之zhi前qian我wo們men介jie紹shao了le無wu源yuan探tan頭tou的de帶dai寬kuan限xian製zhi以yi及ji為wei什shen麼me它ta們men不bu能neng用yong於yu當dang今jin的de開kai關guan電dian源yuan設she計ji。高gao頻pin探tan頭tou價jia格ge昂ang貴gui，很hen多duo小xiao公gong司si通tong常chang無wu力li購gou買mai。我wo們men還hai研yan究jiu了le50Ω、1:1無源探頭的基本結構
，並討論了可能導致信號失真的傳輸線效應以及如何補償這些誤差。本文將介紹一個n:1電壓探頭和一個電流探頭的設計和建構。

 

 

隻要到達示波器的信號不超過輸入放大器可處理的範圍，基本的1:1無源探頭就非常有用。雖然許多商用無源探頭可以1:1和10:1雙模式工作，但有時10:1的衰減也還不夠。例如，將交流電源電壓連接到10:1探頭就會損壞示波器，所以常常需要1000:1的探頭。對其它應用，則可能需要不同的衰減比。

 

要求：為> 1GHz的示波器打造一款50Ω探頭，以測量110 VAC到220 VAC
、300W功率因數校正電路的功率信號。

 

最大電壓：+400VDC加上任何尖峰電壓。

 

被測器件：

 

● D3超結MOSFET
，部件號：D3S340N65B-U（VDSS=650V, ID =12A, RDS(on)=360mΩ（標稱）, tf >6.5ns）

● CREE SiC肖特基整流器，部件號：C3D04060A（600V, 7.5A）

 

步驟：

 

切下一段長約5英寸（12.5cm）的RG174（50Ω）電纜。最好是一端已有BNC連接器；

從電纜上剝去0.5英寸（12mm）的絕緣護層。切開絕緣護層的屏蔽層。剝去0.25英寸（6mm）的中心導體絕緣層；

從直徑0.5英寸的黃銅管切下0.5英寸（12mm）
，去掉切口毛刺；

探頭將承受的最大電壓為400 VDC。查看電容的VMAX額定值。要求的顯示電壓為100mV/格（1000:1），即50Ω示波器終端電阻上的電壓為100mV。通過尖端檢測電阻的電流（IS）為：

 

檢測電阻的值是：

 

 

5.檢查檢測電阻的功耗：

 

 

注意：該功耗在單個¼W電阻的額定功率範圍內，但電阻會變熱。我將兩個100kΩ、¼W電阻並聯使用。

 

6.如圖1所示組裝電纜的檢測端。

 

 

圖1：1000:1
、 50Ω電壓探頭使用兩個100kΩ電阻並聯，比使用單個50kΩ電阻的功率耗散能力增加了一倍。

 

 

市麵上常見的電流探頭帶寬從60MHz到120MHz不等。查看高頻電流波形對估算高頻半導體開關內的開關損耗很重要。因此，你可能需要帶寬更高的電流探頭。圖2是一個電流探頭的示例。

 

 

圖2：高頻電流探頭使用螺旋線圈來捕獲導線中電流產生的磁場。

 

圖2中的電流探頭本質上是個具有較高漏電流的¼匝初級
、1:n正向模式互感器。由於初級不是理想的單匝，其準確性將在最終的校準中確定。次級線圈均勻地排布在螺旋線圈磁芯周圍。

 

終(zhong)端(duan)電(dian)阻(zu)必(bi)須(xu)緊(jin)靠(kao)繞(rao)線(xian)螺(luo)旋(xuan)線(xian)圈(quan)放(fang)置(zhi)。這(zhe)樣(yang)做(zuo)可(ke)以(yi)使(shi)同(tong)軸(zhou)電(dian)纜(lan)的(de)傳(chuan)輸(shu)線(xian)效(xiao)應(ying)最(zui)小(xiao)，避(bi)免(mian)成(cheng)為(wei)示(shi)波(bo)器(qi)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)的(de)有(you)效(xiao)部(bu)分(fen)。終(zhong)端(duan)電(dian)阻(zu)可(ke)防(fang)止(zhi)大(da)信(xin)號(hao)電(dian)流(liu)進(jin)入(ru)電(dian)纜(lan)。示(shi)波(bo)器(qi)終(zhong)端(duan)應(ying)設(she)為(wei)1MΩ。

 

電流是通過電路支路測量的，阻抗應非常低。電流探頭的反射阻抗（插入阻抗）應盡可能低（低Rt）,且仍能為示波器輸入提供所需的幅度。

 

次級繞組上感應的電流是：

 

 

要(yao)將(jiang)此(ci)電(dian)流(liu)轉(zhuan)換(huan)為(wei)示(shi)波(bo)器(qi)上(shang)顯(xian)示(shi)的(de)電(dian)壓(ya)，必(bi)須(xu)在(zai)次(ci)級(ji)繞(rao)組(zu)上(shang)放(fang)置(zhi)一(yi)個(ge)電(dian)阻(zu)，該(gai)電(dian)阻(zu)可(ke)以(yi)是(shi)任(ren)何(he)值(zhi)，但(dan)電(dian)阻(zu)值(zhi)越(yue)高(gao)

，初(chu)級(ji)目(mu)標(biao)電(dian)路(lu)的(de)反(fan)電(dian)動(dong)勢(shi)就(jiu)越(yue)大(da)。反(fan)電(dian)動(dong)勢(shi)表(biao)現(xian)為(wei)與(yu)目(mu)標(biao)電(dian)流(liu)路(lu)徑(jing)串(chuan)聯(lian)的(de)額(e)外(wai)壓(ya)降(jiang)
，它(ta)會(hui)影(ying)響(xiang)初(chu)級(ji)電(dian)流(liu)，從(cong)而(er)影(ying)響(xiang)其(qi)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)。初(chu)級(ji)電(dian)流(liu)測(ce)量(liang)誤(wu)差(cha)與(yu)次(ci)級(ji)電(dian)阻(zu)值(zhi)成(cheng)正(zheng)比(bi)。

 

通常由電流探頭觀測到的AC電流範圍可從100A（1kW電源）低至mA（柵極驅動電路）shuiping。yigedianliutantouwufamanzushangshufanweiyaoqiuqierengchuzaishiboqishurudeshurudongtaifanweinei，yincixuyaoshiyongduogedianliutantou，tamenzhenduigaopinkaiguandianyuanneidebutongdianliushuipingjuyoubutongdezashubi。zashubibushigudingbubiande，changjiandebilvshi：

 

● 25:1 (10A – 20A)

● 50:1 (1A – 10A)

● 100:1 (0.5A – 1A)

 

由於次級電流很小
，隻需＃32 AWG線規即可。

 

終端電阻可通過下式估算：

 

 

 

圖2所示的電流探頭使用SMD電阻，這就是為什麼需要一個小PCB來安裝它並固定到同軸電纜的末端。務必保形塗覆整個電流互感器組件；繞組非常脆弱，同軸電纜會給電流探頭帶來很大的機械應力。

 

 

與每個交流耦合電路一樣，交流電流信號傳遞到次級，但輸出的直流部分自動校正為零。 直流“零”平均值出現在平均正值等於平均負值的輸出波形的某一點。短期平均零點將在每個信號周期內變化。圖3顯示了這一依賴時間的現象。每個電流探頭都有自己的時間常數。這可以通過在初級注入低頻脈衝電流來測量和表征。

 

 

圖3：通過注入輸入電流脈衝來校正電流探頭，以確定探頭的時間常數。

 

時間常數會導致電流波形失真（圖4）。
 

 

 

 

圖4：由互感器時間常數引起的電流顯示誤差。

 

時間常數約為：

 

 

結果是近似值
，因為次級並非獨立的互感器，而是耦合了來自初級的負載。

 

用數字示波器校準電流探頭時，必須記住采樣率。將低頻矩形電流信號注入CT的初級電路時，示波器的采樣不會總與峰值輸出電壓點重合。這就需要注入多個輸入電流脈衝，並找到最高值的輸出電壓峰值。

 

你可能會問：“電流探頭提供的什麼數據我可以相信？”可用的數據是（最值得信賴的測量

，失真引起的誤差非常小）：

 

1.所有高速轉換幅值；

2.周期比電流探頭的時間常數小得多的信號波形

；

3.轉換之間的周期（時間）測量；

4. 比探頭時間常數（tr<˜0.05ƬC）短得多的上升和下降時間。

 

具有可與時間常數相比的周期的波形將因時間常數失真。時間常數被加到實際信號中。圖5為信號周期大於時間常數的1/2造成這種失真的一個例子。

 

 

圖5：電流探頭會因為時間常數使輸入信號失真。上部（綠色）跡線為幹淨的VDS
，下部（紅色）跡線為失真的ID。

 

圖5顯示了一個110kHz離線LLC轉換器低側MOSFET的VDS和ID。來自50Ω電壓探頭的電壓波形（頂部）未失真，底部的漏極電流波形則顯示出很大失真。電流探頭有25匝，終端電阻為50Ω
，時間常數為14µs。

 

圖6顯(xian)示(shi)了(le)如(ru)果(guo)在(zai)目(mu)標(biao)電(dian)路(lu)同(tong)一(yi)位(wei)置(zhi)的(de)電(dian)流(liu)檢(jian)測(ce)電(dian)阻(zu)上(shang)查(zha)看(kan)，實(shi)際(ji)信(xin)號(hao)是(shi)如(ru)何(he)按(an)預(yu)期(qi)出(chu)現(xian)的(de)。盡(jin)管(guan)內(nei)心(xin)裏(li)想(xiang)以(yi)任(ren)何(he)精(jing)度(du)從(cong)顯(xian)示(shi)信(xin)號(hao)中(zhong)減(jian)去(qu)時(shi)間(jian)常(chang)數(shu)，但(dan)這(zhe)在(zai)數(shu)學(xue)上(shang)不(bu)切(qie)實(shi)際(ji)。因(yin)此(ci)
，關(guan)於(yu)顯(xian)示(shi)可(ke)信(xin)度(du)的(de)陳(chen)述(shu)與(yu)電(dian)流(liu)轉(zhuan)換(huan)相(xiang)去(qu)甚(shen)遠(yuan)。當(dang)然(ran)
，也(ye)可(ke)以(yi)花(hua)大(da)價(jia)錢(qian)買(mai)一(yi)個(ge)磁(ci)性(xing)“DC”電流探頭幫你做上述數學計算
，但是帶寬太低。

 

 

圖6：信號周期由差不多相等的分量組成時的電流探測信號。

 

 

本示例概述了適用於>10kHz開關電源的1A至10A電流探頭的設計步驟。

 

第一個任務是決定使用什麼磁芯材料。無需細究磁學的長篇大論，你所需的是低磁導率（μ）高頻材料。磁導率是繞組內的電流量，可在磁芯內產生給定的磁通密度（磁通線數量）變化。在高磁通密度下

，磁芯開始飽和（磁導率下降並且不再是線性的）。這是你需要避免的情況。

 

然後需要一個閉合磁環路來引導磁芯內的導線輻射磁場（與電流成比例）。可以用螺旋線圈或帶間隙的U-I鐵氧體磁芯。鐵氧體磁芯有一些不好的影響因素，如邊緣場效應、因轉角引起的渦流等。理想的磁芯是鉬坡莫合金螺旋線圈，是鉬（一種非磁間隙材料）和(he)鐵(tie)氧(yang)體(ti)的(de)混(hun)合(he)物(wu)。鉬(mu)含(han)量(liang)越(yue)高(gao)，磁(ci)導(dao)率(lv)越(yue)低(di)。較(jiao)低(di)的(de)磁(ci)導(dao)率(lv)還(hai)可(ke)以(yi)得(de)到(dao)更(geng)大(da)的(de)帶(dai)寬(kuan)。對(dui)於(yu)合(he)理(li)的(de)線(xian)徑(jing)
，如(ru)在(zai)中(zhong)低(di)功(gong)率(lv)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)中(zhong)所(suo)見(jian)

，Magnetics公司的13.5mm（0.5in）環形磁芯（部件號55051A2）是不錯選擇。更大尺寸的磁芯可在直徑更大的導線中使用。

 

常見的匝數有25
、50、100，當然
，其它不同的匝數也是可用的。匝數越多，繞組兩端串聯電阻上的電壓越高。下麵是製作過程。

 

對我的漏極電流，我選擇了25匝。流入漏極的電流範圍是0.5A到10A
，因此這是合理的選擇。我還想要1V/A輸出。終端電阻應該是：
 

 

線規應是＃32 AWG絕緣電磁線。

2. 電線纏繞螺旋線圈均勻圍繞著磁芯
，這有助於將次級導線產生的磁通量包含在磁芯內；

3. 在小的PCB或perf board上，將導線末端連到終端電阻。由於同軸電纜會給線圈/PCB組件帶來很大機械應力（圖2），因此PCB也用於將同軸電纜固定在PCB和終端電阻上

；

4. 用1A的脈衝電流來測試探頭，確認峰值瞬態電壓為1V（圖3）。如果不是，則嚐試用接近25Ω的電阻來產生1V瞬態峰值
；

5. 保形地塗覆整個螺旋線圈/PCB組件。環氧樹脂效果很好。確保螺旋線圈中心有一個幹淨但有塗層的孔
；

6. 執行上述步驟4來校準電流探頭並測量電流探頭的時間常數（圖4）。

 

上述步驟也適用於具有不同電流範圍的電流探頭。

 

 

市場上買得到的電壓和電流探頭大都沒有足夠的帶寬來查看高頻功率器件呈現的高頻電流波形和邊緣。那麼，為了查看“真實”信號
，你需要構建自己的電壓和電流探頭。這兩部分提出的探頭構建是探頭設計的一個良好起點。

 

附錄A

 

使用下麵的公式來計算已知磁芯和匝數的電感值。該計算針對初級電感（1個繞組和1個磁芯），沒有從磁芯其它繞組反射任何負載
，例如在一個互感器內（> 1個繞組和1個磁芯）。

 

 

其中：

 

L是電感（單位為H）；

 

N是匝數
；

 

AL是電感係數，單位為nH/T²（由磁芯製造商提供）。




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