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設(shè)計(jì)和制作用于功率測(cè)量的示波器探頭

發(fā)布時(shí)間：2018-02-12 來(lái)源：Martin Brown 責(zé)任編輯：lina

【導(dǎo)讀】無(wú)源探頭受到帶寬限制，它們不能用于當(dāng)今的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)。高頻探頭價(jià)格昂貴，很多小公司都無(wú)法實(shí)現(xiàn)。之前我們介紹了50Ω、1:1無(wú)源探頭的基本結(jié)構(gòu)，并討論了可能使信號(hào)失真的傳輸線(xiàn)影響以及如何進(jìn)行補(bǔ)償。本文將介紹一個(gè)n:1電壓探頭和一個(gè)電流探頭的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)。

之前我們介紹了無(wú)源探頭的帶寬限制以及為什么它們不能用于當(dāng)今的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)。高頻探頭價(jià)格昂貴，很多小公司通常無(wú)力購(gòu)買(mǎi)。我們還研究了50Ω、1:1無(wú)源探頭的基本結(jié)構(gòu)，并討論了可能導(dǎo)致信號(hào)失真的傳輸線(xiàn)效應(yīng)以及如何補(bǔ)償這些誤差。本文將介紹一個(gè)n:1電壓探頭和一個(gè)電流探頭的設(shè)計(jì)和建構(gòu)。

50Ω、n:1電壓探頭

只要到達(dá)示波器的信號(hào)不超過(guò)輸入放大器可處理的范圍，基本的1:1無(wú)源探頭就非常有用。雖然許多商用無(wú)源探頭可以1:1和10:1雙模式工作，但有時(shí)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(huì)損壞示波器，所以常常需要1000:1的探頭。對(duì)其它應(yīng)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(cè)量110 VAC到220 VAC、300W功率因數(shù)校正電路的功率信號(hào)。

最大電壓：+400VDC加上任何尖峰電壓。

被測(cè)器件：

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

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

步驟：

切下一段長(zhǎng)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?nèi)?.5英寸（12mm）的絕緣護(hù)層。切開(kāi)絕緣護(hù)層的屏蔽層。剝?nèi)?.25英寸（6mm）的中心導(dǎo)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(guò)尖端檢測(cè)電阻的電流（IS）為：

檢測(cè)電阻的值是：

5.檢查檢測(cè)電阻的功耗：

注意：該功耗在單個(gè)¼W電阻的額定功率范圍內(nèi)，但電阻會(huì)變熱。我將兩個(gè)100kΩ、¼W電阻并聯(lián)使用。

6.如圖1所示組裝電纜的檢測(cè)端。

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

高頻電流探頭

市面上常見(jiàn)的電流探頭帶寬從60MHz到120MHz不等。查看高頻電流波形對(duì)估算高頻半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)內(nèi)的開(kāi)關(guān)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(gè)電流探頭的示例。

圖2：高頻電流探頭使用螺旋線(xiàn)圈來(lái)捕獲導(dǎo)線(xiàn)中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。

圖2中的電流探頭本質(zhì)上是個(gè)具有較高漏電流的¼匝初級(jí)、1:n正向模式互感器。由于初級(jí)不是理想的單匝，其準(zhǔn)確性將在最終的校準(zhǔn)中確定。次級(jí)線(xiàn)圈均勻地排布在螺旋線(xiàn)圈磁芯周?chē)?/div>

終端電阻必須緊靠繞線(xiàn)螺旋線(xiàn)圈放置。這樣做可以使同軸電纜的傳輸線(xiàn)效應(yīng)最小，避免成為示波器輸入信號(hào)的有效部分。終端電阻可防止大信號(hào)電流進(jìn)入電纜。示波器終端應(yīng)設(shè)為1MΩ。

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

次級(jí)繞組上感應(yīng)的電流是：

要將此電流轉(zhuǎn)換為示波器上顯示的電壓，必須在次級(jí)繞組上放置一個(gè)電阻，該電阻可以是任何值，但電阻值越高，初級(jí)目標(biāo)電路的反電動(dòng)勢(shì)就越大。反電動(dòng)勢(shì)表現(xiàn)為與目標(biāo)電流路徑串聯(lián)的額外壓降，它會(huì)影響初級(jí)電流，從而影響其測(cè)量精度。初級(jí)電流測(cè)量誤差與次級(jí)電阻值成正比。

通常由電流探頭觀測(cè)到的AC電流范圍可從100A（1kW電源）低至mA（柵極驅(qū)動(dòng)電路）水平。一個(gè)電流探頭無(wú)法滿(mǎn)足上述范圍要求且仍處在示波器輸入的輸入動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，因此需要使用多個(gè)電流探頭，它們針對(duì)高頻開(kāi)關(guān)電源內(nèi)的不同電流水平具有不同的匝數(shù)比。匝數(shù)比不是固定不變的，常見(jiàn)的比率是：

● 25:1 (10A – 20A)

● 50:1 (1A – 10A)

● 100:1 (0.5A – 1A)

由于次級(jí)電流很小，只需＃32 AWG線(xiàn)規(guī)即可。

終端電阻可通過(guò)下式估算：

圖2所示的電流探頭使用SMD電阻，這就是為什么需要一個(gè)小PCB來(lái)安裝它并固定到同軸電纜的末端。務(wù)必保形涂覆整個(gè)電流互感器組件；繞組非常脆弱，同軸電纜會(huì)給電流探頭帶來(lái)很大的機(jī)械應(yīng)力。

校準(zhǔn)問(wèn)題

與每個(gè)交流耦合電路一樣，交流電流信號(hào)傳遞到次級(jí)，但輸出的直流部分自動(dòng)校正為零。直流“零”平均值出現(xiàn)在平均正值等于平均負(fù)值的輸出波形的某一點(diǎn)。短期平均零點(diǎn)將在每個(gè)信號(hào)周期內(nèi)變化。圖3顯示了這一依賴(lài)時(shí)間的現(xiàn)象。每個(gè)電流探頭都有自己的時(shí)間常數(shù)。這可以通過(guò)在初級(jí)注入低頻脈沖電流來(lái)測(cè)量和表征。

圖3：通過(guò)注入輸入電流脈沖來(lái)校正電流探頭，以確定探頭的時(shí)間常數(shù)。

時(shí)間常數(shù)會(huì)導(dǎo)致電流波形失真（圖4）。

圖4：由互感器時(shí)間常數(shù)引起的電流顯示誤差。

時(shí)間常數(shù)約為：

結(jié)果是近似值，因?yàn)榇渭?jí)并非獨(dú)立的互感器，而是耦合了來(lái)自初級(jí)的負(fù)載。

用數(shù)字示波器校準(zhǔn)電流探頭時(shí)，必須記住采樣率。將低頻矩形電流信號(hào)注入CT的初級(jí)電路時(shí)，示波器的采樣不會(huì)總與峰值輸出電壓點(diǎn)重合。這就需要注入多個(gè)輸入電流脈沖，并找到最高值的輸出電壓峰值。

你可能會(huì)問(wèn)：“電流探頭提供的什么數(shù)據(jù)我可以相信？”可用的數(shù)據(jù)是（最值得信賴(lài)的測(cè)量，失真引起的誤差非常小）：

1.所有高速轉(zhuǎn)換幅值；

2.周期比電流探頭的時(shí)間常數(shù)小得多的信號(hào)波形；

3.轉(zhuǎn)換之間的周期（時(shí)間）測(cè)量；

4. 比探頭時(shí)間常數(shù)（tr<˜0.05?C）短得多的上升和下降時(shí)間。

具有可與時(shí)間常數(shù)相比的周期的波形將因時(shí)間常數(shù)失真。時(shí)間常數(shù)被加到實(shí)際信號(hào)中。圖5為信號(hào)周期大于時(shí)間常數(shù)的1/2造成這種失真的一個(gè)例子。

圖5：電流探頭會(huì)因?yàn)闀r(shí)間常數(shù)使輸入信號(hào)失真。上部（綠色）跡線(xiàn)為干凈的VDS，下部（紅色）跡線(xiàn)為失真的ID。

圖5顯示了一個(gè)110kHz離線(xiàn)LLC轉(zhuǎn)換器低側(cè)MOSFET的VDS和ID。來(lái)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(shí)間常數(shù)為14µs。

圖6顯示了如果在目標(biāo)電路同一位置的電流檢測(cè)電阻上查看，實(shí)際信號(hào)是如何按預(yù)期出現(xiàn)的。盡管內(nèi)心里想以任何精度從顯示信號(hào)中減去時(shí)間常數(shù)，但這在數(shù)學(xué)上不切實(shí)際。因此，關(guān)于顯示可信度的陳述與電流轉(zhuǎn)換相去甚遠(yuǎn)。當(dāng)然，也可以花大價(jià)錢(qián)買(mǎi)一個(gè)磁性“DC”電流探頭幫你做上述數(shù)學(xué)計(jì)算，但是帶寬太低。

圖6：信號(hào)周期由差不多相等的分量組成時(shí)的電流探測(cè)信號(hào)。

10A高頻電流探頭

本示例概述了適用于>10kHz開(kāi)關(guān)電源的1A至10A電流探頭的設(shè)計(jì)步驟。

第一個(gè)任務(wù)是決定使用什么磁芯材料。無(wú)需細(xì)究磁學(xué)的長(zhǎng)篇大論，你所需的是低磁導(dǎo)率（μ）高頻材料。磁導(dǎo)率是繞組內(nèi)的電流量，可在磁芯內(nèi)產(chǎn)生給定的磁通密度（磁通線(xiàn)數(shù)量）變化。在高磁通密度下，磁芯開(kāi)始飽和（磁導(dǎo)率下降并且不再是線(xiàn)性的）。這是你需要避免的情況。

然后需要一個(gè)閉合磁環(huán)路來(lái)引導(dǎo)磁芯內(nèi)的導(dǎo)線(xiàn)輻射磁場(chǎng)（與電流成比例）?？梢杂寐菪€(xiàn)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(chǎng)效應(yīng)、因轉(zhuǎn)角引起的渦流等。理想的磁芯是鉬坡莫合金螺旋線(xiàn)圈，是鉬（一種非磁間隙材料）和鐵氧體的混合物。鉬含量越高，磁導(dǎo)率越低。較低的磁導(dǎo)率還可以得到更大的帶寬。對(duì)于合理的線(xiàn)徑，如在中低功率開(kāi)關(guān)電源中所見(jiàn)，Magnetics公司的13.5mm（0.5in）環(huán)形磁芯（部件號(hào)55051A2）是不錯(cuò)選擇。更大尺寸的磁芯可在直徑更大的導(dǎo)線(xiàn)中使用。

常見(jiàn)的匝數(shù)有25、50、100，當(dāng)然，其它不同的匝數(shù)也是可用的。匝數(shù)越多，繞組兩端串聯(lián)電阻上的電壓越高。下面是制作過(guò)程。

對(duì)我的漏極電流，我選擇了25匝。流入漏極的電流范圍是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(yīng)該是：

線(xiàn)規(guī)應(yīng)是＃32 AWG絕緣電磁線(xiàn)。

2. 電線(xiàn)纏繞螺旋線(xiàn)圈均勻圍繞著磁芯，這有助于將次級(jí)導(dǎo)線(xiàn)產(chǎn)生的磁通量包含在磁芯內(nèi)；

3. 在小的PCB或perf board上，將導(dǎo)線(xiàn)末端連到終端電阻。由于同軸電纜會(huì)給線(xiàn)圈/PCB組件帶來(lái)很大機(jī)械應(yīng)力（圖2），因此PCB也用于將同軸電纜固定在PCB和終端電阻上；

4. 用1A的脈沖電流來(lái)測(cè)試探頭，確認(rèn)峰值瞬態(tài)電壓為1V（圖3）。如果不是，則嘗試用接近25Ω的電阻來(lái)產(chǎn)生1V瞬態(tài)峰值；

5. 保形地涂覆整個(gè)螺旋線(xiàn)圈/PCB組件。環(huán)氧樹(shù)脂效果很好。確保螺旋線(xiàn)圈中心有一個(gè)干凈但有涂層的孔；

6. 執(zhí)行上述步驟4來(lái)校準(zhǔn)電流探頭并測(cè)量電流探頭的時(shí)間常數(shù)（圖4）。

上述步驟也適用于具有不同電流范圍的電流探頭。

結(jié)論

市場(chǎng)上買(mǎi)得到的電壓和電流探頭大都沒(méi)有足夠的帶寬來(lái)查看高頻功率器件呈現(xiàn)的高頻電流波形和邊緣。那么，為了查看“真實(shí)”信號(hào)，你需要構(gòu)建自己的電壓和電流探頭。這兩部分提出的探頭構(gòu)建是探頭設(shè)計(jì)的一個(gè)良好起點(diǎn)。

附錄A

使用下面的公式來(lái)計(jì)算已知磁芯和匝數(shù)的電感值。該計(jì)算針對(duì)初級(jí)電感（1個(gè)繞組和1個(gè)磁芯），沒(méi)有從磁芯其它繞組反射任何負(fù)載，例如在一個(gè)互感器內(nèi)（> 1個(gè)繞組和1個(gè)磁芯）。