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电流探头测量实例和使用技巧

2021-06-08 15:32:10
电流探头测量实例和使用技巧
详细介绍:

电流探头的应用十分广泛,其基本原理是流经导线的电流会在周围产生磁场,电流探头把磁场转化成相应的电压信号,通过和示波器配合,观察对应的电流波形。广泛应用于开关电源、马达驱动器、电子整流计、LED 照明、新能源等领域。本文将讲述常见的电流探头的分类、原理、重要技术指标,并通过实例分析了解探头之间的差别,让大家能够对探头有个基本的了解。

电流探头

一、电流探头分成AC 电流探头和AC/DC 电流探头。

       目前示波器上的电流探头基本分成两类:即AC 电流探头和AC/DC 电流探头,AC 电流探头常见的是无源探头,成本低,但不能处理直流分量;AC/DC 电流探头通常是有源探头,分为低频探头和高频探头,低频探头常见的带宽在几百KHZ 以下,高频探头带宽一般在几MHZ 以上。

二、电流探头重要指标

2.1 精度

      精度:是指电流到电压转换的精度。拿 AC/DC 电流嵌为例,一般开环系统的精度比较差一点,典型值在 3%左右;闭环系统的精度比较高,典型值在 1%左右。我们的高频电流探头的精度就是1%。

2.2 带宽

      带宽:所有探头都有带宽。探头的带宽是指探头响应导致输出幅度下降到70.7%(-3 DB)的频率,如图5 所示。在选择示波器和示波器探头时,要认识到带宽在许多方面影响着测量精度。在幅度测量中,随着正弦波频率接近带宽极限,正弦波的幅度会变得日益衰减。在带宽极限上,正弦波的幅度会作为实际幅度的70.7% 进行测量。因此,为实现大的幅度测量精度,必需选择带宽比计划测量的高频率波形高几倍的示波器和探头。这同样适用于测量波形上升时间和下降时间。

        波形转换沿(如脉冲和方形波边沿)是由高频成分组成的。带宽极限使这些高频成分发生衰减,导致显示的转换慢于实际转换速度。为精准地测量上升时间和下降时间,使用的测量系统必需使用拥有充足的带宽,可以保持构成波形上升时间和下降时间的高频率成份。最常见的情况下,使用测量系统的上升时间时,系统的上升时间一般应该比要测量的上升时间快4-5 倍。在开关电源领域,一般几十MHZ 的带宽就基本够用了。我们的高频电流探头带宽范围为5MHZ-100MHZ。

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图5 带宽是正弦波的幅度下降70.7% (-3DB) 的响应曲线中的频率

2.3 插入损耗

       插入损耗:插入阻抗是从电流探头的线圈(二级)转换到被测的携带电流的导线中的阻抗。一般来说,电流探头反射的阻抗值可以位于毫欧范围内,对阻抗为25 欧姆及以上的电路影响不大。

2.4、电流额定值VS 频率指标

       电流探头指标应包括幅度与频率额定值下降关系曲线,这一曲线把磁芯饱和与提高的频率关联起来。频率增加对磁芯饱和的影响在于,当波形频率或幅度增加时,平均电流为零安培的波形幅度峰值会被削掉。

2.5、大额定输入电流

         大额定输入电流:是指电流探头可以接受、同时仍能实现规定性能的总电流(DC 加峰值AC)。在AC 电流测量中,必须根据频率降低峰到峰额定值,以计算大总输入电流。

2.6、额定大峰值脉冲电流

         额定大峰值脉冲电流:被测电流不应超过这一额定值,它考虑了磁芯饱和及可能损坏设备的次级电压积累。大额定峰值脉冲电流通常规定为安培秒乘积。

三、 电流探头测量实例及说明

3.1 DC~低频和 DC~高频电流探头实测对比

      上面讲了低频嵌和高频嵌的原理区别,现在来对比一下实测效果,低频嵌选CP8100L(100A/100KHZ),高频嵌选择CP0030A(30A/40MHZ)。

(1) 实测低频信号(50HZ 电源线波形)对比

电流探头

图 6 电流嵌测量电源线上电流波形系统1 通道为 CP0030A,2 通道为 CP8100L

电流探头

图7 高低频捕捉电源线上的电流波形从以上图片分析,电流大小为1.95A 左右(因为探头所在量程电流传输比为 0.1V/A,由于实测值为 195MV,经计算为 1.95A),频率为 50HZ,两款探头实测非接近,也就是在测低频信号时,看不出差别,都能够准确的捕捉到电流波形。

(2) 实测开关电源 MOS 管 DS 极间电流对比

电流探头

图 8 测量 MOS 管 DS 极间电流波形系统

电流探头

图 9 黄色为高频嵌(CP0030A)所测波形,红色为低频嵌(CP8100L)实测波形

电流探头

图 10 实测 DS 电流波形细节

通过以上波形分析:

       在捕捉 60KHZ 左右的开关电流波形时,从图 10 看到,电流波形的上升时间达到 35NS 左右,普通的低频嵌 CP8100L,带宽 100KHZ,上升时间 3.5US,远远无法满足要求;高频电流嵌CP0030A,带宽 40MHZ,上升时间 8.75NS,满足实际测量要求。

3.2 高频电流探头在开关电源中的应用(CP0030A 和 TCP0030 实测对比)

电流探头

图 11    1 通道为 TEK TCP0030 电流探头 2 通道为本公司的 CP0030A

实测做对比,示波器为 TEK MDO4104-6 测试系统如上图:

      开关电源的开关频率可以达到 100KHZ,当然还有更高的,瞬间的上升速度达到 NS 级别,如果使用低频电流嵌(US 级别,如本公司的 CP8100L,泰克的 A622),根本无法准确捕捉波形,必须使用高频直交流电流探头。下面以本公司 250W 的 ATX 不间断正激电源模块为例,测试系统如图,本公司的CP0030A(40MHZ/30A)和泰克的TCP0030

(120MHZ/30A)。

电流探头

图 12 黄线为泰克 TCP312 蓝线为 CP0030 实测数据对比

电流探头

图 13 细节对比 黄色为 TCP0030 蓝色为 CP0030A 实测波形

通过以上分析可知:

       高频直交流电流探头广泛应用于开关电源领域里,从实测波形分析,虽然驱动频率只有 100KHZ左右,但是瞬间的上升时间通常可以达到几十个NS 级别。普通低频探头带宽显然远远不够。本公司的 CP300,400,0XX0A 系列都属于 DC/AC 高频电流探头系列,通过与泰克的对比实测结果分析,误差非常小,完全满足客户应用要求。本公司的CPA300,400 放大器可以完全兼容泰克对应的探头系列,方便客户的选择。

      通过以上实例分析,CP0XXA 系列配备标准的 BNC 接口,可接任何厂家示波器,满足高精度,高带宽测量。CP300,400 系列可以完全兼容泰克系列探头,更加方便客户选择。