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1、(10)申请公布号 CN 102057279 A (43)申请公布日 2011.05.11 CN 102057279 A *CN102057279A* (21)申请号 200980121123.8 (22)申请日 2009.04.08 08103446.4 2008.04.08 EP G01R 15/18(2006.01) G01R 33/07(2006.01) (71)申请人 洛桑联邦综合工科学校 地址 瑞士洛桑 (72)发明人 拉迪沃耶波波维奇 米里亚娜巴涅维奇 (74)专利代理机构 北京集佳知识产权代理有限 公司 11227 代理人 李春晖 李德山 (54) 发明名称 测量磁场在平面中的。
2、方向的磁场传感器和电 流传感器 (57) 摘要 一种用于测量磁场在平面中的方向的磁场传 感器， 包括可以作为旋转的霍尔元件来操作的两 个感测结构 (1A ； 1B)。沿相反的方向以离散的步 进来旋转这两个霍尔元件。可以使用这样的磁场 传感器作为用于测量流过导体 (15) 的初级电流 的电流传感器。 (30)优先权数据 (85)PCT申请进入国家阶段日 2010.12.06 (86)PCT申请的申请数据 PCT/EP2009/054225 2009.04.08 (87)PCT申请的公布数据 WO2009/124969 EN 2009.10.15 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家。
3、知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 8 页 附图 6 页 CN 102057286 A1/2 页 2 1. 一种用于测量磁场在平面中的方向的磁场传感器， 包括 ： 第一感测结构和第二感测结构， 各感测结构包括 ： 环形电传导井 (2)， 和 预定数目为N的至少8个等规格接触器(3)， 所述接触器(3)沿着所述环形井(2)彼此 等间距地放置并且接触所述环形井 (2)， 以及 电子电路， 包括 ： 至少一个电流源 (4)， 用于处理第一霍尔电压的第一处理块 (9A)， 用于处理第二霍尔电压的第二处理块 (9B) 以及具有第一和第二输入的异或门 (12)， 各处理块 (9A。
4、 ； 9B) 包括电压差放大器 (5A ； 5B)， 带通滤波器 (10A ； 10B) 和比较器 (11A ； 11B)， 其中所述第一和第二处理块 (9A ； 9B) 的 输出直接地或者间接地耦接至所述异或门 (12) 的所述第一或者第二输入， 切换块 (6)， 包括与所述第一感测结构 (1A) 的所述接触器 (3) 关联的第一组电子开关 和与所述第二感测结构 (1B) 的所述接触器 (3) 关联的第二组电子开关， 定时电路 (7)， 提供用于根据预定时间方案来断开和接通所述切换块 (6A) 和 (6B) 的 所述开关的时钟信号， 从而所述第一感测结构(1A)的所述多个接触器(3)中的预定。
5、数目的 接触器 (3) 形成按照每圈预定次数的步进的方式沿着所述第一感测结构 (1A) 的所述环形 井 (2) 按顺时针方向移动的第一霍尔元件， 而所述第二感测结构 (1B) 的所述多个接触器 (3) 中的预定数目的接触器 (3) 形成按照每圈相同的预定次数的步进的方式沿着所述第二 感测结构(1B)的所述环形井(2)按逆时针方向移动的第二霍尔元件， 其中从所述至少一个 电流源 (4) 向所述第一和第二霍尔元件供应电流， 并且所述第一和第二霍尔元件各自向所 述处理块 (9A ； 9B) 递送至少一个霍尔电压。 2. 根据权利要求 1 所述的磁场传感器， 其特征在于 ： 所述接触器的数目 N 为 。
6、8， 所述第一切换块 (6A) 适合于接通和断开所述第一组电子开关， 从而在每次步进中所 述第一感测结构 (1A) 的所有 8 个接触器 (3) 连接至所述至少一个电流源 (4)， 或者直接地 或间接地连接至所述处理块 (9A ； 9B) 之一， 并且 所述第二切换块 (6B) 适合于接通和断开所述第二组电子开关， 从而在每次步进中所 述第二感测结构 (1B) 的所有 8 个接触器 (3) 连接到所述至少一个电流源 (4)， 或者直接地 或间接地连接至所述处理块 (9A ； 9B) 之一。 3. 根据权利要求 2 所述的磁场传感器， 其特征在于， 所述切换块 (6A ； 6B) 被配置成在 由。
7、 8 次步进构成的圈中使所述第一霍尔元件和所述第二霍尔元件沿着它们的各自的环形 井移动。 4. 根据权利要求 2 所述的磁场传感器， 其特征在于， 所述切换块 (6A ； 6B) 被配置成在 由 4 次步进构成的圈中使所述第一霍尔元件和所述第二霍尔元件沿着它们各自的环形井 移动。 5. 根据权利要求 3 或者 4 所述的磁场传感器， 其特征在于， 每次步进包括数目为 2 或 者 4 的子步进， 其中根据自旋电流方法来交换用于馈送电流的所述接触器和用于测量各个 霍尔电压的所述接触器。 6. 根据权利要求 1 至 5 中的任一项所述的磁场传感器， 还包括至少为一个的另外的切 权 利 要 求 书 C。
8、N 102057279 A CN 102057286 A2/2 页 3 换块 (13 ； 14)， 用于交替地交换所述第一和第二处理块 (9A ； 9B)。 7.一种用于测量流过导体(15)的初级电流的电流传感器， 包括根据权利要求1至6中 任意一项所述的磁场传感器， 线圈(17)和向所述线圈(17)馈送基准电流的电流源(18)， 其 中， 所述线圈 (17) 的绕组参照所述初级电流的方向被定向， 使得由所述初级电流生成的初 级磁场和由所述基准电流生成的基准磁场形成非零的角度 ， 所述电流传感器还包括 ： 耦 接至所述异或门 (12) 的输出的电子电路， 所述电子电路生成与所述初级电流成比例的。
9、输 出信号。 8. 根据权利要求 7 所述的电流传感器， 其特征在于， 所述电子电路包括 ： 积分器 (20)， 配置成生成与正切函数成比例的输出信号， 所述积分器 (20) 包括运算放大器 (24)， 数目为 M 个的开关 (1至 M) 和电阻器 (R1至 RM)， 以及电容器 (C1)， 其中， 所述数目为 M 个的开关 (1至 M) 和电阻器 (R1至 RM) 被布置成串联布置的一个开关和一个电阻器的并联集， 其 中所述开关的一个端子连接到所述电压源 (23)， 而所述电阻器的一个端子连接到所述运算 放大器 (24) 的输入。 9.根据权利要求7或者8所述的电流传感器， 其特征在于， 所。
10、述角度近似等于90， 并且其中在每次步进中应用所述放大器(5A ； 5B)的各自的放大因子和/或流过所述霍尔元 件的各自的电流。 10. 根据权利要求 9 所述的电流传感器， 其中所述第一感测结构 (1A) 的接触器 (3) 数 目为 8， 所述第二感测结构 (1B) 的所述接触器 (3) 数目为 8， 并且其中每圈的预定的步进次 数为 4。 权 利 要 求 书 CN 102057279 A CN 102057286 A1/8 页 4 测量磁场在平面中的方向的磁场传感器和电流传感器 技术领域 0001 本发明涉及一种测量磁场在平面中的方向的磁场传感器和一种具有这样的磁场 传感器的电流传感器。 。
11、背景技术 0002 本发明的测量原理一方面基于对称为初级电流的待测量电流所产生的磁场的测 量， 并且另一方面基于对流过线圈的次级电流所产生的辅助磁场的测量。电流传感器因此 包括磁场传感器 ( 如例如霍尔器件、 磁门传感器或者 AMR 或 GMR 传感器等的磁阻传感器 )。 在现有技术中， 待测量电流产生的磁场和流过线圈的初级电流产生的辅助磁场在相同方向 上传播， 并且磁传感器是灵敏轴与这一方向共线的单轴传感器。现有技术主要将这一测量 原理区分为两种不同实施方式。就称为开环型的第一实施方式而言， 辅助磁场用来校准磁 场传感器。这种实施方式的弊端在于辅助磁场的值低， 辅助磁场在与初级电流的磁场相同。
12、 的方向上传播， 这使得难以在包括初级电流的磁场和辅助磁场这两者的信号中有选择地测 量辅助磁场的值。就称为闭环型的第二实施方式而言， 辅助磁场用来补偿待测量电流产生 的磁场。 该第二方式的优点在于电流传感器的输出信号并不依赖于磁场传感器的特性而弊 端在于辅助磁场必须与初级电流产生的磁场等规格。从 JP2001136921 中已知一种无磁轭 的闭环电流传感器， 其中包含关于所测量磁场的信息的电信号被包含有关于基准场的信息 的电信号抵消， 该基准磁场由流过基准线圈的电流产生。 发明内容 0003 本发明的目的在于开发一种没有上述弊端的电流传感器。 0004 在下文中， 术语 “初级电流” 和 “初。
13、级磁场” 用来表示待测量电流产生的磁场， 而术 语 “基准电流” 和 “基准磁场” 用来表示辅助磁场和经过线圈流动以产生辅助磁场的电流。 初级磁场和基准磁场合计为总磁场。本发明提出以不同方向对准基准磁场 ( 优选为与初级 磁场垂直对准 ) 并且使用如下磁场传感器， 该磁场传感器分别测量总磁场的方向或者总磁 场与由基准磁场所限定的方向形成的角度。磁场传感器递送一个输出信号。电流传感器还 包括用于操作磁场传感器并且用于生成基准磁场的电子电路 ( 优选为用于在所谓闭环中 操作 )。 0005 磁场传感器被设计用于测量磁场在平面中的方向并且包括 ： 0006 第一感测结构和第二感测结构， 各感测结构包。
14、括 ： 0007 环形电传导井， 和 0008 预定数目为 N 的至少 8 个等规格接触器， 所述接触器沿着环形井彼此等间距地放 置并且接触环形井， 以及 0009 电子电路， 包括 ： 0010 至少一个电流源， 0011 用于处理第一霍尔电压的第一处理块， 用于处理第二霍尔电压的第二处理块以及 说 明 书 CN 102057279 A CN 102057286 A2/8 页 5 具有第一和第二输入的异或门， 各处理块包括电压差放大器， 带通滤波器和比较器， 其中第 一和第二处理块的输出直接地或者间接地耦接至异或门的第一或者第二输入， 0012 切换块， 包括与第一感测结构的接触器关联的第一。
15、组电子开关和与第二感测结构 的接触器关联的第二组电子开关， 0013 定时电路， 提供用于根据预定时间方案来断开和接通切换块的开关的时钟信号， 从而第一感测结构的多个接触器中的预定数目的接触器形成按照每圈预定次数的步进的 方式沿着第一感测结构的环形井按顺时针方向移动的第一霍尔元件， 而第二感测结构的多 个接触器中的预定数目的接触器形成按照每圈相同的预定次数的步进的方式沿着第二感 测结构的环形井按逆时针方向移动的第二霍尔元件， 其中从所述至少一个电流源向第一和 第二霍尔元件供应电流， 并且第一和第二霍尔元件各自向处理块递送至少一个霍尔电压。 0014 优选地， 接触器数目 N 为 8， 并且第一。
16、切换块适合于接通和断开第一组电子开关， 从而在每次步进中第一感测结构的所有 8 个接触器连接到至少一个电流源， 或者直接地或 间接地连接至处理块之一， 而第二切换块适合于接通和断开第二组电子开关， 从而在每次 步进中第二感测结构的所有 8 个接触器连接到至少一个电流源， 或者直接地或间接地连接 至处理块之一。 0015 切换块优选地被配置成在由8次步进构成的圈中或者在由4次步进构成的圈中使 第一霍尔元件和第二霍尔元件沿着它们各自的环形井移动。 0016 优选地， 每次步进包括数目为2或者4的子步进， 其中根据所谓的自旋电流方法来 交换用于馈送电流的接触器和用于测量各个霍尔电压的接触器。 001。
17、7 优选地， 提供用于交替地交换第一和第二处理块的至少为一个的另外的切换块。 0018 一种用于测量流过导体的初级电流的电流传感器可以由这样的磁场传感器、 线圈 和向线圈馈送基准电流的电流源形成。线圈的绕组参照初级电流的方向被定向， 使得由初 级电流生成的初级磁场和由基准电流生成的基准磁场形成非零的角度。 该电流传感器还 包括 ： 耦接至磁场传感器的异或门的输出的电子电路， 所述电子电路生成与初级电流成比 例的输出信号。 0019 这一电子电路可以例如是模拟电路， 该模拟电路包括 ： 积分器， 配置成生成与正切 函数成比例的输出信号， 该积分器包括运算放大器、 数目为 M 个的开关和电阻器， 。
18、以及电容 器， 其中 M 个开关和电阻器被布置成串联布置的一个开关和一个电阻器的并联集， 其中开 关的一个端子连接到电压源而电阻器的一个端子连接到运算放大器的输入。 0020 就第一感测结构的接触器数目为 8， 第二感测结构的接触器数目为 8 并且进行操 作使得在 4 次步进中的每一阶段使霍尔元件完备， 而且在每次步进具有放大器的各自的放 大因子和 / 或流过霍尔元件的各自的电流的磁场传感器而言， 即使基准磁场与初级磁场相 比较小也能够实现高精确度。 附图说明 0021 包括在本说明书中并且构成本说明书一部分的附图图示了本发明的一个或者多 个实施例， 并且与具体实施方式一起用于说明本发明的原理。
19、和实施方式。 附图未按照比例。 在附图中 ： 0022 图 1 和图 2 示出了在不同操作条件下可作为移动霍尔元件操作的平面感测结构， 说 明 书 CN 102057279 A CN 102057286 A3/8 页 6 0023 图 3 示出了霍尔电压图， 0024 图 4 示出了包括两个感测结构的角度传感器的框图， 0025 图 5 示出了不同电压图， 0026 图 6 示出了又一角度传感器的框图， 0027 图 7 示出了用于电流测量的组件组合， 0028 图 8 示出了用于生成正切函数的模拟电路， 并且 0029 图 9 示出了在某些操作条件下的平面感测结构。 具体实施方式 0030 。
20、图1示出了平面感测结构1， 该结构包括环形电传导井2以及数目为N的至少8个 等规格接触器 3， 这些接触器沿着环形井 2 彼此等间距地放置并且接触环形井 2。环形井 2 具有第一传导类型并且嵌入于第二传导类型的井或者基板中。感测结构 1 位于轴由 x 和 y 表示的平面中。从国际专利申请 WO 2008145662 已知将这样的感测结构 1 及其操作作为移 动霍尔元件。就一个优选实施例而言， 如图 1 中所示， 接触器 3 的数目为 N 8。8 个接触 器 3 记为 C1至 C8。在这一实施例中， 8 个接触器 3如从环形井 2 的中心看去在角 度上移位 45。 0031 尽管接触器 3 的数。
21、目 N 很小， 但由于向第一和第五接触器供应电流而从第三接触 器释放电流， 并且由于测量在第二与第四接触器之间产生的霍尔电压 UH1，因此组合彼此相 邻放置的五个接触器、 即第 1、 第 2、 第 3、 第 4 和第 5 接触器以形成竖直霍尔元件。然后按顺 时针方向或者按逆时针方向沿着环形阱 2 步进地移动这样形成的竖直霍尔元件。用于完成 一圈的步进数目等于接触器 3 的数目 N。因而当在顺时针方向上移动时， 在第一步进中， 记 为C1至C5的接触器形成竖直霍尔元件， 在第二步进中， 记为C2至C6的接触器形成竖直霍尔 元件， 其余类似。 为此， 提供优选为直流电流源的电流源4、 优选为差动差。
22、值放大器的电压差 放大器5、 包括与接触器3关联的多个电子开关的切换块6和提供用于控制切换块的开关的 时钟信号的定时电路7。 如果应用如下面所说明的自旋电流方法， 则如在各步进或各子步进 中所要求的， 根据预定的时间方案来接通和断开切换块 6 的开关以将竖直霍尔元件的 5 个 相邻接触器连接到电流源 4 和电压差放大器 5。 0032 接触器 3 的数目 N 8 允许另一更高效操作模式。如图 1 中可见， 第 1 和第 5 接 触器总是彼此相对地布置。因此， 第 5、 第 6、 第 7、 第 8 和第 1 接触器可以组合成第 2 竖直 霍尔元件。可以看出， 第 1 和第 5 接触器属于两个竖直。
23、霍尔元件。在这种情况下， 向第 1 和 第 5 接触器供应电流而从第 3 和第 7 接触器释放电流， 并且感测在第 2 与第 4 接触器之间 出现的第 1 霍尔电压 UH1和在第 8 与第 6 接触器之间出现的第 2 霍尔电压 UH2。先向电压差 放大器馈送两个霍尔电压 UH1和 UH2中的每个霍尔电压， 然后在求和结中将它们相加。因而 当在第 1 步进中在顺时针方向上移动时， 记为 C1至 C5的接触器形成第 1 竖直霍尔元件， 而 记为 C5至 C8和 C1的接触器形成第 2 霍尔元件， 在第 2 步进中， 记为 C2至 C6的接触器形成 第 1 竖直霍尔元件， 而记为 C6至 C8、 C。
24、1和 C2的接触器形成第 2 霍尔元件， 其余类似。 0033 第 1 和第 2 竖直霍尔元件共享一些电流接触器。因此， 感测结构 1 的 8 个接触器 3 可以视为形成被供应电流并且在操作期间以 N 次步进的方式旋转的一个单个霍尔元件， 其 中每个接触器或者连接至电流源或者连接至放大器。 这一霍尔元件递送具有相同量值 说 明 书 CN 102057279 A CN 102057286 A4/8 页 7 除了测量误差和制造容差之外的两个霍尔电压 UH1和 UH2。因此， 这两个霍尔电压 UH1和 UH2可以由两个电压差放大器处理， 并且可以在求和结中将它们的输出相加以递送准备进行 进一步处理的。
25、单个处理过的霍尔电压 UH。 0034 为了减少一个或者多个霍尔元件的偏差， 优选地应用公知的自旋电流方法。这意 味着将每次步进划分成2个或者4个子步进， 在这些子步进中交换电流和电压接触器。 图1 示出了第 1 步进的第 1 子步进的切换配置， 而图 2 示出了第 1 步进的第 2 子步进的切换配 置。在该第 2 子步进中， 向记为 C2 和 C8 的接触器供应电流而从接触器 C4和 C6释放电流， 在接触器 C3和短路接触器 C1与 C5之间测量第 1 霍尔电压， 而在接触器 C7和短路接触器 C1 与 C5之间测量第 2 霍尔电压。如果子步进数目为 4， 则在子步进 3 中电流在反方向上。
26、流动 并且关于子步进 1 交换电压接触器， 而在子步进 4 中电流在反方向上流动并且关于子步进 2 交换电压接触器。因而用于旋转霍尔元件的步进数目仍为 N 8， 但是切换循环总数为 2 8 16 或者 2 4 32。 0035 图 3 示出了如果施加指向 x 方向的磁场， 则在一个完整圈的期间， 在 N 8 次步进 中的每次步进出现的霍尔电压 UH。霍尔电压 UH是阶跃余弦波 ( 余弦波的近似 )。类似地， 如果施加的磁场指向 y 方向， 则霍尔电压 UH是阶跃正弦波。最终， 任何平面内磁场引起的 霍尔电压 UH是阶跃正弦波和阶跃余弦波的线性组合。 0036 图 1 的感测结构 1 可以与电子。
27、电路组合以形成角度传感器， 其中角度传感器递送 与由位于 xy 平面的磁场和 x 轴所形成的角度 成比例的输出信号。角度传感器因此是 用于测量磁场在平面中的方向的磁场传感器。在一个优选实施例中， 角度传感器包括两个 感测结构 1A 和 1B， 其中第一感测结构 1A 作为在顺时针方向上移动的霍尔元件来操作而第 二感测结构 1B 作为在逆时针方向上移动的霍尔元件来操作。图 4 示出了具有完整电子电 路的这样的角度传感器 8 的框图。角度传感器 8 实质上包括第 1 感测结构 1A、 第 1 切换块 6A、 第一处理块 9A( 包括第 1 电压差放大器 5A、 第 1 带通滤波器 10A 和第 1。
28、 比较器 11A)、 第 2 感测结构 1B、 第 2 切换块 6B、 第 2 处理块 9B( 包括第 2 电压差放大器 5B、 第 2 带通滤波器 10B 和第 2 比较器 11B)、 定时电路 7、 第 1 电流源 4A 和第 2 电流源 4B。在各感测结构 1A 和 1B 递送两个霍尔电压 UH1和 UH2时， 第 1 和第 2 电压差放大器 5A 和 5B 被配置成处理两个霍 尔电压UH1和UH2并且提供与它们之和成比例的输出信号。 向具有两个输入和一个输出的异 或门 12 馈送两个处理块 9A 和 9B 的输出信号。异或门 12 递送作为脉宽调制 (PWM) 信号的 输出信号。 00。
29、37 第 1 切换块 6A 包括与第 1 感测结构 1A 的接触器 3 关联的第 1 组电子开关， 而第 2 切换块 6B 包括与第 2 感测结构 1B 的接触器 3 关联的第 2 组电子开关。定时电路 7 提供 用于根据预定时间方案来接通和断开切换块 6A 和 6B 的开关的时钟信号， 从而感测结构 1A 和 1B 的 8 个接触器 3 如上文所述连接到恒流源 4A 和 4B 或者处理块 9A 和 9B 以便沿着第 1 感测结构 1A 的环形井 2 在顺时针方向上移动第 1 霍尔元件， 而沿着第 2 感测结构 1B 的环 形井 2 在逆时针方向上移动第 2 霍尔元件。各霍尔元件递送在第 1 。
30、或者第 2 处理块 9A 或 者 9B 的各自的电压差放大器 5A 或者 5B 中被处理并且相加成求和霍尔电压 UH的两个霍尔 电压 UH1和 UH2。可以从单个电流源或者如图所示从不同电流源 4A 和 4B 向霍尔元件供应电 流。 0038 图 5 示出了随时间 t 在处理块 9A 和 9B 内以及在异或门 12 的输出出现的不同电 说 明 书 CN 102057279 A CN 102057286 A5/8 页 8 压 V1至 V7。这些电压是 ： 0039 V1在第 1 电压差放大器 5A 的输出出现的电压， 0040 V2在第 1 带通滤波器 10A 的输出出现的电压， 0041 V3。
31、在第 1 比较器 11A 的输出出现的电压， 0042 V4在第 2 电压差放大器 5B 的输出出现的电压， 0043 V5在第 2 带通滤波器 10B 的输出出现的电压， 0044 V6在第 2 比较器 11B 的输出出现的电压， 0045 V7在异或门 12 的输出出现的电压。 0046 电压 V2和 V5给定如下 ： 0047 V2 A1 S1 B IH1 cos(2 f t-)， 0048 V5 A2 S2 B IH2 cos(2 f t+)， 0049 V7宽度为 /( f) 的矩形脉冲 0050 其中分别地， 表示 xy- 平面中的磁场与 x 轴形成的角度， f 表示频率霍尔元件 。
32、的每单位时间的转数， A1和 A2表示放大器 5A 和 5B 的放大因子 ( 增益 )， S1和 S2表示感测 结构 1A 和 1B 的灵敏度， 而 IH1和 IH2表示流过感测结构 1A 和 1B 的电流。优选地匹配处理 块 9A 和 9B 以使得具有 A1 A2。灵敏度相同 S1 S2。这一优选角度传感器 8 具有的优点 在于在异或门 12 的输出出现的脉冲独立于放大器 5A 和 5B 的增益和温度漂移。 0051 23 处理块 9A 和 9B 可以各自引入一定的延迟， 从而在比较器 11A 和 11B 的输出 出现的脉冲在时间上略微地偏差。如果处理块 9A 和 9B 匹配并且分别具有延迟。
33、和则 电压 V2和 V5为 ： 0052 0053 0054 并且如果则脉冲的宽度/(f)独立于延迟。 为了使得具确 优选定期地交换两个处理块 9A 和 9B( 例如在霍尔元件的每个完整圈之后 )。图 6 示出 了角度传感器8， 该角度传感器8具有位于处理块9A和9B之前的至少一个另外的切换块13 或者位于处理块 9A 和 9B 之前和之后的两个另外的切换块 13 和 14。切换块 13 和 14 定期 交换处理块 9A 和 9B。就本例而言， 处理块 9A 和 9B 的输出间接地经由切换块 14 耦接到异或门 12 的输入。 0055 24图7示出了将这样的角度传感器应用于电流测量。 角度传。
34、感器8位于待测量 电流 ( 即初级电流 ) 流过的平坦电导体 15 上。初级电流在箭头 16 表示的方向上沿着导体 15 流动并且产生初级磁场 Bp。角度传感器 8 集成于以常规方式位于导体 15 上方的半导体 芯片中。流过线圈 17 的基准电流 Iref产生基准磁场 Bref。线圈 17 优选为由常规导体轨道 19 构成的平坦线圈 ( 该导体轨道 19 在感测结构 1 的上方， 形成在半导体芯片上 )。导体轨 道 19 的绕组被定向成使得基准磁场 Bref指向与初级磁场 Bp的方向不同的方向。初级磁场 Bp和基准磁场Bref形成非零的固定角度。 优选地， 角度如本例中所示等于90。 导体 1。
35、5 和角度传感器 8 形成用于电流测量的组件组合。参照图 1， 角度传感器 8 和线圈 17 说 明 书 CN 102057279 A CN 102057286 A6/8 页 9 被定向成使得由流过线圈 17 的电流 Iref产生的基准磁场 Bref指向 x 方向， 而由待测量电流 Ip产生的初级磁场 Bp指向 y 方向。角度 表示总磁场 B Bref+Bp与基准磁场 Bref形成的 角度。 0056 角度 由下式给定 ： 0057 tan Bp/Bref k1 Ip/(k2 Iref) 0058 其中 k1和 k2分别是依赖于真空介磁常数以及导体 15 和线圈 17 的几何形状的常 数。流过。
36、线圈 17 的电流 Iref由电流源 18 生成 ( 例如， 由递送恒定基准电压 Vref的电压源和 基准电阻器 Rref形成 ) 如下 ： 0059 Iref Vref/Rref 0060 并且获得 ： 0061 Ip k2 Vref/(k1 Rref) tan 0062 异或门 12 的输出递送宽度 ( 或者长度 ) 为 /( f) 的脉冲。可以用不同方 式 ( 例如通过结合查询表使用数字块或者 A/D 转换器等 ) 确定值 tan。图 8 图示了一种 使用模拟电路的优选方式， 该模拟电路使用脉宽调制信号 V7的宽度为 /( f) 的脉冲 来根据角度 产生 tan。图 8 示出了模拟电路和。
37、若干幅图。 0063 模拟电路包括积分器 20， 采样和保持电路 21， 第 1 开关 22 和第 2 开关 26， 第 1 开 关 22 将积分器 20 的输出耦接到采样和保持电路 21 的输入， 第 2 开关 26 允许在指定时间 重置积分器 20。积分器 20 包括电压源 23、 运算放大器 24、 数目为 M 的开关 1至 M和电 阻器 R1至 RM以及电容器 C1。M 个开关 1至 M和电阻器 R1至 RM被布置成串联布置的一 个开关和一个电阻器的并联集， 其中开关的一个端子连接到电压源 23 而电阻器的一个端 子连接到运算放大器 24 的输入。采样和保持电路 21 包括电容器 C2。
38、和运算放大器 25。如 下面进一步说明的， 开关 22 和 26 在大多数时间断开而仅在短的时间段接通。 0064 在开始时， 所有开关 1至 M断开并且电容器 C 放电。在运算放大器 24 的输出 的电压为零。在时间 t0， 开关 1接通， 从而电流 I1 Vref/R1流过电阻器 R1并且对电容 器C1充电。在时间 t1， 开关 2接通， 从而电流 I2 Vref/(R1|R2) 对电容器C1充电。 在时间 t2， 开关 3接通， 从而电流 I3 Vref/(R1|R2|R3) 对电容器 C1充电。时间 t1、 t2 至 tM形成连续的时间区间 t0至 t1、 t1至 t2、 .tM-1至。
39、 tM。选择时间 t1、 t2至 tM和电阻器 R1至 RM以使得在各时间区间中对电容器 C1进行充电的电流与在该时间区间中的适当点的 tan(t) 的一阶导数成比例。由于这一模拟电路 20 为经典积分器， 所以在运算放大器 24 的 输出的电压与 tan(t) 成比例。 0065 27 电压信号 V7控制模拟电路 20 的操作。然而， 积分器 20 的时标必须匹配于脉 宽调制信号 V7的时标。电压信号 V7的脉冲的开始触发积分器 20 的启动， 即在电压 V7的状 态从低变成高时出现时间 t0。开关 1至 M在预定时间 t0至 tM-1相继接通。然而在脉冲 结束时， 即当电压 V7的状态从高。
40、变成低时， 该处理完成并且所有开关 1至 M断开。在运 算放大器 24 的输出的电压现在具有值 k1/(k2 C1) Ip。 0066 28 开关 22 在各脉冲结束时， 即在电压 V7的状态从高变成低时接通短暂的一段 时间以便将电容器 C1的实际电压传送至电容器 C2。在开关 22 已被再次断开之后， 开关 26 接通短暂的一段时间以便对电容器 C1进行放电， 这使得积分器 20 的输出电压重置为零。 0067 29 图 8 的图示出了在异或门 12( 图 4) 的输出的电压 V7， 开关 22 和 26 的状态 说 明 书 CN 102057279 A CN 102057286 A7/8 。
41、页 10 S22和 S26( 高接通、 低断开 )， 在积分器 20 的输出的电压 V8以及在采样和保持电路 21 的输出的电压 V9。就本例而言， V7的三个相继脉冲的宽度增加。因此， 电压 V8和 V9实现相 继更高的电平。 0068 30 利用个数少至 M 6 个的电阻器， 可以在从 t 0 到 t /(4 2 f) 1/(8 f) 的区间中良好地近似函数 tan(t)， 而且函数 tan(t) 的近似误差小于 1.25。 如果需要针对大于/4的角度生成函数tan(t)， 则电阻器的数目M和时间区间要 更多。 0069 31 角度 依赖于比值 k1 Ip/(k2 Iref)。为了具有在 。
42、0 与 /4 之间的角度 ， 如果 k1 k2， 则基准电流 Iref必须高于待测量的初级电流 Ip。不能总是满足这一条件， 因为允许流过线圈 17 的最大基准电流有限。然而有一种克服这一问题的解决方案， 该方 案在于仅在霍尔元件旋转期间的如下步进中对霍尔电压进行采样， 在这些步进中， 霍尔电 压包含仅关于 Bp或者仅关于 Bref的信息。在步进 N 8 的一圈中， 有两次步进霍尔电压包 含仅关于 Bp的信息， 并且有两次步进霍尔电压包含仅关于 Bref的信息。因此， 沿着环形井 2 以仅 4 次步进的方式旋转霍尔元件。当以 N 8 次步进的方式旋转时， 在两次相继步进中 形成的竖直霍尔元件被。
43、移位两个相邻接触器 3 之间的距离， 即它们被旋转角度 360 /8 45。当以 N 4 次步进的方式旋转时， 在两次相继步进中形成的竖直霍尔元件被两次移 位两个相邻接触器 3 之间的距离， 即它们被旋转角度 360 /4 90。在第 1 步进中， 8 个 接触器 3 如图 1 中所示连接到电流源 4 和电压差放大器 5。感测结构 1 现在测量磁场 Bref。 在第 2、 第 3 和第 4 步进中， 8 个接触器 3 如图 9 中所示连接到电流源 4 和电压差放大器 5。 感测结构 1 现在测量磁场 Bp。在第 3 步进中， 感测结构 1 再次测量磁场 Bref， 而在第 4 步进 中， 感测。
44、结构 1 测量磁场 Bp。当测量磁场 Bp时， 即在步进 2 和 4 中， 电流 IH1和 IH2被减小为 1/h， 或者放大器 5A 和 5B 的放大因子被减小为 1/h， 或者二者都减小为 1/h。( 或者代之以 当测量磁场 Bref时， 即在步进 1 和 3 中， 电流 IH1和 IH2被增大 h 倍， 或者放大器 5A 和 5B 的 放大因子被增大 h 倍， 或者将二者都增大 h 倍。) 图 4 中所示电路的电压 V2、 V5和 V7由此 为 ： 0070 V2 A1 S1 B IH1 cos(2 f t-/4-1)， 0071 V5 A2 S2 B IH2 cos(2 f t-/4+。
45、1)， 0072 V7宽度为 1/( f) 的矩形脉冲 0073 其中 ： 0074 tan1 Bp/(h Bref) 0075 或者 0076 Ip h k2/k1 Iref) tan1 0077 因此在这种情况下也可以使用图 4 和图 8 中所示电路而仅需进行少量修改， 比如 以 N/2 4 次步进的方式旋转霍尔元件、 使得具有如上所述的各自的放大因子和 / 或经过 霍尔元件的电流， 以及关于电压 V7的脉冲的积分器 20 的修改的缩放比。然而， 在一个优选 实施例中， 采样和保持电路 21 的运算放大器 25 的放大因子被增大 h 倍， 从而在采样和保持 电路 21 的输出的电压 V9为。
46、 ： 0078 V9 k2/k1 Iref 0079 取代以每次步进旋转 90的 4 次步进的方式来旋转竖直霍尔元件， 还有可能仅使 说 明 书 CN 102057279 A CN 102057286 A8/8 页 11 用这 4 次步进中的步进 1 和 2， 即在如图 1 和图 9 中所示霍尔元件的第 1 和第 2 连接方案之 间来回切换。另外还有可能以 8 次步进的方式旋转竖直霍尔元件并且使得在每次步进中具 有放大器 5A 和 5B 的各自的放大因子和 / 或流过霍尔元件的各自的电流。 0080 一个重要优点在于， 每圈 4 次或者 8 次的小数目的步进使得角度传感器和电流传 感器非常快速。
47、， 因为获得信息所需要的时间较短。 0081 尽管已经示出和描述本发明的实施例和应用， 但是从本公开内容中受益的本领域 技术人员能够在不脱离在此的发明概念的情况下， 清楚比上文提到的实施例多得多的实施 例。本发明因此仅由所附权利要求书及其等效含义所限定。 说 明 书 CN 102057279 A CN 102057286 A1/6 页 12 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102057279 A CN 102057286 A2/6 页 13 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102057279 A CN 102057286 A3/6 页 14 图 6 说 明 书 附 图 CN 102057279 A CN 102057286 A4/6 页 15 图 5 说 明 书 附 图 CN 102057279 A CN 102057286 A5/6 页 16 图 7 图 9 说 明 书 附 图 CN 102057279 A CN 102057286 A6/6 页 17 图 8 说 明 书 附 图 CN 102057279 A 。