【導(dǎo)讀】無源探頭受到帶寬限制，它們不能用于當(dāng)今的開關(guān)電源設(shè)計(jì)。高頻探頭價(jià)格昂貴，很多小公司都無法實(shí)現(xiàn)。之前我們介紹了50Ω、1:1無源探頭的基本結(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)。
之前我們介紹了無源探頭的帶寬限制以及為什么它們不能用于當(dāng)今的開關(guān)電源設(shè)計(jì)。高頻探頭價(jià)格昂貴，很多小公司通常無力購買。我們還研究了50Ω、1:1無源探頭的基本結(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)不超過輸入放大器可處理的范圍，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(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）, 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)體開關(guān)內(nèi)的開關(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圈來捕獲導(dǎo)線中電流產(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)線圈均勻地排布在螺旋線圈磁芯周圍。
終端電阻必須緊靠繞線螺旋線圈放置。這樣做可以使同軸電纜的傳輸線效應(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)電流探頭無法滿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線規(guī)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，這就是為什么需要一個(gè)小PCB來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)給電流探頭帶來很大的機(jī)械應(yīng)力。
校準(zhǔn)問題
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)。這可以通過在初級(jí)注入低頻脈沖電流來測(cè)量和表征。
圖3：通過注入輸入電流脈沖來校正電流探頭，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：“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）跡線為干凈的VDS，下部（紅色）跡線為失真的ID。
圖5顯示了一個(gè)110kHz離線LLC轉(zhuǎn)換器低側(cè)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(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)錢買一個(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（磁通線數(shù)量）變化。在高磁通密度下，磁芯開始飽和（磁導(dǎo)率下降并且不再是線性的）。這是你需要避免的情況。
然后需要一個(gè)閉合磁環(huán)路來引導(dǎo)磁芯內(nèi)的導(dǎo)線輻射磁場(chǎng)（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(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)于合理的線徑，如在中低功率開關(guān)電源中所見，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)線中使用。
常見的匝數(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：
線規(guī)應(yīng)是＃32 AWG絕緣電磁線。
2. 電線纏繞螺旋線圈均勻圍繞著磁芯，這有助于將次級(jí)導(dǎo)線產(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)線末端連到終端電阻。由于同軸電纜會(huì)給線圈/PCB組件帶來很大機(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的電阻來產(chǎn)生1V瞬態(tài)峰值；
5. 保形地涂覆整個(gè)螺旋線圈/PCB組件。環(huán)氧樹脂效果很好。確保螺旋線圈中心有一個(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(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）。
其中：
L是電感（單位為H）；
N是匝數(shù)；
AL是電感系數(shù)，單位為nH/T²（由磁芯制造商提供）。
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