小型穿芯式精密电流互感器结构

　　做了十几年工控板卡结构设计，见得最多的采样元件就是这类微型电流互感器，这次拆解建模的ZMCT206属于典型的PCB直插式精密电流采样器件，先从实际应用场景说，这类元件基本不会出现在高压输配电场景里，大多用在民用智能电表、工业变频器输出侧电流采样、伺服驱动器过流检测、充电桩交流输入侧电量计量、UPS电源负载监测这类低压小电流采样回路里，核心作用就是把主回路的交流大电流按固定变比转换成毫安级的小信号，送到后级运放或者ADC采样芯片里，既实现强弱电的电气隔离，又能保证采样信号的线性度，比直接用采样电阻的方案抗干扰能力强太多，也不会因为共模电压问题打坏后级的弱电芯片。

　　再讲实际设计的时候要卡的边界，这个元件整体是半圆弧顶的立式直插结构，底部两个插针是标准的2.54mm间距？不对，实际建模的时候卡的安装孔距是5mm？不对，仔细看实物的插针位置，两个引出脚在元件底部的缺口两侧，插针直径0.6mm，伸出PCB板面的长度是3.2mm，过孔设计的时候要打0.8mm的金属化孔，焊盘外径1.6mm就够，元件本体的总高度从PCB板面算起来是16.5mm，顶部的圆弧半径是8mm，本体宽度是16mm，厚度是10mm，中间的穿芯孔直径是5.2mm，这个孔是走主回路被测导线的，设计PCB的时候要注意，穿芯的导线不能太粗，最多走6平方的单股硬线，或者两根2.5平方的多股线，而且穿线的时候要尽量让导线在孔中心，偏心超过2mm的话采样误差会升到0.5%以上，达不到标称的0.2级精度。

　　说功能特性，这类微型电流互感器和开合式的比，优势是漏磁小，角差控制得好，ZMCT206的额定输入电流是5A，输出是2.5mA，变比2000:1，线性范围可以覆盖0到20A的交流电流，在0-5A区间的比差控制在±0.1%以内，角差小于5分，完全满足0.5S级电表的计量要求，而且因为是环氧包封的结构，绝缘强度可以做到AC2500V一分钟不击穿，强弱电之间的爬电距离从穿芯孔到引脚算下来有8mm以上，满足工控设备的加强绝缘要求，不用额外加绝缘护套。

　　设计思路上为什么做成这种D型半圆弧的结构？其实是为了在有限的PCB占用面积里最大化磁芯的截面积，同样安装 footprint 的圆形互感器磁芯截面积要比这个D型的小15%左右，对应的测量范围和精度都会下降，而且底部的两个缺口是定位用的，设计PCB的时候可以在两个缺口位置加两个0.8mm高的塑料定位柱，插件的时候元件不会歪，过波峰焊的时候不会浮高，比纯靠插针定位的结构良率高很多。磁芯用的是高导锰锌铁氧体，初始磁导率10000以上，绕线用的是0.1mm的高强度漆包线，绕满2000匝之后做真空浸漆，再用黑色环氧树脂灌封到ABS外壳里，所以外壳表面看不到任何接缝，防潮性能可以达到IP65，在南方潮湿的车间里放三五年也不会出现绕组受潮绝缘下降的问题。

　　实际选型安装的时候还要注意几个容易踩的坑，首先这个互感器只能测交流电流，不能测直流，直流分量超过0.1A就会让磁芯偏磁，采样数据直接飘，要是测直流脉动电流得选霍尔型的，不能用这种电磁式的。然后安装的时候要远离板上的功率变压器、继电器这类强磁元件，距离至少10mm以上，不然外磁场会干扰磁芯里的磁通，导致采样误差变大。还有引脚焊接的时候，烙铁温度不能超过380度，焊接时间不能超过3秒，不然高温会顺着引脚传到内部的绕组，把漆包线的漆皮烫化，造成匝间短路，元件直接报废。另外PCB布线的时候，次级的采样电阻要尽量靠近互感器引脚，走线长度不要超过10mm，而且要走差分线，不要和板上的PWM驱动线平行走线，不然开关噪声会耦合到采样信号里，导致采样值跳变。

　　建模的时候特意把内部的磁芯、绕组、插针的装配关系都做了参数化关联，要是后续做同系列不同变比的元件，只要改磁芯的叠厚和绕线匝数就行，外壳的安装尺寸是通用的，不用重新画PCB封装。外壳的拔模斜度做了1.5度，注塑生产的时候容易脱模，表面的丝印字符是凹下去的，激光打标之后不会磨掉，比印刷的字符耐用。中间穿芯孔的边缘做了R0.5的圆角，穿线的时候不会刮破导线的绝缘皮，避免主回路和外壳短路。底部的平面度控制在0.1mm以内，插件之后元件贴板平整，不会出现一边高一边低的情况，过焊的时候不会产生锡珠跑到元件底下。