发明领域
本公开通常涉及电子元件屏蔽技术，尤其涉及保护电阻器免受由于附近电子元件产生的电磁能而造成的串扰和干扰的印刷电路板屏蔽组件。
背景
在紧凑型功率表中，电源元件包括大的电容器、变压器、以及用于将到功率表的高功率输入转换成足以给在功率表中的敏感的电子设备供电的较小电压的其他电子元件。这些电源元件能够产生以电磁能的形式的大量干扰。这一电磁干扰或EMI可能不利地影响位于电源附近的其他电路的性能。此外，在接收电压或电流的多个相的功率表中，输入通常定位成彼此紧挨着并易受串扰干扰的影响，其中流经携带电的一个相的一个导体的电流可产生电场和/或磁场，其干扰穿过携带不同相的电的毗邻导体的信号。EMI干扰和串扰干扰的总体效应是转换成相应数字值的信号的质量的降低，导致较不精确的功率表。这些原始信号被干扰降级得越多，仪表读数也将越不精确。功率表的总体精度按照百分误差表示，这一百分误差为实测电压偏离原始电压的最小可接受的偏差。现有的功率表通常设计成满足或超过0.2%或更小百分数的百分误差，但存在对具有0.1%或更小百分数的百分误差的功率表的需要。本公开的方面意欲满足这一需要或其他需要。
简要概述
通过减少由于功率表的电源中的高功率元件引起的外部影响例如EMI的效应和来自功率表的邻近的相输入的串扰的效应来实现高度精确的功率表。为了这么做，本公开的方面提出在刚性或柔性印刷电路板内部插入由具有导电材料的一个或多个屏蔽印刷电路板（PCB）组成的屏蔽物，以便该屏蔽物存在于电源产生的电磁能和来自相邻相中的串扰信号的能量的路径中。在一示例性配置中，四个电阻器布置在功率表的外罩内部的主印刷电路板上。PCB屏蔽物放置在四个电阻器的每个之间，且一个PCB屏蔽物放置在最外层的电阻器的两侧上。电源布置在放置在主PCB附近（例如上方）的电路板上，使得电源的高功率元件产生的电磁能将生成场线，其中最强的场线通常将倾向于在主PCB的整个表面上延伸并与暴露的电压输入电阻器耦合。在没有PCB屏蔽物的情况下，这些场将直接与穿过输入电阻器的电压信号耦合，干扰这些信号并造成测量中的易变性。通过在每个电阻器之间和在最外层电阻器的对面插入PCB屏蔽物，产生对电源或其他邻近的电子元件所产生的电磁场的屏障，保护电阻器免受它们的影响。尽管一些场可在电阻器的顶部上方耦合，这些场弱得多且可以被忽略。然而，可将可选的盖放置在PCB屏蔽物和相应的电阻器的上方以保护电阻器。该盖也可包括导电材料以在电阻器顶部的上方提供进一步的屏蔽。
夹在两个接地的PCB屏蔽物之间的电阻器可以看上去像电容器以及像电容器一样运转，对功率表正测量的输入信号产生另外不需要的效应。本公开的方面提出使电阻器成一角度，以便它们在相邻对的PCB屏蔽物之间对角地间隔开，通过每个电阻器和每对PCB屏蔽物形成N形。这将电阻器锁定在了适当的位置上，这可适合于两个目的：第一，它防止电阻器引脚弯曲并避免电阻器引脚的弱化。第二，它固定了PCB屏蔽物和电阻器之间的距离，以便电阻器和PCB屏蔽物之间产生的任何寄生电容都将具有固定值，其随后可得到补偿。可选地，假如元件被固定和支撑以维持一致的间距，则电阻器可被定向成使得电阻器与PCB屏蔽物的相邻侧平行。
在另一配置中，PCB屏蔽物由柔性材料组成，有时被称为柔性PCB，柔性PCB的介质材料内具有柔性导电材料。在这一配置中，PCB屏蔽物以蛇形的方式在每个电阻器上方及之间蛇行延伸，以在每个电阻器的两侧的上方及周围提供屏蔽物。这一配置保护每个电阻器免受电磁能和由于来自每个电阻器两侧及顶部的串扰产生的能量。主PCB本身形成对穿过主PCB的任何不需要的能量（例如，EMI或串扰）的屏障，所以没有必要屏蔽每个电阻器的底部，因为它们一般应被充分屏蔽以免受这一不需要的能量。在这一配置中并没有提出盖，虽然也不排除一个盖。
本公开在没有对现有的功率表的任何进一步修改的情况下将电压输入测量中的易变性从0.05%内减少到小于0.005%。使用本公开的方面的功率表将不是仅仅准备满足而是远远超过任何可适用的规章、法规和标准。
鉴于参考附图所做出的各种实施方式和/或方面的详细描述，本公开的前述及附加方面和实现将对本领域普通技术人员变得明显，下文将提供附图的简要描述。
附图简述
当阅读下面的详细描述时和当参考附图时，本公开的前述优势及其他优势将变得明显。
图1为在与包括功率表的电源的第二印刷电路板（PCB）处于堆叠关系的主PCB上的根据本公开的方面的功率表的剖开透视图，功率表的外壳被移除以展现PCB组件；
图2为在将输入电压转换成相应的数字值时涉及的示例性电路的示意图；
图3A为图1所示的主印刷电路板的顶面的透视图；
图3A-1为图3A所示的PCB屏蔽物中的一个的横截面图（不按比例）；
图3A-2为图3A所示的电阻器中的一个的透视图（不按比例）；
图3B为图3A所示的主PCB的俯视图；
图4为根据本公开的一个方面的具有柔性PCB屏蔽物的主印刷电路板的顶面的透视图；
图5A为根据本公开当恒定电压被施加到输入而一系列相电流被施加到没有PCB组件的功率表时显示百分误差的曲线图；以及
图5B为根据本公开当恒定电压被施加到输入而一系列相电流被施加到具有PCB组件的功率表时显示百分误差的曲线图。
详细描述
图1为功能表100的图示，功率表的外罩102的一部分被移除以展示外罩102内部的电子元件。印刷电路板组件104被显示为在外罩102内部。印刷电路板组件104包括主印刷电路板（主PCB）106和PCB屏蔽组件108。外罩102内的第二电路板（PCB）110包括向主PCB106上的电子元件114供电的电源112。电源112布置在外罩102内，且相对于所述主PCB106处于堆叠关系。如从图1中可以看出的，第二PCB110的主平表面118与主平表面116平行（见图3A）。在这一堆叠式配置中，照惯例包括电容器、变压器和整流器的电源112中的高功率元件产生的电磁能的场线将倾向于从电源112发散走并接着弯曲回到主PCB106，生成在主PCB106的整个主表面116上延伸的场线。类似地，由于在主PCB106上电阻器彼此接近，由于串扰干扰产生的能量将从一个电阻器发散到另一个电阻器。PCB屏蔽组件108阻止这些不需要的能量影响电压（或电流），当电压（或电流）从功率表100的输入行进到主PCB106上的电子元件时。尽管所说明的实例示出了与主PCB106处于堆叠和平行关系的第二PCB110，在其他配置中，电源112和主PCB106可以相对于彼此被定位在其他关系例如共面关系或交错关系中。PCB屏蔽组件108应当布置在主PCB106上以阻止在电源11产生的不需要的电磁能中和/或在到功率表100的相邻输入之间的不需要的串扰干扰中的最强的场线。
印刷电路板组件104包括布置在主印刷电路板106上并电连接到功率表100的相应输入220a（见图2）的至少一个高值精密电阻器300a（见图3A）。第一输入200a携带由功率表100测量的电流或电压。在所说明的实例中，功率表100测量电压，但在本公开所设想的其他的配置中，功率表100可测量电流或电流和电压。图3A中示出了4个高值精密电阻器300a-d，但本公开意欲涵盖至少一个高值精密电阻器，即使在所说明的实例示出4个高值精密电阻器。高值精密电阻器300a-d具有非常高的值，例如在兆欧姆的数量级，且在图3A示出的所说明的实例中可具有矩形形状，尽管本公开并不限于电阻器的任何特定的形状因子。电阻器300a-d能够将例如大约240V或480V额定电压的线路输入电压变化到可接受来输入到模拟数字（A/D）转换器（ADC）202（如图2所示）中的水平，例如在毫伏的数量级或小于5V。
PCB屏蔽组件108包括至少2个PCB屏蔽物302a-b，或者，如图3A所示，包括5个PCB屏蔽物302a-e，取决于所使用的电阻器300的数量。例如，在2个电阻器300a、b被使用的配置中，使用3个PCB屏蔽物302a-c。如图3A所示，因为存在4个电压输入电阻器300a-d，所以存在5个PCB屏蔽物302a-e，如从图3B所示的主PCB106的俯视图可以看出的，一个PCB屏蔽物在电阻器300a-d的任一端上，而一个PCB屏蔽物在每一对电阻器之间。如从图3A-1中的PCB屏蔽物302的剖视图可看出的，每个PCB屏蔽物302a、b、c、d、e包括布置在电绝缘介质基片306内的导电层305。PCB屏蔽物302的高度尺寸h1至少等于相对于主PCB106的主表面116的电阻器300的高度尺寸h2，使得h1≥h2。PCB屏蔽物302a-e中的每个的主表面具有L1的长度（见图3B）。其至少与电阻器300a-d中的每个的主表面308a-d的长度L2一样长，使得L1≥L2。
PCB屏蔽物302被固定到主PCB106，以便电阻器300a布置在PCB屏蔽组件108的两个主表面304a和304b之间。电阻器300与这两个主表面中的每个之间的距离小于电阻器的最长尺寸。如本文使用的术语“主表面”是指相对于主表面所属的特定元件的所有表面的最大毗邻表面。每个PCB屏蔽物302包括两个主表面，一个主表面位于PCB屏蔽物302的任一侧上。沿着电阻器300a、b、c、d中的每个的最长尺寸L2（见图3A-2）的主表面308a、b、c、d以非平行的方式相对于相邻对的PCB屏蔽物302被定向。在图3B所示的图示中，电阻器300a、b、c、d以对角的方式在相邻对的PCB屏蔽物302a、b、c、d、e之间被定向，以便每个电阻器-PCB对的组合形成N形（或形成倒N形，取决于视角）。以这种方式使电阻器300相对于PCB屏蔽物302进行定向防止电阻器300在物理上移动。这一定向防止电阻器引脚弯曲和折断。此外，由于电容取决于两种导电材料间的距离，固定电阻器与PCB对之间的距离将产生无变化的寄生电容，该寄生电容可接着得到补偿。
PCB屏蔽物302的长度L1（见图3B）至少与电阻器300的主表面的长度L2一样长。PCB屏蔽物302a、b、c、d、e中的每个包括焊接到主PCB106的地平面的一组引脚或一个或多个翼片。除了连接在PCB屏蔽物302a-e的每个PCB屏蔽罩302内部的导电层305之外，它们还意欲保持PCB屏蔽物302固定到主PCB106。
在图3A所说明的配置中，最外层的PCB屏蔽物302a和PCB屏蔽物302e阻止由位于电阻器300上方的电源112产生的不需要的电磁能，电磁能将倾向于从电源112发散走并然后循环回到主PCB106，沿着主PCB106的主平表面116延伸。同样地，位于电阻器300a、b、c、d中的每个之间的内PCB屏蔽物302b、c、d将阻止相邻的电阻器之间的不需要的串扰能量。在电阻器300a、b、c、d中的每个的所暴露的顶部处，场线将较弱，因此在一些配置中无需进一步的屏蔽来保护电阻器300a-d的所暴露的顶部。
盖310（FIG.3A）布置在PCB屏蔽物302a-e和电阻器300a-d上方。盖310可由任何电绝缘介质材料组成。可选地，导电层可合并在盖310内以提供进一步的屏蔽而免受由于在电阻器300a-d的顶部上方的耦合而产生的EMI。盖310包括与第二组凹槽314a-e相对的第一组凹槽312a-e，第二组凹槽314a-e从第一组凹槽312a-e偏移，以便凹槽312和凹槽314中的每个对应于电阻器和PCB屏蔽物中的相应一个之间的空间。这个偏移是必要的，因为电阻器300a-d相对于PCB屏蔽物302a-e中的每个被对角地布置。盖310用于将电阻器300和PCB屏蔽物302牢固地保持在主PCB106上的恰当位置上，并且也可用于进一步保护电阻器300免受电源112或在功率表100内的其它EMI产生元件所产生的EMI。盖310也保护从附近的第二PCB110突出的任何引脚免于接触电阻器300的任何部分，为电压输入电阻器300提供了附加的保护水平。
图2为主PCB106上的数字转换电路200的示意图。数字转换电路200在A/D转换器202中将功率表100所监测的电压转换成相应的数字值。电路200接收4个电压输入，其在图2中分别被标为A、B、C和REF且分别被编号为200a、b、c、d。前3个电压输入A、B和C对应于功率表正监测的输入电压的不同相，且这些相通常被标为A、B和C，每个相相对于另一相滞后或领先120度。电阻器300a、b、c、d在物理上容纳在封装中，该封装在图3A所示的实例中具有大体上矩形的形状，在封装中有至少一个电阻器。例如，电阻器300a包括具有5MΩ的值的电压输入电阻器RN10A和具有13MΩ的值的反馈电阻器RN10B。类似地，电阻器300b包括具有5MΩ的值的电压输入电阻器RN9A和具有13MΩ的值的反馈电阻器RN9B。电阻器300c包括具有5MΩ的值的电压输入电阻器RN8A和具有13MΩ的值的反馈电阻器RN8B。电阻器300d包括具有5MΩ的值的电压输入电阻器RN7A和具有13MΩ的值的反馈电阻器RN7B。这些值仅为示例性的，且如上所述，电压输入电阻器的值应被设置成足以将来自功率表100所连接的线路的输入电压变化到可接受来输入到A/D转换器202中的值的数值。通过将反馈电阻器RN10B、RN9B、RN8B和RN7B合并到与电压输入电阻器RN10A、RN9A、RN8A和RN7A相同的封装中，放大器输出较不易受由于温度和时间引起的值的相对变化。
与电阻器300a、b、c、d的值相称，将输入200a、b、c、d处存在的电压减小到相应的输入电压V1_IN、V2_IN、V3_IN和VN_IN，这些输入电压在相应的放大器204a、b、c、d处被接收。放大器204a、b、c、d放大相应的输入电压以产生放大的输入电压，其被标为V1_SIG、V2_SIG、V3_SIG和VN_SIG。相应的低通滤波块206a、b、c、d接收放大的输入电压以产生过滤的输入电压V1_FILT、V2_FILT、V3_FILT和VN_FILT。A/D转换器202接收这些过滤的输入电压，A/D转换器202照惯例将输入电压转换成指示在输入200a、b、c、d上接收到的原始电压的相应数字值。
如上所述，即使在附图中示出了4个电阻器300a-d，本公开并不限于4个电阻器的配置。例如，在3个电阻器的配置中，3个高值精密电阻器例如电阻器300a-c布置在主PCB106上并电连接到功率表100的相应输入例如输入200a-c。输入200a、b、c中的每个携带功率表100测量的电流或电压的不同相。PCB屏蔽物组件108包括4个（而非在4电阻器组合中使用的5个）PCB屏蔽物，例如，屏蔽物302a、b、c、d每个具有布置在电绝缘介质基片306内且布置在主PCB106上的导电层305，以便3个电阻器300a、b、c中的每个布置在至少一对PCB屏蔽物302之间，以最小化相邻的电阻器间的串扰。3个电阻器300a、b、c中的每个的主表面308a、b、c以非平行的方式相对于相邻对的PCB屏蔽物302a、b、c、d的主表面被定向，PCB屏蔽物302a、b、c、d面向相应的电阻器300a、b、c。例如，如图3A所示，电阻器300a、b、c以对角的方式在相邻对的PCB屏蔽物302a、b、c、d之间被定向，以便每个电阻器-PCB-屏蔽物对的组合大体上形成N形（或倒N形）。
现转向图4，示出单个柔性PCB屏蔽物402而不是图3A所示的5个单独的PCB屏蔽物302a-e。如同FIG.3A-1所示的PCB屏蔽物302a-e中的每个一样，柔性PCB屏蔽物402包括夹在绝缘介质材料或基片之间的柔性导电材料例如铜，以便导电材料充当屏蔽物以保护电阻器400a-d免受由于电源112所产生的电磁干扰而引起的或由于来自相邻相的串扰而引起的不需要的能量。电阻器400a-d就像结合附图3A-3B中描述和所示的电阻器300a-d一样，除了电阻器400a-d彼此平行地布置以外，以便可在蛇形的柔性PCB屏蔽物402中形成的相应的U形空间412a、b、c、d中接纳每个电阻器400a、b、c、d。柔性PCB屏蔽物402的每个U形空间412a、b、c、d在电阻器400a、b、c、d中的每个的顶部上方延伸或在每个相邻对的电阻器400之间延伸。通过在每个电阻器400上方和之间蛇行，柔性PCB屏蔽物402如同图3A所示的盖310一样来操作以保护电阻器400免受从位于柔性PCB屏蔽物402上方的第二电路板110突出的引脚并在所有暴露侧上保护电阻器400免受不需要的能量，比如来自功率表100内的其他电子元件的EMI能量或来自相邻相的串扰能量。可选地，不是使柔性PCB屏蔽物402在每个电阻器400上方和之间蛇行，柔性PCB屏蔽物402可在每个电阻器400的侧面周围和之间蛇行。
现转向图5A和图5B，示出两个曲线，其将本公开中描述的没有PCB屏蔽组件108的功率表的每个电压相输入所见到的百分误差中的易变性（图5A）与本文中描述的具有PCB屏蔽组件108的功率表100的每个电压相输入所见到的百分误差的易变性（图5B）进行比较。图5A和图5B中，3个电压相A、B和C在功率表的输入电阻器的下游被测量，并由功率表监测并与外部参考进行比较。曲线在x轴上示出电流，因为这些电压测量是在各种电流被施加在三个电流相中的每个上时在大约10分钟的过程中进行的（在曲线上未示出）。这有效地显示了随着时间过去的电压相误差的曲线。在图5A中，y轴上的百分误差是由EMI和电阻器串扰引起的，导致一个相的百分误差总是超过0.01%，而其他两个相在测试的过程中在误差幅值上变化。这一测试是在输入电压使用功率系数（PF）0.5保持在120V、60Hz、25摄氏度的情况下进行的。
图5B示出的第二个曲线是在与图5A示出的曲线的测试条件相同的测试条件下进行的，除了现在图3A所示的PCB屏蔽组件108被安装以外。由于安装了PCB屏蔽组件108，可以看见在测试期间百分误差的大幅降低和误差的变化。所有3个相位一致地显示出小于0.005%的百分误差。
虽然结合功率表100描述了上面的所示实例，本公开的方面可应用于任何电子装置，其具有易受由于装置内的其他电子元件产生的电磁能而引起的干扰的影响和/或易受由于附近电子元件而引起的串扰干扰的影响的电子元件。
虽然已经说明和描述了本公开的特定实现和应用，应理解，本公开并不限于在此公开的精确结构和组成，以及从前述描述中各种修改、改动和变化可变得明显，而不偏离如所附权利要求中限定的本发明的精神和范围。