電流探頭測量實(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)線的電流會在周圍產(chǎn)生磁場，電流探頭把磁場轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電壓信號，通過和示波器配合，觀察對應(yīng)的電流波形。廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、馬達(dá)驅(qū)動器、電子整流計、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)，并通過實(shí)例分析了解探頭之間的差別，讓大家能夠?qū)μ筋^有個基本的了解。

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，要認(rèn)識到帶寬在許多方面影響著測量精度。在幅度測量中，隨著正弦波頻率接近帶寬極限，正弦波的幅度會變得日益衰減。在帶寬極限上，正弦波的幅度會作為實(shí)際幅度的70.7% 進(jìn)行測量。因此，為實(shí)現(xiàn)較大的幅度測量精度，必需選擇帶寬比計劃測量的頻率波形高幾倍的示波器和探頭。這同樣適用于測量波形上升時間和下降時間。

       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。為地測量上升時間和下降時間，使用的測量系統(tǒng)必需使用擁有充足的帶寬，可以保持構(gòu)成波形上升時間和下降時間的高頻率成份。很常見的情況下，使用測量系統(tǒng)的上升時間時，系統(tǒng)的上升時間一般應(yīng)該比要測量的上升時間快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)轉(zhuǎn)換到被測的攜帶電流的導(dǎo)線中的阻抗。一般來說，電流探頭反射的阻抗值可以位于毫歐范圍內(nèi)，對阻抗為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。頻率增加對磁芯飽和的影響在于，當(dāng)波形頻率或幅度增加時，平均電流為零安培的波形幅度峰值會被削掉。

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 電流測量中，必須根據(jù)頻率降低峰到峰額定值，以計算可達(dá)總輸入電流。

2.6、額定峰值脈沖電流

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

三、電流探頭測量實(shí)例及說明

3.1  DC～低頻和 DC～高頻電流探頭實(shí)測對比

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

（1） 實(shí)測低頻信號（50HZ 電源線波形）對比

     圖 6 電流嵌測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)測值為 195MV，經(jīng)計算為 1.9），頻率為 50HZ，兩款探頭實(shí)非接近，也就是在測低頻信號時，看不出差別，都能夠準(zhǔn)確的捕捉到電流波形

（2） 實(shí)測開關(guān)電源 MOS 管 DS 極間電流對比

圖 8 測量 MOS 管 DS 極間電流波形系統(tǒng)

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

圖 10 實(shí)測 DS 電流波形細(xì)節(jié)

通過以上波形分析：

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

3.2高頻電流探頭在開關(guān)電源中的應(yīng)用（CP8030A 和 TCP0030 實(shí)測對比）

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

實(shí)測做對比，示波器為 TEK MDO4104-6 測試系統(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 級別，如果使用低頻電流嵌（US 級別,如本公司的 CP8100L，泰克的 A622），根本無法準(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)測數(shù)據(jù)對比

 圖 13 細(xì)節(jié)對比 黃色為 TCP0030 藍(lán)色為 CP8030A 實(shí)測波形

通過以上分析可知：

       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)測波形分析，雖然驅(qū)動頻率只有 100KHZ左右，但是瞬間的上升時間通?？梢赃_(dá)到幾十個NS級別。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,通過與泰克的對比實(shí)測結(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*兼容泰克對應(yīng)的探頭系列，方便客戶的選擇。

       通過以上實(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，高帶寬測量。CP3000,4000 系列可以*兼容泰克系列探頭，更加方便客戶選擇。