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電流探頭測量實例和使用技巧

       電流探頭的應用十分廣泛，其基本原理是流經導線的電流會在周圍產生磁場，電流探頭把磁場轉化成相應的電壓信號，通過和示波器配合，觀察對應的電流波形。廣泛應用于開關電源、馬達驅動器、電子整流計、LED照明、新能源等領域。本文將講述常見的電流探頭的分類、原理、重要技術指標，并通過實例分析了解探頭之間的差別，讓大家能夠對探頭有個基本的了解。

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

2.1 精度

       精度：是指電流到電壓轉換的精度。拿 AC/DC 電流嵌為例，一般開環系統的精度比較差一點，典型值在 3%左右；閉環系統的精度比較高，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導致輸出幅度下降到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際幅度的70.7% 進行測量。因此，為實現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生衰減，導致顯示的轉換慢于實際轉換速度。為地測量上升時間和下降時間，使用的測量系統必需使用擁有充足的帶寬，可以保持構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，使用測量系統的上升時間時，系統的上升時間一般應該比要測量的上升時間快4-5 倍。在開關電源領域，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)轉換到被測的攜帶電流的導線中的阻抗。一般來說，電流探頭反射的阻抗值可以位于毫歐范圍內，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

        電流探頭指標應包括幅度與頻率額定值下降關系曲線，這一曲線把磁芯飽和與提高的頻率關聯     起來。頻率增加對磁芯飽和的影響在于，當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、同時仍能實現規定性能的總電流(DC 加峰值AC)。在AC 電流測量中，必須根據頻率降低峰到峰額定值，以計算可達總輸入電流。

2.6、額定峰值脈沖電流

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

三、電流探頭測量實例及說明

3.1  DC～低頻和 DC～高頻電流探頭實測對比

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

（1） 實測低頻信號（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（因為探頭所在量程電流傳輸比為 0.1V/A，由于實測值為 195MV，經計算為 1.9），頻率為 50HZ，兩款探頭實非接近，也就是在測低頻信號時，看不出差別，都能夠準確的捕捉到電流波形

（2） 實測開關電源 MOS 管 DS 極間電流對比

圖 8 測量 MOS 管 DS 極間電流波形系統

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

圖 10 實測 DS 電流波形細節

通過以上波形分析：

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

3.2高頻電流探頭在開關電源中的應用（CP8030A 和 TCP0030 實測對比）

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

實測做對比，示波器為 TEK MDO4104-6 測試系統如上圖：

       開關電源的開關頻率可以達到 100KHZ，當然還有更高的，瞬間的上升速度達到 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 藍線為 CP8030 實測數據對比

 圖 13 細節對比 黃色為 TCP0030 藍色為 CP8030A 實測波形

通過以上分析可知：

       高頻直交流電流探頭廣泛應用于開關電源領域里，從實測波形分析，雖然驅動頻率只有 100KHZ左右，但是瞬間的上升時間通常可以達到幾十個NS級別。普通低頻探頭帶寬顯然遠遠不夠。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測結果分析，誤差非常小，*客戶應用要求。本公司的 CPA3000,4000 放大器可以*兼容泰克對應的探頭系列，方便客戶的選擇。

       通過以上實例分析，CP8000A 系列配備標準的 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。