412的灵敏度方向均向右。此外，本实施例中，第二信号输出模块采用开环信号调理电路对第三磁感应单元411和第四磁感应单元412的差分电压信号进行调理放大、温度补偿和线性度修正，开环信号调理电路采用pcb板级分立元件电路，磁电阻敏感元件采用庞磁电阻cmr。
[0110]
本实施例中，在大电流和小电流输入时都能够实现高精度检测，能够有效解决磁电阻敏感元件容易饱和的问题，适用于各类工作范围的磁感应单元，并提供良好的抗外磁场干扰能力，体积较小，具有可测直流交流大电流、输入输出电气隔离的特点。
[0111]
本发明实施例还提供一种电流传感器，该电流传感器与上述实施例不同，其中，可以不设置差分铜排。该电流传感器包括：输入模块、大电流检测模块、小电流检测模块和线路板；输入模块包含两个或两个以上并联连接的分流铜排；待测电流垂直于分流铜排的横截面流过，并在大电流检测模块和小电流检测模块位置处产生磁场；大电流检测模块位于输入模块内部的空隙处；大电流检测模块包含固定于线路板上的第一磁感应模块和第一信号输出模块，第一磁感应模块包含第一磁感应单元；第一磁感应单元感应输入模块的磁场，并经由第一信号输出模块形成电流传感器的输出信号；小电流检测模块位于输入模块外部；小电流检测模块包含固定于线路板上的第二磁感应模块和第二信号输出模块，第二磁感应模块包含第二磁感应单元；第二磁感应单元感应输入模块的磁场，并经由第二信号输出模块形成电流传感器的输出信号。
[0112]
参考图10所示，为本发明实施例提供的又一种电流传感器的示意图。如图10所示，该电流传感器包括输入模块、大电流检测模块92、小电流检测模块93、线路板94和机械支架外壳96。
[0113]
本实施例中，输入模块由两个截面为矩形的分流铜排911和912并联分流构成。待测电流垂直于分流铜排911和分流铜排912的横截面流过，待测电流方向为垂直纸面向内，并在大电流检测模块92和小电流检测模块93位置处产生磁场。
[0114]
大电流检测模块92位于分流铜排911和分流铜排912之间的空隙处，包含固定于线路板94上的第一磁感应模块和第一信号输出模块，第一磁感应模块包含磁感应单元921，磁感应单元921感应输入模块中电流产生的磁场，并经由第一信号输出模块形成电流传感器的输出信号。对于大电流检测模块92，分流铜排911在磁感应单元921处产生的磁场向右，分流铜排912在磁感应单元921处产生的磁场向左，两者相互抵消和减小，通过调节分流铜排的形状，可以调节磁场的大小，因而能够实现大电流检测。
[0115]
小电流检测模块93位于分流铜排912上方，包含固定于线路板94上的第二磁感应模块和第二信号输出模块，第二磁感应模块包含磁感应单元931，磁感应单元931感应输入模块中电流产生的磁场，并经由第二信号输出模块形成电流传感器的输出信号。磁感应单元921和磁感应单元931都采用灵敏度方向向右的巨磁阻抗gmi。对于小电流检测模块93，磁感应单元931主要受到分流铜排912产生的向右磁场的影响，分流铜排911和912产生的磁场方向相同，相互叠加增大，在小电流情况下能够产生更大的磁场，因而对小电流检测精度较高。
[0116]
如图10所示，可选电流传感器还包括差分检测模块95；差分检测模块95采用大电流检测模块92中的第一磁感应单元921和小电流检测模块93中的第二磁感应单元931，以差分方式感应输入模块的磁场，并经由第三信号输出模块形成电流传感器的输出信号。由于磁感应单元921和磁感应单元931位置处的磁场存在差值，可以对两个巨磁阻抗gmi的输出电压进行差分，并经由第三信号输出模块形成电流传感器的输出信号。
[0117]
本实施例中，通过磁感应模块以非差分方式感应待测电流流过输入模块产生的差模磁场，大电流检测模块位于分流铜排911和分流铜排912之间空隙处，测量分流铜排911和
912抵消过后的磁场，通过多个分流铜排相互抵消实现大电流测量；小电流检测模块93位于分流铜排912上方，测量分流铜排911和912叠加增大的磁场。大电流检测模块3、小电流检测模块4各自采用单独的巨磁阻抗gmi通过非差分形式测量输出信号，差分检测模块95对两个巨磁阻抗gmi输出的电压进行差分，提供了三种输出选择。该电流传感器可测直流交流大电流、输入输出电气隔离、适用于各类线性工作范围的磁感应单元，构造简单，进一步缩小了体积，降低了成本。另外，可采用闭环负反馈，能够提供线性度高、抗共模干扰能力强、温度特性好、稳定可靠的高精度电流测量。
[0118]
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。