電流探頭測(cè)量實(shí)例和使用技巧

       電流探頭的應(yīng)用十分廣泛，其基本原理是流經(jīng)導(dǎo)線的電流會(huì)在周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，電流探頭把磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電壓信號(hào)，通過(guò)和示波器配合，觀察對(duì)應(yīng)的電流波形。廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器、電子整流計(jì)、LED照明、新能源等領(lǐng)域。本文將講述常見的電流探頭的分類、原理、重要技術(shù)指標(biāo)，并通過(guò)實(shí)例分析了解探頭之間的差別，讓大家能夠?qū)μ筋^有個(gè)基本的了解。

一、電流探頭分成AC電流探頭和AC/DC電流探頭。

       目前示波器上的電流探頭基本分成兩類：即AC電流探頭和AC/DC電流探頭，AC電流探頭常見的是無(wú)源探頭，成本低，但不能處理直流分量；AC/DC電流探頭通常是有源探頭，分為低頻探頭和高頻探頭，低頻探頭常見的帶寬在幾百KHZ以下，高頻探頭帶寬一般在幾MHZ以上。

二、電流探頭重要指標(biāo)

2.1 精度

       精度：是指電流到電壓轉(zhuǎn)換的精度。拿 AC/DC 電流嵌為例，一般開環(huán)系統(tǒng)的精度比較差一點(diǎn)，典型值在 3%左右；閉環(huán)系統(tǒng)的精度比較高，典型值在 1%左右。我們的高頻電流探頭的精度就是1%。

2.2 帶寬

       帶寬：所有探頭都有帶寬。探頭的帶寬是指探頭響應(yīng)導(dǎo)致輸出幅度下降到70.7%(-3 DB)的頻率，如圖5所示。在選擇示波器和示波器探頭時(shí)，要認(rèn)識(shí)到帶寬在許多方面影響著測(cè)量精度。在幅度測(cè)量中，隨著正弦波頻率接近帶寬極限，正弦波的幅度會(huì)變得日益衰減。在帶寬極限上，正弦波的幅度會(huì)作為實(shí)際幅度的70.7% 進(jìn)行測(cè)量。因此，為實(shí)現(xiàn)較大的幅度測(cè)量精度，必需選擇帶寬比計(jì)劃測(cè)量的頻率波形高幾倍的示波器和探頭。這同樣適用于測(cè)量波形上升時(shí)間和下降時(shí)間。

       波形轉(zhuǎn)換沿(如脈沖和方形波邊沿)是由高頻成分組成的。帶寬極限使這些高頻成分發(fā)生衰減，導(dǎo)致顯示的轉(zhuǎn)換慢于實(shí)際轉(zhuǎn)換速度。為地測(cè)量上升時(shí)間和下降時(shí)間，使用的測(cè)量系統(tǒng)必需使用擁有充足的帶寬，可以保持構(gòu)成波形上升時(shí)間和下降時(shí)間的高頻率成份。很常見的情況下，使用測(cè)量系統(tǒng)的上升時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)的上升時(shí)間一般應(yīng)該比要測(cè)量的上升時(shí)間快4-5 倍。在開關(guān)電源領(lǐng)域，一般幾十MHZ的帶寬就基本夠用了。我們的高頻電流探頭帶寬范圍為5MHZ-100MHZ。

圖5 帶寬是正弦波的幅度下降70.7% (-3DB) 的響應(yīng)曲線中的頻率

2.3 插入損耗

        插入損耗：插入阻抗是從電流探頭的線圈(二級(jí))轉(zhuǎn)換到被測(cè)的攜帶電流的導(dǎo)線中的阻抗。一般來(lái)說(shuō)，電流探頭反射的阻抗值可以位于毫歐范圍內(nèi)，對(duì)阻抗為25歐姆及以上的電路影響不大。

2.4、電流額定值VS頻率指標(biāo)

        電流探頭指標(biāo)應(yīng)包括幅度與頻率額定值下降關(guān)系曲線，這一曲線把磁芯飽和與提高的頻率關(guān)聯(lián)     起來(lái)。頻率增加對(duì)磁芯飽和的影響在于，當(dāng)波形頻率或幅度增加時(shí)，平均電流為零安培的波形幅度峰值會(huì)被削掉。

2.5、額定輸入電流

        額定輸入電流：是指電流探頭可以接受、同時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)規(guī)定性能的總電流(DC 加峰值A(chǔ)C)。在AC 電流測(cè)量中，必須根據(jù)頻率降低峰到峰額定值，以計(jì)算可達(dá)總輸入電流。

2.6、額定峰值脈沖電流

       額定峰值脈沖電流：被測(cè)電流不應(yīng)超過(guò)這一額定值，它考慮了磁芯飽和及可能損壞設(shè)備的次級(jí)電壓積累。額定峰值脈沖電流通常規(guī)定為安培秒乘積。

三、電流探頭測(cè)量實(shí)例及說(shuō)明

3.1  DC～低頻和 DC～高頻電流探頭實(shí)測(cè)對(duì)比

       上面講了低頻嵌和高頻嵌的原理區(qū)別，現(xiàn)在來(lái)對(duì)比一下實(shí)測(cè)效果，低頻嵌選擇 CP8100L（100A/100KHZ），高頻嵌選擇 CP8030A（30A/40MHZ）。

（1） 實(shí)測(cè)低頻信號(hào)（50HZ 電源線波形）對(duì)比

     圖 6 電流嵌測(cè)量電源線上電流波形系統(tǒng)1 通道為 CP8030A,2 通道為 CP8100L

       圖7高低頻捕捉電源線上的電流波形從以上圖片分析，電流大小為1.9 左右（因?yàn)樘筋^所在量程電流傳輸比為 0.1V/A，由于實(shí)測(cè)值為 195MV，經(jīng)計(jì)算為 1.9），頻率為 50HZ，兩款探頭實(shí)非接近，也就是在測(cè)低頻信號(hào)時(shí)，看不出差別，都能夠準(zhǔn)確的捕捉到電流波形

（2） 實(shí)測(cè)開關(guān)電源 MOS 管 DS 極間電流對(duì)比

圖 8 測(cè)量 MOS 管 DS 極間電流波形系統(tǒng)

圖 9 黃色為高頻嵌（CP8030A）所測(cè)波形，紅色為低頻嵌(CP8100L)實(shí)測(cè)波形 

圖 10 實(shí)測(cè) DS 電流波形細(xì)節(jié)

通過(guò)以上波形分析：

       在捕捉 60KHZ 左右的開關(guān)電流波形時(shí)，從圖 10 看到，電流波形的上升時(shí)間達(dá)到 35NS 左右，普通的低頻嵌 CP8100L，帶寬 100KHZ，上升時(shí)間 3.5US，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足要求；高頻電流嵌CP8030A，帶寬 40MHZ，上升時(shí)間 8.75NS，滿足實(shí)際測(cè)量要求。

3.2高頻電流探頭在開關(guān)電源中的應(yīng)用（CP8030A 和 TCP0030 實(shí)測(cè)對(duì)比）

  圖 11 1 通道為 TEK TCP0030 電流探頭 2 通道為本公司的 CP8030A

實(shí)測(cè)做對(duì)比，示波器為 TEK MDO4104-6 測(cè)試系統(tǒng)如上圖：

       開關(guān)電源的開關(guān)頻率可以達(dá)到 100KHZ，當(dāng)然還有更高的，瞬間的上升速度達(dá)到 NS 級(jí)別，如果使用低頻電流嵌（US 級(jí)別,如本公司的 CP8100L，泰克的 A622），根本無(wú)法準(zhǔn)確捕捉波形，必須使用高頻直交流電流探頭。下面以本公司 250W 的 ATX 不間斷正激電源模塊為例，測(cè)試系統(tǒng)如圖，本公司的 CP8030A（40MHZ/30A）和泰克的 TCP0030(120MHZ/30A)

 圖 12 黃線為泰克 TCP312 藍(lán)線為 CP8030 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

 圖 13 細(xì)節(jié)對(duì)比 黃色為 TCP0030 藍(lán)色為 CP8030A 實(shí)測(cè)波形

通過(guò)以上分析可知：

       高頻直交流電流探頭廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源領(lǐng)域里，從實(shí)測(cè)波形分析，雖然驅(qū)動(dòng)頻率只有 100KHZ左右，但是瞬間的上升時(shí)間通常可以達(dá)到幾十個(gè)NS級(jí)別。普通低頻探頭帶寬顯然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。本公司的 CP3000,4000,8000A 系列都屬于 DC/AC 高頻電流探頭系列,通過(guò)與泰克的對(duì)比實(shí)測(cè)結(jié)果分析，誤差非常小，*客戶應(yīng)用要求。本公司的 CPA3000,4000 放大器可以*兼容泰克對(duì)應(yīng)的探頭系列，方便客戶的選擇。

       通過(guò)以上實(shí)例分析，CP8000A 系列配備標(biāo)準(zhǔn)的 BNC 接口，可接任何廠家示波器，滿足高精度，高帶寬測(cè)量。CP3000,4000 系列可以*兼容泰克系列探頭，更加方便客戶選擇。