探头讲解第二篇：AC/DC电流探头

1. 概述
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。
 
2. 电流探头的分类和原理
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，也有有源的AC探头，比如说柔性电流探头，相对来说，成本高很多；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。下面主要讲AC/DC电流探头：
 DC/AC电流探头既可以测量直流也可以测量交流信号，根据测量带宽可以分为低频嵌和高频嵌两种。低频嵌的电路原理一般采用开环系统测量，其精度低，带宽低，典型值为100KHz；高频嵌一般采用闭环系统测量，其精度高，带宽高，响应时间都在ns级别以上。下面将分别介绍：
市场上常见的DC/AC低频嵌,如CYBERTEK的CP8100L，泰克的A622带宽都在100KHz，其测量原理就是典型的开环系统测量，嵌头示意图如图3，霍尔器件感应DC和AC信号，由于霍尔器件的带宽有限，典型带宽值在100KHz左右，所以这类电流嵌的特点是带宽比较窄，响应时间在us级别，成本相对比较低，应用在要求不高的场合。
    
图3 低频嵌测量原理示意图
    另一类是市场上常见的高频DC/AC嵌，如CYBERTEK公司的CP3000,4000,8000A系列， 泰克的 TCP202 ,TCP312，TCP303等都属于这一类型。其特点是精度高，频带宽。原理如图4，该电路是典型的闭环系统，零磁通型电路，即原边电流所产生的磁场通过一个副边线圈的电流所产生的磁场进行补偿．使霍尔器件始终处于检测零磁通的工作状态。霍尔元件检测低频成分，线圈检测高频成分，两者合二为一，达到高带宽，高精度，满足应用要求比较高的场合。

图4 高频DC/AC嵌典型原理框图
 
3. 电流探头重要指标
 3.1 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。
 3.2 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，为实现最大的幅度测量精度，必需选择带宽比计划测量的最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。为精确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。

图5 带宽是正弦波的幅度下降70.7% (-3 dB) 的响应曲线中的频率
 
3.3 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。
3.4 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。
3.5 最大额定输入电流
最大额定输入电流：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，以计算最大总输入电流。
3.6 额定最大峰值脉冲电流
 
额定最大峰值脉冲电流：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。最大额定峰值脉冲电流通常规定为安培秒乘积。
4. 电流探头实例分析
4.1        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，低频嵌选择CP8100L（100A/100KHz），高频嵌选择CP8030A（30A/40MHz）。
4.1.1       实测低频信号（50Hz电源线波形）对比(示波器为力科waveSurfer 62Xs)

图 6电流嵌测量电源线上电流波形系统  1通道为CP8030A,2通道为CP8100L
                                 图7 高低频捕捉电源线上的电流波形

图片分析，电流大小为1.95A左右（因为探头所在量程的电流传输比为0.1V/A，由于实测值为195mV，经计算为1.95A），频率为50Hz，两款探头实测非常接近，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。[page]
4.1.2      实测开关电源MOS管DS极间电流对比


4.2  高频电流探头在开关电源中的应用（CP8030A和TCP0030实测对比）
 
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CP8030A（40MHz/30A） 和泰克的TCP0030(120MHz/30A)实测做对比，示波器为TEK MDO4104-6 测试系统如下图11：

 

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CP8000 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。2015年推出的CP8030H 带宽高达100MHz，完全达到世界先进水平。
 
通过以上实例分析，CP8000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。非常适合LED，开关电源，UPS，逆变器，新能源方面的电流测量。