基于磁场的电流测量设备和用于基于磁场测量电流的方法与流程

1.在此描述的创新概念涉及一种基于磁场的电流测量设备，借助于该电流测量设备可以求出导体中的电流，更确切地说基于测量通过流动的电流感生的磁场。在此描述的基于磁场的电流测量设备可以求出磁场矢量的量和/或方向，并且基于此推断出相应的电流的量和/或方向。


背景技术：

2.在电气系统中，通常期望无论是出于功能原因、诊断目的或出于安全相关的方面，求出每个负载的电流。为此，存在大量不同的电流测量设备，例如电流表或不同类型的电流传感器。
3.为了测量电流，相应的电流测量设备与电导体连接，以便能够测量在同一导体中流动的电流。如果存在多个导体，则可以将电流测量设备依次地连接于各个导体，或者可以存在多个电流测量设备，电流测量设备然后连接于相应的导体。
4.虽然第一变型形式是耗时的，但第二变型形式成本更高。另一成本驱动因素是电流测量设备的质量。在许多应用、例如微电子中都需要精确测量的电流传感器。此外，经常感兴趣的是，除了电流的量之外，精确地但同时也非常快速地求出电流的方向，即电通量方向。
5.因此，期望提供一种电流测量设备，其可以借助简单的手段、即低成本地实现，并且可以优选在多个导体中同时地、快速地且精确地测量电流的量和方向。


技术实现要素：

6.这借助根据本发明的基于磁场的电流测量设备和用于基于磁场测量电流的相应的方法实现。
7.在此描述的创新的基于磁场的电流测量设备主要具有：进行至少二维测量的磁场传感器，磁场传感器安装在节点处，分别来自不同方向的第一电导体、第二电导体和第三电导体在节点处汇聚。磁场传感器被设计用于：分别确定在第一电导体、第二电导体和第三电导体中相应产生的并且在节点处相遇的磁场的量和/或方向，并且基于此推导出关于在节点处流动的各个电流的量和/或方向的信息。
8.用于基于磁场测量电流的相应的方法具有如下方法步骤：提供至少进行二维测量的磁场传感器，磁场传感器安装在节点处，分别来自不同方向的第一电导体、第二电导体和第三电导体在节点处汇聚。另一方法步骤包括：借助于磁场传感器分别求出在第一电导体、第二电导体和第三电导体中相应产生的并且在节点处相遇的磁场的量和/或方向；基于所求出的相应的磁场的量和/或方向，推导出关于在节点处流动的各个电流的量和/或方向的信息。
9.基于磁场的电流测量设备的其他实施方式和有利方面以及用于基于磁场测量电流的相应方法在下文中列举。
附图说明
10.示例性地在附图中示出一些实施例并且在下面解释。其中：
11.图1示出根据第一实施例的基于磁场的电流量测设备的示意图，
12.图2示出根据一个实施例的示意性电路中的基于磁场的电流测量设备的示意图，
13.图3a-3c示出根据一个实施例的用于求出电动马达的不同运行状态的基于磁场的电流测量设备的示意图，
14.图4示出根据一个实施例的封装件中的基于磁场的电流测量设备的示意图，
15.图5示出根据一个实施例的集成在无壳体的半导体芯片中的基于磁场的电流测量设备的示意图，和
16.图6示出根据一个实施例的方法的示意框图。
具体实施方式
17.下面参考附图更详细地描述实施例，其中具有相同或相似功能的元件设有相同的附图标记。
18.在本公开的范围内描绘或描述的方法步骤也可以以不同于所描绘或所描述的顺序执行。此外，涉及设备的特定特征的方法步骤可与设备的该特征互换，反之亦然。
19.图1示出根据在此描述的创新概念的基于磁场的电流测量设备100的示意俯视图。可见第一电导体101、第二电导体102和第三电导体103。三个导体101、102、103在节点120处汇聚。三个导体101、102、103从不同的方向被引导至节点120。此处所示的节点120处的t形连接仅是纯示例性的。原则上，来自任意不同方向的三个导体101、102、103可以在节点120处汇聚。下面将更详细地解释这方面的细节。
20.基于磁场的电流测量设备100具有进行至少二维测量的磁场传感器110。磁场传感器110在此仅示例性地以封装件130的形式示出，封装件可以具有示意性示出的连接脚141、...、146。
21.磁场传感器110安装在先前描述的节点120处。在此，磁场传感器110可以优选地安装在节点120处，使得磁场传感器110的(在此未明确示出的)传感器面与三个导体101、102、103中的至少一个导体相对置地设置。磁场传感器110可以例如安装在节点120处，使得其传感器面与节点120相对置地设置。例如，磁场传感器110可以设置在导体101、102、103上方或上面，或者可以设置在导体101、102、103下方。
22.如果电流在电导体101、102、103中流动，则电流在相应导体中引起磁场。例如，在第一导体101中流动的电流i1可以产生第一磁场，第一磁场在此纯象征性地借助于磁场矢量111示出。在第二导体102中流动的电流i2可以产生第二磁场，第二磁场在此纯象征性地借助于磁场矢量112示出。在第三导体103中流动的电流i3可以相应地产生第三磁场，第三磁场在此纯象征性借助于磁场矢量113示出。
23.在此纯象征性示出的磁场矢量111、112、113表征在相应导体101、102、103中出现的磁场的方向，其通过相应的磁场矢量111、112、113的箭头方向表示，以及在相应的导体101、102、103中出现的磁场的量通过相应的磁场矢量111、112、113的长度表示。
24.如上所述，磁场矢量111、112、113在此应被理解为纯象征性的。相应的导体101、102、103处的实际磁场分布在现实中例如根据右手法则会不同地表示。
25.然而，决定性的是磁场传感器110被设计用于：分别确定在第一、第二和第三电导体101、102、103中相应产生的并且在节点120处相遇的磁场的量和/或方向。为此，磁场传感器110可以是进行至少二维测量的磁场传感器(2d磁传感器)。磁场传感器可以执行磁场矢量测量或矢量磁场测量，即可以求出磁场的量和方向。
26.基于此，磁场传感器110可以推导出关于在节点120处流动的各个电流i1、i2、i3的量和/或方向的信息。因此，磁场传感器110可以借助于矢量磁场测量来确定在相应的导体101、102、103中流动的电流i1、i2、i3。
27.例如，磁场传感器110可以借助于在第一导体101中产生的磁场的矢量磁场测量(参见磁场矢量111)来确定在第一导体101中流动的第一电流i1。更确切地说，磁场传感器110可以确定在第一导体101中流动的第一电流i1的量和/或方向。
28.替代地或附加地，磁场传感器110可以借助于在第二导体102中产生的磁场的矢量磁场测量(参见磁场矢量112)来确定在第二导体102中流动的第二电流i2。更确切地说，磁场传感器110可以确定在第二导体102中流动的第二电流i2的量和/或方向。
29.替代地或附加地，磁场传感器110可以借助于在第三导体103中产生的磁场的矢量磁场测量(参见磁场矢量113)来确定在第三导体103中流动的第三电流i3。更确切地说，磁场传感器110可以确定在第三导体103中流动的第三电流i3的量和/或方向。
30.这同样自然也适用于可考虑的第四导体，以及适用于所有其他可考虑的、连接在公共节点120处的导体。
31.相应地，磁场传感器110可以被设计用于：基于在节点120处分别求出的磁场111、112、113的方向，分别确定第一导体101中的第一电流i1流动的方向、第二导体102中的第二电流i2流动的方向和第三导体103中的第三电流i3流动的方向。
32.替代地或附加地，磁场传感器110可以被设计用于：基于在节点120处分别求出的磁场111、112、113的量，分别确定第一导体101中的第一电流i1的量、第二导体102中的第二电流i2的量和第三导体103中的第三电流i3的量。
33.如开头已经提到的那样，磁场传感器110可以安装在节点120处。这也包括节点120周围的一定的接近区域。根据上面的讨论，磁场传感器可以例如设置在节点120处(或围绕节点120)，使得磁场传感器110的(在此未明确示出的)传感器面以足够的精度测量在节点120处汇流的磁场矢量111、112、113或电流i1、i2、i3，并且可以彼此区分。
34.这就是说，磁场传感器110可以区分到达节点120处的磁场矢量111、112、113或电流i1、i2、i3的方向。替代地或附加地，磁场传感器110可以确定相应的磁场矢量111、112、113或电流i1、i2、i3的量。
35.这具有决定性的优点。例如，磁场传感器110可以被设计用于：基于在节点120处相遇的磁场111、112、113的相应的所求出的方向和/或量，推断出与电导体101、102、103连接的电气或电子器件310的运行状态。这将在下面参考图2和图3a至图3c更详细地解释。
36.首先，为此参考图2。在此示例性示出具有三个电阻负载x1、x2、x3的并联电路。每个负载x1、x2、x3都设置在具有对应的电导体101、102、103的电流支路中。因此，第一电阻负载x1设置在第一电流支路中，第一电流支路具有电流i1在其中流动的第一电导体101。第二电阻负载x2设置在第二电流支路中，第二电流支路具有第二电流i2在其中流动的第二电导体102。第三电阻负载x3设置在第三电流支路中，第三电流支路具有第三电流i3在其中流动
的第三电导体103。
37.电导体101、102、103汇聚在公共节点120处。导体101、102、103从不同的方向延伸到节点120。
38.节点120的放大表示在图的右下方示出。在此，还可以识别出相应的电流i1、i2、i3如何在节点120处汇流。在该非限制性示例中，在第一、第二和第三电导体101、102、103中流动的电流i1、i2、i3流向节点，并在那里组合成第四导体104中的共同电流i4，该共同电流从节点120流出。在该示例中，第四电流i4根据基尔霍夫电流定律得出：i1+i2+i3＝i4。
39.在相应的导体101、...、104中，在其中流动的电流i1、i2、i3、i4分别产生磁场，这些磁场在此又纯示意性地借助相应导体101、...、104中的象征性的磁场矢量111、112、113、114示出。
40.根据在此描述的创新概念的磁场传感器110设置在节点120处。可以识别出磁场传感器110不必精确地安装在节点120的中心。例如，磁场传感器110可以稍微偏移地设置，但优选地设置成使得磁场传感器110的传感器面210以足够的精度检测在节点120处汇流的磁场矢量111、112、113、114或电流i1、i2、i3、i4，并且彼此区分。
41.在此处所示的非限制性示例中，磁场传感器110可以被设计为进而二维测量的霍尔传感器。霍尔传感器可以具有至少两个竖直的霍尔元件211、212。霍尔元件211、212可以彼此成90
°
角定向，以便相应地确定磁场矢量111、...、114的x分量以及y分量。
42.为了改进霍尔传感器110的精度，霍尔传感器可以具有另外两个竖直的霍尔元件213、214，这些霍尔元件同样彼此成90
°
角设置。如示例性地在图2中示出，四个霍尔元件211、...、214可以设置成，使得每个霍尔元件相对于其各自相邻的霍尔元件偏移90
°
。
43.如果电导体101、104同样相对于彼此偏移90
°
，则这会是特别有利的，如这在图2中示出。霍尔传感器110可以以取向为，使得各个霍尔元件211、...、214基本上垂直于相应导体101、...、214中的电流方向。参考图2，这意味着：第一导体101中的第一电流i1的电通量方向基本上垂直于第一霍尔元件211定向。这同样适用于第二、第三和第四电流i2、i3、i4相对于第二、第三和第四霍尔元件212、213、214的电通量方向。
44.替代于霍尔传感器，磁场传感器110也可以被设计为：基于磁阻效应求出磁场111、...、114的磁阻传感器。属于此的例如是：amr传感器(amr：各向异性磁阻)、gmr传感器(gmr：巨磁阻)、tmr传感器(tmr：隧道磁阻)、cmr传感器(cmr：庞磁阻)、emr传感器(emr：非凡磁阻)等等，其通常可以用术语xmr来概括。
45.替代于进行二维测量的磁场传感器(2d传感器)，磁场传感器110可以被设计为进行三维测量的磁场传感器(3d传感器)。除了平行于芯片平面定向的x和y分量之外，3d传感器还可以求出磁场矢量的垂直于芯片平面定向的z分量。
46.与磁场传感器110的具体设计方案无关，磁场传感器被设计用于：测量在节点120处相遇的磁场(参见磁场矢量111、...、114)，并且测量磁场矢量111、...、114的量和/或方向。基于此，磁场传感器110然后可以求出在相应导体101、...、104中流动的电流i1、i2、i3、i4。优选地，磁场传感器110可以确定在相应导体101、...、104中流动的电流i1、i2、i3、i4的量和/或方向。
47.在图2所示的实施例中，磁场传感器110可以例如根据所测量的磁场矢量111、...、114，确定分别在第一、第二和第三导体101、102、103中流动的电流i1、i2、i3流入节点120中，
而在第四导体104流动的电流i4流出节点。
48.在电气系统中，通常期望的是：出于功能原因、诊断目的或安全相关方面的考虑，求出每个负载的电流i1、i2、i3。在图2所示的具有三个负载x1、x2、x3的示例中，因此例如会感兴趣的是测量相应的单独电流i1、i2、i3。
49.在常规的电流测量方法中，可以在第四导体104中设置单个电流传感器，以便测量在那里流动的第四电流i4。根据上述基尔霍夫电流定律，第四电流由全部三个单独电流i1、i2、i3组成。然而，在此，会出现无法了解相应的电流i1、i2、i3对总电流i4的贡献的问题。作为补救措施，因此在常规的电流测量方法中，在每个电流支路中分别装入电流传感器，然而这在具有大量电流支路的复杂系统中很快变得非常昂贵。
50.如上所述，根据在此描述的创新概念，磁场传感器110安装在节点120处，所有电流汇聚在该节点处，并且磁场传感器被设计用于：确定在节点120处汇聚的各个电流i1、i2、i3、i4的量和/或方向。因此，单个磁场传感器110足以确定大量电流支路中的电流，只要电流在公共节点处汇聚即可。这显著降低了基于传感器的电流测量的制造成本。
51.下面参考图3a至图3c示例性地描述可考虑的应用领域。在此，示出所谓的h桥，在h桥中将大写字母“h”的形式的五个偶极子310、...、315相互连接。交叉连接330也称为桥支路。电动马达310设置在桥支路330中。各一个开关元件310、...、314设置在四个通过交叉连接330分离的电流支路331、...、334中的每一个电流支路中。开关元件310、...、314用于：根据开关状态阻止或允许在相应的电流支路331、...、334中的电通量。根据四个开关元件310、...、314中的哪一个是断开或闭合的，得到通过各个电流支路331、...、334的不同的电流路径。
52.为了维持图1中的命名法，第一导体101、第二导体102和第三导体103在公共节点120处相互连接。第一导体101在该示例中与第一开关元件311连接，第二导体102在该示例中与第二开关元件312连接，并且第三导体103在该示例中与电源320连接。
53.根据在此描述的创新概念的磁场传感器110设置在节点120处。但是，由于图中的比例关系，磁场传感器在此未详细地描绘。相关内容参考图1和图2的上述讨论。
54.在这种h桥电路中，还会非常有帮助的是：求出在桥支路330中的电构件310、在此即马达310的运行状态。根据马达310的期望的运行状态，相应地将四个开关元件311、...、314互联，使得在相应的电流支路中得到对于相应的运行状态期望的电通量方向。
55.在电动马达310可能会感兴趣的运行状态例如是驱动马达310的开启状态(马达开启)、马达制动功能起作用以及马达310产生发电机意义上的功率的制动或能量回收状态，或马达310在很大程度上在没有马达制动作用的情况下基本上空转的空转状态。
56.一个非限制性的应用示例是电致动的行李箱，例如其构建在atv(全地形车)中。马达310可以电致动行李箱以打开和关闭行李箱。但是，行李箱也可以手动致动。当然，在这种情况下，手动力将克服马达力作用，即在打开或关闭时，必须克服马达制动作用工作。这使得手动打开和关闭行李箱显著变难。
57.因此，在本应用示例中，会感兴趣的是：检测行李箱的手动致动。在这种情况下，马达310然后可以切换到空转状态，在空转状态中手动的致动力不再抵消显著的马达制动效果。类似的应用情况也在bldc马达中、即在无刷直流马达(bldc：brushless direct current)中得出。
58.如开头所述的那样，h桥电路中的马达310的运行状态取决于各个开关元件311、...、314如何连接。图3a示出马达310的开启状态(马达开启)的示例。在此，总共四个开关元件311、...、314中的两个断开并且另外两个开关元件闭合。在所示的非限制性的示例中，第二开关元件312和对角线相对置的第四开关元件314断开，而(与第二开关元件312侧向相对置的)第一开关元件311以及与第一开关元件311对角线相对置的(以及与第四开关元件314侧向相对置的)第三开关元件313闭合。
59.由此得到图3a所示的电流路径，在电流路径中电流从上部节点120'经由断开的第四开关元件314，然后经由马达310，并且最后经由断开的第二开关元件312流至下部节点120。这可以是用于实现马达310的开启状态的可考虑的开关组合。
60.根据实施方式，当然也可以考虑：替代地，第一和第三开关元件311、313断开，而第二和第四开关元件312、314闭合。根据电压源(或电流源)320的极性，也还可以考虑：电流沿与图3a中纯示意性所示相反的方向流动。相同的内容当然也适用于图3b和图3c所示的示意性的电路。
61.为了保留在图3a中所示的电路示例中，因此在马达310处于开启状态时，电流将从第二导体102流入节点120，并且从那里流入第三导体103。这在下面称为第二电通量s2或称为第二电通量方向s2。在此在相应的导体102、103中产生的磁场可以借助于安装在节点120处的磁场传感器110测量。磁场传感器110可以根据在节点120处测量的磁场或磁场矢量，并且尤其根据分别在各个导体102、103中产生的磁场的所求出的方向，来推断出上述的电通量方向s2。
62.磁场传感器110(或与磁场传感器110耦联的控制装置)可以基于在节点120处求出的电通量方向(在此：从第二导体102进入第三导体102中的第二电通量方向s2)推导出马达310的运行状态(在此：马达开启)。
63.如开头所提到的那样，可以考虑(例如，在反向电压源320中)电通量的方向是反向的。在开启状态下，然后电流将从第三导体103经由节点120流入第二导体102中，但这当然同样也由磁场传感器110所识别。
64.因此，磁场传感器110可以被设计用于：在检测节点120处探测第二导体102和第三导体103之间的电通量s2，而与电流在此实际上沿何种方向流动无关。
65.同样如前所述，在开启状态下，根据电路的实施方案，电流替代地也可以经由节点120在第一导体101和第三导体103之间流动。这在图3a中介乎于虚线示出并且在下文中称为第一电通量s1或第一电通量方向s1。电流在此也由可以根据电压源(或电流源)320的极性从第一导体101经由节点120流入第三导体103，或者从第三导体103经由节点120流入第一导体101中。
66.综上所述，磁场传感器110可以被设计用于：通过磁场传感器110在节点120处求出在第一导体101和第三导体103之间的第一电通量s1，或者通过磁场传感器110在节点120处求出在第二导体102和第三导体103之间的第二电通量s2，检测电动马达310的主动的开启运行状态。因此，电流在该情况下(开启状态)在节点120处在与电压源(或电流源)320连接的导体103和与相应开关元件311、312的连接的导体101、102之一之间流动。
67.在图3b中示出用于实现马达310的空转状态的一种可能性。在此，开关元件311、...、314以在h桥的下部分中产生电通量的方式进行开关。例如，如在此示意性示出的
那样，第一开关元件311和第二开关元件312可以断开，而第三开关元件313和第四开关元件314闭合。
68.相应地，在节点120处调节在第一导体101和第二导体102之间的电通量，电通量可以借助于磁场传感器110以本文描述的方式求出。例如，电流可以从第二导体102流入节点120中并且从节点120流入第一导体101中。磁场传感器110可以根据在节点120处测量的磁场或磁场矢量，并且尤其根据分别在各个导体101、102中产生的磁场的所求出的方向来推断上述的电通量方向。
69.磁场传感器110(或与磁场传感器110耦合的控制装置)可以基于在节点120处求出的电通量方向(在此：从第二导体102到第一导体101)推导出马达310的运行状态(这里：空转)。
70.替代地，除了在图3b中示例性示出的、节点120处的电通量方向(从第二导体102经由节点120进入第一导体101)之外，在节点120处还会产生相反定向的电通量方向(即从第一导体101经由节点120进入第二导体102中)。在该情况下，电通量也可以借助于磁场传感器110以在此描述的方式和方法来求出，并且可以由此推导出马达310的运行状态(在此：空转)。在该情况下(空转)，电流会在节点120处流在两个导体101、102之间流动，在所述导体中分别设置开关元件311、312中的一个。
71.根据实施方式，替代地可以考虑：开关元件311、...、314以电通量在h桥的上部分中得到的方式进行开关。在该情况下，例如，第一开关元件311和第二开关元件312可以闭合，而第三开关元件313和第四开关元件314断开。然后，在上部的节点120'处，以上述方式和方法发生在两个上部导体之间的电通量，该电通量然后会借助于安装在上部节点120'处的磁场传感器110被检测。
72.图3c示出用于实现马达制动运行状态或能量回收马达运行状态的一种可能性。与根据图3a的接通状态相比，在此，电通量基本上刚好相反。因此，上面所说的内容在各相反的方向上、即对于在图3c中所示的马达制动或能量回收运行状态适用。
73.在马达制动或能量回收运行状态下，(如图3c中仅示例性示出的那样)电流可以从第三导体103流入节点120并且从节点120流入第一导体101。这在下面称为第三电通量s3或第三电通量方向s3。
74.为了能够区分开启运行状态(图3a)和马达制动或能量回收运行状态(图3c)，在开启状态下，第三电通量方向s3与上述第一电通量方向s1相反。
75.在此在相应的导体101、103中产生的磁场可以以本文描述的方式和方法借助于安装在节点120处的磁场传感器110来测量。磁场传感器110可以根据在节点120处测量的磁场或磁场矢量，并且尤其根据分别在各个导体101、103中产生的磁场的所求出的方向来推断上述第三电通量方向s3。
76.磁场传感器110(或与磁场传感器110耦合的控制装置)可以基于所求出的电通量方向(在此：从第三导体103到第一导体101中的第三电通量方向s3)推导出马达310的运行状态(在此：马达制动或能量回收运行状态)。
77.如开头所提及的那样，可以考虑的是：电通量方向是相反的。在马达制动或能量回收运行状态下，电流然后会从第一导体101经由节点120流入第三导体103中，但这当然同样会由磁场传感器110识别到。
78.因此，磁场传感器110可以被设计用于：在节点120处检测在第一导体101和第三导体103之间的电通量s3，而与电流在此实际上沿哪个方向流动无关。然而，马达制动或能量回收运行状态下的电通量始终与开启运行状态下的电通量相反。这就是说，在节点120处在马达制动或能量回收运行状态中所求出的、在第一导体101和第三导体103之间的第三电通量s3总是相反于在开启运行状态下在节点120处求出的、在第一导体101和第三导体103之间的电通量s1定向。
79.同样如前所述，根据电路的实施方案，在马达制动或能量回收运行状态下，电流也可以替代地经由节点120在第二导体102和第三导体103之间流动。这在图3c中借助于虚线示出并且在下文中称为第四电通量s4或第四电通量方向s4。在此也适用的是：在马达制动或能量回收运行状态s3、s4中的电通量始终与在开启运行状态中的电通量s1、s2相反。这就是说，在节点120处在马达制动或能量回收运行状态下求出的、在第二导体102和第三导体103之间的第四电通量s4总是相反于在开启运行状态下在节点120处所求出的、在第二导体102和第三导体103之间的电通量s2定向。
80.因此，磁场传感器110可以被设计用于：通过磁场传感器110在节点120处求出在第一导体101和第三导体103之间定向的第三电通量s3，第三电通量在开启运行状态下相反于第一电通量s1定向，以检测电动马达310的马达制动或能量回收运行状态。替代地或附加地，磁场传感器110可以通过磁场传感器110在节点120处求出在第二导体102和第三导体103之间的第四电通量s4，第四电通量在开启运行状态下相反于第二电通量s2定向，以检测电动马达310的马达制动或能量回收运行状态，即。
81.为了能够更好地区分马达310的各个运行状态，有意义的是考虑电流支路。因此，如果电通量s2在开启运行状态下如图3a示例性示出的那样经由右下方的电流支路332引导(即在第二导体102和第三导体103之间的第二电通量s2)，则在马达制动或能量回收运行状态(图3c)中的电通量s3优选地经由左下方的电流路径331沿相反的电通量方向引导(即在第一导体101和第三导体103之间的第三电通量s3)。
82.反之亦然。这就是说，如果在开启运行状态(图3a)中的电通量经由左下方的电流支路331引导(即在第一导体101和第三导体103之间的第一电通量s1)，然后在马达制动或能量回收运行状态(图3c)中的电通量s4优选地经由右下方的电通量332沿相反的电通量方向引导(即第二导体102和第三导体103之间的第四电通量s4)。
83.此外，关于节点120所描述的内容同样适用于上部节点120'。同样，关于设置在节点120处的磁场传感器110所描述的内容同样适用于安装在上部节点120'处的磁场传感器110'。
84.图4和图5示出用于将基于磁场的电流测量设备100集成到现有系统环境中的有利的设计方案。
85.图4示出衬底400。在此可以是多层衬底。衬底400例如可以被设计为部件板或pcb(pcb：印刷元件板)的形式。在此，例如可以是多层pcb，也称为multilayer pcb。
86.多层pcb可以具有多层介电材料401、402、403、404，其中可以分别将引导信号的导体405、406、407设置在这些层401、402、403、404之间。引导信号的导体405、406、406也称为信号层。
87.包含上述第一、第二和第三电导体101、102、103的引导电流的导体结构441、451可
以分别设置在多层pcb 400的相对置的外表面440、450上。两个引导电流的导体结构441、451之一可以具有地电势。引导电流的导体结构441、451也称为电源层。
88.在此描述的基于磁场的电流测量设备100或磁场传感器110可以集成在封装件420中。在此，例如可以是wlb封装件或ewlb封装件(ewlb：嵌入式晶圆级球栅阵列)。基于磁场的电流测量设备100可以具有对磁场线敏感的传感器区域430。
89.衬底400可以具有凹陷部410。可以以倒装芯片安装技术将封装件420安装在凹陷部410内，使得磁场传感器110的对磁场线敏感的传感器区域430朝向第一、第二和第三电导体101、102、103。通过将封装件420和特别是磁场传感器110的对磁场线敏感的传感器区域430尽可能靠近电源层441、451之一安置，可以实现磁场传感器的更高灵敏度110。
90.图5示出另一可考虑的有利的设计方案。在此，基于磁场的电流测量设备100或磁场传感器110可以集成在芯片520中，芯片也可以设置在衬底500上。衬底500可以是陶瓷衬底，例如硅衬底。
91.衬底500可以具有一个或多个引导信号的导体结构(信号层)和/或一个或多个引导电流的导体结构551(电源层)。引导电流的导体结构551(电源层)可以具有上述的电导体101、102、103。
92.芯片520例如可以是无壳体的半导体芯片(裸芯片)。芯片520可以面朝上安装在陶瓷衬底500上，使得磁场传感器110的对磁场线敏感的传感器区域530背离陶瓷衬底500。芯片520可以借助于线键合技术的键合线540被接触。
93.芯片520可以安装在导体结构551(电源层)上，使得磁场传感器110的对磁场线敏感的传感器区域530与导体结构551和构成在其中的电导体101、102、103相对置。
94.图6示出根据一个实施例的用于基于磁场测量电流的方法600的示意框图。
95.在框601中，提供进行至少二维测量的磁场传感器110，磁场传感器安装在节点120处，分别来自不同方向的第一电导体、第二电导体和第三电导体101、102、103在节点处汇聚。
96.在框602中，借助于磁场传感器110求出在第一电导体、第二电导体和第三电导体101、102、103中相应产生的并且在节点120处相遇的磁场111、112、113的量和/或方向。
97.在框603中，基于所求出的相应的磁场111、112、113的量和/或方向，推导出关于在节点120处流动的各个电流i1、i2、i3的量和/或方向的信息。
98.综上所述，本公开包括用于2d或3d电流方向测量的系统和方法。为此，可以使用具有竖直霍尔元件的3d霍尔传感器或2d霍尔传感器。可以测量电流方向，这也可以称为定向的电流测量。例如，可以借助二维霍尔探头概念求出公共导体连接上的电流和电流方向。借助这些信息，可以确定电流和电流源。
99.在此介绍的概念可以用于广泛的不同应用，例如：
100.·
h桥
101.·
bldc马达
102.·
配电箱
103.·
具有多于一个负载的应用。
104.在此介绍的概念提供一种低成本的且性能有效的(没有附加的功率损失，如分流器中的附加的功率损失)解决方案，以便获得关于流动的电流的信息，例如出于功能原因、
诊断目的或与安全相关的方面。
105.为此，可以使用磁场传感器(例如3d或2d霍尔传感器或xmr传感器)来求出电流及其电通量方向，以便找出由哪个或哪些负载产生电流。为此，磁场传感器可以安置在金属层上，来自不同方向的不同电流在金属层上相遇。在一些在此描述的示例中，来自不同方向的三个电流可以汇聚在磁场传感器下方。可以借助于磁场传感器的测量值来求出所得出的磁场矢量。说明磁场的量和方向的磁场矢量包含关于所参与的电流的信息，前提是各个电流的值是可测量的或值得注意的。
106.为此的应用示例是用于电动马达应用的h桥电路。借助仅一个磁场传感器即可测量各个电流，并基于此求出马达运行状态。这对马达控制、诊断和安全是感兴趣的，但也有助于了解马达制动状态何时结束。为此的非限制性示例是atv行李箱，为此通常使用直流马达。行李箱应该借助于马达打开和关闭。但是，附加地，行李箱也可以简单地由人通过肌肉力来打开和关闭。为此，期望识别出行李箱或马达是否手动操作，以便从开启状态或制动状态切换到空转状态，以便实现简单的打开或关闭。
107.上述实施例仅说明此处所描述的创新概念的原理。应当理解，其他本领域技术人员可以对此处所描述的布置和细节进行修改和改变。因此旨在通过所附的权利要求的保护范围限定所描述的概念，而不是通过根据说明书和解释的实施例所呈现的具体细节来限定所描述的概念。
108.虽然一些方面已经在设备的上下文中进行了描述，应该理解，所述方面也是相应方法的描述，使得设备的块或器件也可以理解为相应的方法步骤或方法步骤的特征。类似于此，在方法步骤的上下文中或作为方法步骤描述的方面也为对相应的设备的相应的块或细节或特征的描述。
109.一些或所有的方法步骤可以通过(或使用)硬件设备、例如微处理器、可编程计算机或电子电路来执行。在一些实施例中，一些或多个主要的方法步骤可以通过这种设备执行。
110.根据特定的实施要求，实施例可以以硬件或软件或至少部分地以硬件或至少部分地以软件来实施。可以使用诸如软盘、dvd、蓝光光盘、cd、rom、prom、eprom、eeprom或flash存储器、硬盘或其他磁或光存储器的数字存储介质来执行，存储在电子可读的控制信号上，控制信号与可编程计算机系统协作或可以与其协作，使得执行相应的方法。因此，数字存储介质可以是计算机可读的。
111.因此，一些实施例包括具有电子可读控制信号的数据载体，控制信号能够与可编程的计算机系统协作，使得执行在此描述的方法之一。
112.通常，实施例可以被实施为具有程序代码的计算机程序产品，其中当计算机程序产品在计算机上运行时，程序代码有效地执行方法之一。
113.例如，程序代码也可以存储在机器可读的载体上。
114.其他实施例包括用于执行在此描述的方法的计算机程序，其中计算机程序存储在机器可读的载体上。换言之，在此描述的方法的实施例是计算机程序，计算机程序具有用于当计算机程序在计算机上运行时执行在此描述的方法之一的程序代码。
115.在此描述的方法的另一实施例是数据载体(或数字存储介质或计算机可读介质)，在数据载体上记录用于执行在此描述的方法之一的计算机程序。数据载体或数字存储介质
或计算机可读介质通常是有形的和/或非易失性的。
116.在此描述的方法的另一实施例是为用于执行在此描述的方法之一的计算机程序的数据流或信号序列。数据流或信号序列可以例如被配置为，经由数据通信连接，例如经由因特网传输。
117.另一实施例包括处理装置，例如计算机或可编程逻辑器件，其被配置为或适于执行在此描述的方法之一。
118.另一实施例包括计算机，在计算机上安装用于执行在此描述的方法之一的计算机程序。
119.另一实施例包括一种设备或系统，该设备或系统被设计用于将用于执行在此描述的方法中的至少一个的计算机程序传输给接收方。例如，传输可以电子方式或光学方式进行。例如，接收方可以是计算机、移动设备、存储设备或类似的设备。该设备或系统例如可以包括用于将计算机程序传递至接收方的文件服务器。
120.在一些实施例中，可编程逻辑设备(例如，现场可编程门阵列，fpga)可以用于执行在此描述的方法的一些或全部功能。在一些实施例中，现场可编程门阵列可以与微处理器协作，以执行在此描述的方法。通常，在一些实施例中，该方法在任意的硬件设备方面执行。硬件设备可以是通用的硬件，例如计算机处理器(cpu)，也可以是对于该方法特定的硬件，例如asic。

技术特征：
1.一种基于磁场的电流测量设备(100)，具有：进行至少二维测量的磁场传感器(110)，所述磁场传感器安装在节点(120)处，分别来自不同方向的第一电导体、第二电导体和第三电导体(101，102，103)在所述节点处汇聚，其中所述磁场传感器(110)被设计用于：分别确定在所述第一电导体、所述第二电导体和所述第三电导体(101，102，103)中相应产生的并且在所述节点(120)处相遇的磁场(111，112，113)的量和/或方向，并且基于此推导出关于在所述节点(120)处流动的各个电流(i1，i2，i3)的量和/或方向的信息。2.根据权利要求1所述的基于磁场的电流测量设备(100)，其中所述磁场传感器(110)被设计用于：基于在所述节点(120)处分别求出的所述磁场(111，112，113)的方向，分别确定所述第一导体(101)中的第一电流(i1)流动的方向、所述第二导体(102)中的第二电流(i2)流动的方向和所述第三导体(103)中的第三电流(i3)流动的方向。3.根据权利要求1或2所述的基于磁场的电流测量设备(100)，其中所述磁场传感器(110)被设计用于：基于在所述节点(120)处分别求出的磁场(111，112，113)的量，分别确定所述第一导体(101)中的第一电流(i1)的量、所述第二导体(102)中的第二电流(i2)的量和所述第三导体(103)中的第三电流(i3)的量。4.根据前述权利要求中任一项所述的基于磁场的电流测量设备(100)，其中所述磁场传感器(110)被设计用于：基于在所述节点(120)处相遇的所述磁场(111，112，113)的相应的所求出的方向和/或量，推断出与所述电导体(101，102，103)连接的电气或电子器件(310)的运行状态。5.根据前述权利要求中任一项所述的基于磁场的电流测量设备(100)，还具有电动马达(310)以及四个开关元件(311，312，313，314)，所述四个开关元件与所述电动马达(310)彼此互连成h桥电路，其中所述第一导体(101)与第一开关元件(311)连接，其中所述第二导体(102)与第二开关元件(312)连接，并且其中所述第三导体(103)与电源(320)连接。6.根据权利要求5所述的基于磁场的电流测量设备(100)，其中所述磁场传感器(110)被设计用于：通过所述磁场传感器(110)在所述节点(120)处求出在所述第一导体(101)和所述第三导体(103)之间的第一电通量(s1)，或者通过所述磁场传感器(110)在所述节点(120)处求出在所述第二导体(102)和所述第三导体(103)之间的第二电通量(s2)，检测所述电动马达(310)的主动的开启运行状态。7.根据权利要求6所述的基于磁场的电流测量设备(100)，其中所述磁场传感器(110)被设计用于：通过所述磁场传感器(110)在所述节点(120)处求出在所述第一导体(101)和所述第三导体(103)之间的第三电通量(s3)，所述第三电通量在所述开启运行状态下相反于所述第一电通量(s1)定向，或者
通过所述磁场传感器(110)在所述节点(120)处求出在所述第二导体(102)和所述第三导体(103)之间的第四电通量(s4)，所述第四电通量在所述开启运行状态下相反于所述第二电通量(s2)定向，检测所述电动马达(310)的马达制动运行状态或能量回收运行状态。8.根据权利要求5至7中任一项所述的基于磁场的电流测量设备(100)，其中所述磁场传感器(110)被设计用于：通过所述磁场传感器(110)在所述节点(120)处求出在所述第一导体(101)和所述第二导体(102)之间的电通量，检测所述电动马达(310)的空转运行状态。9.根据前述权利要求中任一项所述的基于磁场的电流测量设备(100)，还具有第四电导体(104)，所述第四电导体从不同的第四方向与公共的所述节点(120)耦合。10.根据权利要求9所述的基于磁场的电流测量设备(100)，其中所述第一电导体、所述第二电导体、所述第三电导体和所述第四电导体(101，102，103，104)在所述节点(120)处汇聚，使得在两个相邻的电导体之间分别存在90
°
的偏移。11.根据前述权利要求中任一项所述的基于磁场的电流测量设备(100)，其中所述磁场传感器(110)被设计为霍尔传感器，所述霍尔传感器具有两个彼此偏移90
°
角设置的竖直的霍尔元件(211，212)。12.根据权利要求11所述的基于磁场的电流测量设备(100)，其中所述霍尔传感器(110)具有四个分别彼此偏移90
°
角设置的竖直的霍尔元件(211，212，213，214)。13.根据权利要求1至10中任一项所述的基于磁场的电流测量设备(100)，其中所述磁场传感器(110)被设计为磁阻传感器。14.根据前述权利要求中任一项所述的基于磁场的电流测量设备(100)，其中所述磁场传感器(110)被设计为进行三维测量的磁场传感器。15.根据前述权利要求中任一项所述的基于磁场的电流测量设备(100)，其中所述磁场传感器(110)集成在芯片(520)中，所述芯片设置在陶瓷衬底(500)上，其中所述电导体(101，102，103)以所述陶瓷衬底(500)上的引导电流的导体结构(551)的形式设计，并且其中所述芯片(520)安装在所述导体结构(551)上，使得所述磁场传感器(110)的对磁场线敏感的传感器区域(530)与所述电导体(101，102，103)相对置。16.根据权利要求1至14中任一项所述的基于磁场的电流测量设备(100)，其中所述磁场传感器(110)集成在封装件(420)中，所述封装件(420)设置在多层pcb(400)的凹陷部(410)中，其中所述多层pcb(400)具有多个介电材料层(401，402，403，404)，其中引导信号的导体结构(405，406，407)分别设置在这些层(401，402，403，404)之间，并且其中在所述多层pcb(400)的彼此相对置的外表面(440，450)上分别设置一个或多个引导电流的导体结构(441，451)，所述引导电流的导体结构包含所述第一电导体、所述第二电导体和所述第三电导体(101，102，103)，
其中所述封装件(420)以倒装芯片安装技术安装在所述凹陷部(410)内，使得所述磁场传感器(110)的对磁场线敏感的传感器区域(430)朝向所述第一电导体、所述第二电导体和所述第三电导体(101，102，103)。17.一种用于基于磁场测量电流(i1，i2，i3)的方法(600)，其中所述方法(600)具有以下步骤：提供(601)至少进行二维测量的磁场传感器(110)，所述磁场传感器安装在节点(120)处，分别来自不同方向的第一电导体、第二电导体和第三电导体(101，102，103)在所述节点处汇聚，借助于所述磁场传感器(110)分别求出(602)在所述第一电导体、所述第二电导体和所述第三电导体(101，102，103)中相应产生的并且在所述节点(120)处相遇的磁场(111，112，113)的量和/或方向，并且基于所求出的相应的所述磁场(111，112，113)的量和/或方向，推导出关于在所述节点(120)处流动的各个电流(i1，i2，i3)的量和/或方向的信息。18.一种计算机程序，具有程序代码，当程序在计算机上运行时，用于执行根据权利要求17所述的方法。

技术总结
本发明涉及一种基于磁场的电流测量设备(100)。电流测量设备具有：进行至少二维测量的磁场传感器(110)，磁场传感器安装在节点(120)处，分别来自不同方向的第一电导体、第二电导体和第三电导体(101，102，103)在节点处汇聚。磁场传感器(110)被设计用于：分别确定在第一电导体、第二电导体和第三电导体(101，102，103)中相应产生的并且在节点(120)处相遇的磁场的量和/或方向，并且基于此推导出关于在节点(120)处流动的各个电流(I1，I2，I3)的量和/或方向的信息。本发明还涉及一种用于借助基于磁场的电流测量设备(100)以基于磁场的方式测量电流的方法(600)。电流的方法(600)。电流的方法(600)。


技术研发人员：S
受保护的技术使用者：英飞凌科技股份有限公司
技术研发日：2023.03.23
技术公布日：2023/9/26