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作者：泰克科技，Yogesh Pai
示波器測(cè)量電流的常見(jiàn)方法包括使用電流互感器、羅氏線圈和霍爾效應(yīng)鉗式探頭。按規(guī)格要求使用時(shí)，優(yōu)質(zhì)磁探頭的測(cè)量結(jié)果非常準(zhǔn)確。因?yàn)椴恍枰獢嚅_電路，因此用于測(cè)量在電線或測(cè)試回路中流動(dòng)的電流也很方便。然而，磁探頭存在一些固有的局限性。在本文中，作者將介紹針對(duì)基于分流器進(jìn)行電流測(cè)量而優(yōu)化的探頭屬性，并探討 IsoVuTM電流分流探頭特別適用的兩種應(yīng)用。
如上所述，使用磁探頭測(cè)量時(shí)需要一根線圈。由于物理限制或電路的敏感性，有時(shí)無(wú)法使用這種線圈。由于磁性材料的特性，即使是高端鉗式電流探頭，帶寬也被限制在 100 MHz 左右。盡管人們可能會(huì)認(rèn)為非接觸式探頭不會(huì)影響電路性能，但磁探頭插入阻抗的意外影響卻讓許多工程師困惑不已，因?yàn)樵撟杩乖谌珟捪驴赡芙咏?1 Ω。
圖 1當(dāng)有電線或測(cè)試環(huán)路可用、插入電感可以容忍且?guī)捪拗圃?100 MHz 左右時(shí)，使用示波器鉗式交流/直流電流探頭非常方便。但在無(wú)法滿足此類要求時(shí)，工程師往往選擇分流電阻器。分流探頭就是為此目的而設(shè)計(jì)的。
由于上述限制，許多工程師轉(zhuǎn)向使用精密分流電阻器或電流觀察電阻器 (CVR)。電壓探頭用于測(cè)量分流器兩端的電壓降，歐姆定律則用于計(jì)算電流。當(dāng)分流電阻器的一端接地時(shí)，共模電壓不會(huì)成為主要問(wèn)題。但當(dāng)分流電阻器處于浮動(dòng)狀態(tài)時(shí)，則可能會(huì)暴露在較高的共模電壓下。探頭必須經(jīng)過(guò)專門設(shè)計(jì)，以承受類電壓而不受損，并能夠抑制輸出共模信號(hào)。
無(wú)源探頭和差分探頭設(shè)計(jì)用于檢測(cè)高阻抗負(fù)載，它們具有高輸入阻抗，以減少對(duì)被測(cè)設(shè)備的負(fù)載影響。差分探頭的輸入阻抗約為 100 kΩ，大多數(shù)無(wú)源探頭的輸入阻抗約為 10 MΩ，不過(guò)也有的輸入阻抗為 1 MΩ 或 2 MΩ (TPP0502)。理想的分流電阻器是一種低阻抗裝置。由于分流阻抗極低，因此不需要高阻抗探頭。事實(shí)上，任何通過(guò)高阻抗探頭的噪聲電流都會(huì)增加示波器的噪聲電壓。
新型 IsoVu 隔離電流探頭專門優(yōu)化了使用分流電阻器的電流測(cè)量，即使在分流電阻器未接地且受到顯著共模電壓影響的情況下，也能準(zhǔn)確測(cè)量電流。新型 IsoVu 隔離電流分流探頭具有以下主要特點(diǎn)：
- 高帶寬。與互感器Rogowski和霍爾效應(yīng)電流探頭不同的是，TICP 電流探頭與高性能分流器或 CVR結(jié)合使用時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)從直流到數(shù)百兆赫范圍的電流測(cè)量。有三種型號(hào)可選，帶寬分別為 250 MHz、500 MHz 和 1 GHz，您可以根據(jù)自己的應(yīng)用和預(yù)算進(jìn)行選擇。
- 探頭尖端和示波器之間的完全射頻隔離消除了接地環(huán)路，有助于在 1 MHz 時(shí)提供高達(dá) 90 dB 的出色共模抑制 (CMRR)，從而大幅降低共模噪聲。
- 低噪聲和高共模抑制。專為電流分流器的低噪聲測(cè)量而設(shè)計(jì)，特別適用于電源電路的浮動(dòng)部分。
- 在測(cè)量分流器等兩端的低電壓 (+/- 0.5 V) 時(shí)，具有低衰減和低輸入阻抗 (50Ω) 的特性，這意味著可將噪聲限制在 4.7 nV/√Hz 以下（1 GHz 時(shí)小于 150 μV）。
- 所有尖端和配件均旨在控制噪聲。
- 可通過(guò) TekVPI? 接口連接至泰克 4、5 和 6 系列 MSO 示波器，該接口可以自動(dòng)檢測(cè)和配置探頭和探頭尖端。
高保真電流測(cè)量為下一代電源轉(zhuǎn)換器提供洞察力
圖 2在半橋功率轉(zhuǎn)換器高側(cè)進(jìn)行雙脈沖測(cè)試時(shí)，如果使用串聯(lián)電阻，IsoVu隔離電流分流探頭由于具有高共模電壓和高共模抑制比而能夠提供準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。
新型 IsoVu 電流分流探頭兼具高帶寬和高共模抑制，可在碳化硅和氮化鎵電源轉(zhuǎn)換器中提供準(zhǔn)確的電流測(cè)量。
快速開關(guān)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的帶寬
碳化硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管的漏極電流上升和下降時(shí)間約為 10 納秒。如果我們將這個(gè)時(shí)間轉(zhuǎn)換為帶寬，使用一階滾降模型來(lái)計(jì)算，那么邊緣的帶寬是 0.35/10 ns = 35 MHz。為了準(zhǔn)確測(cè)量邊緣上的任何振蕩和失真，測(cè)量系統(tǒng)的帶寬應(yīng)該明顯大于該值。因此，分流電阻器、探頭和示波器的組合應(yīng)具有 200 MHz 或更高的帶寬。傳統(tǒng)的電流測(cè)量技術(shù)，例如電流互感器（Pearson CT 等）、羅氏線圈和霍爾效應(yīng)探頭，測(cè)量能力限制在約 100 MHz。使用這些常見(jiàn)的電流探頭嚴(yán)重限制了觀察高頻分量的能力。
TICP 探頭提供了所需的帶寬，能夠準(zhǔn)確捕捉寬帶隙開關(guān)器件的快速上升沿，其可用帶寬高達(dá) 1 GHz。
圖 3在半橋功率轉(zhuǎn)換器上進(jìn)行的雙脈沖試驗(yàn)。上方（藍(lán)色）波形表示 VDS。黃色波形清楚地顯示了 IsoVu 隔離電流探頭測(cè)量的快速上升漏極電流和震蕩。紫色波形表示負(fù)載電感電流。最下方的（紅色）波形表示 IsoVu 隔離電壓探頭測(cè)得的柵極電壓。
高側(cè)電流測(cè)量
碳化硅電源轉(zhuǎn)換器高側(cè)的分流電阻器會(huì)受到快速變化的共模電壓的影響，該共模電壓在近地線電平和電源電源之間變化。
TICP 探頭具有高共模抑制，因此非常適合對(duì)碳化硅電源轉(zhuǎn)換器中使用的浮動(dòng)分流器和 CVR 進(jìn)行電流測(cè)量。TICP 探頭與實(shí)現(xiàn)了突破性改進(jìn)的 IsoVuTIVP 隔離電壓探頭相輔相成，為電流測(cè)量帶來(lái)了類似的隔離技術(shù)突破。完全的射頻隔離消除了接地環(huán)路。使用 1X 探頭時(shí)，在 1 Mhz 頻率下可提供 90 dB 的共模抑制比，在 250 Mhz 頻率下可提供 70 dB 的共模抑制比。
最大共模電壓和安全等級(jí)
新探頭具有隔離和安全等級(jí)優(yōu)勢(shì)，非常適用于功率轉(zhuǎn)換器中在高電壓下浮動(dòng)的分流電阻器和電流觀察電阻器 (CVR)。TICP 系列探頭達(dá)到 1000 V CAT II 應(yīng)用安全等級(jí)，在 1 級(jí)污染環(huán)境中能夠承受最大 1.8 kV 的共模電壓，且能夠承受最大 5 kV 峰值的瞬態(tài)電壓。
低功耗系統(tǒng)中的準(zhǔn)確電流測(cè)量：測(cè)量納秒內(nèi)電流消耗
對(duì)于努力充分利用電池供電設(shè)計(jì)中每一分鐘運(yùn)行時(shí)間的工程師來(lái)說(shuō)，使用新型 IsoVu 電流探頭能夠測(cè)量納秒內(nèi)低電平動(dòng)態(tài)電流。這意味著，他們對(duì)物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)設(shè)備電源管理的理解比以往任何時(shí)候都更加透徹。
圖 4通過(guò)測(cè)量微控制器 3.3 V 電源軌上的串聯(lián)電阻，IsoVu 電流探頭可以顯示處理器在不同操作模式和休眠模式下消耗的電流量。
動(dòng)態(tài)電流測(cè)量的帶寬
TICP 探頭具有進(jìn)行以下活動(dòng)所需的帶寬和動(dòng)態(tài)范圍：觀察狀態(tài)轉(zhuǎn)換，測(cè)量特定系統(tǒng)活動(dòng)期間以及從睡眠模式轉(zhuǎn)換至活躍模式的電流消耗。此外，TICP 探頭的共模電壓額定值高于大多數(shù)差分探頭，更加適合在電壓更高的電源軌上進(jìn)行測(cè)量。
使用低噪聲和隔離技術(shù)準(zhǔn)確測(cè)量低電流
TICP 探頭可限制噪聲，這對(duì)于使用分流器準(zhǔn)確測(cè)量低電流至關(guān)重要。該款探頭提供低尖端負(fù)載和低輸入阻抗，其噪聲規(guī)格為 4.7nV/√Hz，能夠在極低噪聲下準(zhǔn)確捕捉信號(hào)（20 MHz 時(shí)噪聲低于 21 μV，1 GHz 時(shí)噪聲低于 150 μV）。這種低噪聲特性讓該款 IsoVu 電流探頭成為 6 B 系列 MSO 等低噪聲示波器的好搭檔。
盡量減少連接麻煩
我們都知道，在被測(cè)設(shè)備上獲取信號(hào)可能非常困難。在設(shè)計(jì)新型 IsoVu 電流探頭時(shí)，泰克公司的設(shè)計(jì)師們想方設(shè)法，實(shí)現(xiàn)探頭與設(shè)備連接時(shí)的正向、低噪聲接觸。
圖 5 ISOVu 電流和電壓探頭使用 MMCX 連接器與被測(cè)設(shè)備建立高帶寬屏蔽連接。
與被測(cè)設(shè)備的低噪聲連接
為了方便工程師與商用和定制分流電阻器配置建立高度完整的連接，探頭采用靈活且可輕松彎曲的尖端，以減少連接時(shí)的應(yīng)力。探頭末端使用屏蔽式高帶寬 MMCX 連接器。由于 MMCX 連接器在市場(chǎng)上常見(jiàn)，因此很容易買到將 MMCX 連接器轉(zhuǎn)換為 SMA 或 BNC 連接器的適配器。標(biāo)準(zhǔn)套件中還包括一個(gè) SMA 探頭尖端，以及從 MMCX 連接器連接至 25 mil 方形引腳的適配器，用于連接到板上分流電阻器和測(cè)試點(diǎn)。該套件包含一個(gè)兩腳架和三腳架適配器，可牢固地固定探頭，并方便在測(cè)試過(guò)程中輕松放置探頭。
與 4、5 和 6 系列 MSO 示波器無(wú)縫集成
這些探頭可以通過(guò)智能 TekVPITM 探頭接口與 4、5 和 6 系列 MSO 示波器連接，此外，探頭通過(guò)該接口還可與示波器進(jìn)行雙向通信。該接口能夠自動(dòng)檢測(cè)探頭和尖端，并告訴示波器應(yīng)用衰減和輸入阻抗等關(guān)鍵設(shè)置。探頭設(shè)置可以從示波器的前面板或通過(guò)編程命令調(diào)整，因此無(wú)需人工干預(yù)即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試。
新款 IsoVuTM 電流分流探頭突破了電流互感器、羅氏線圈和霍爾效應(yīng)鉗式探頭的限制。雖然這些更傳統(tǒng)的電流測(cè)量方法具有許多優(yōu)點(diǎn)，但將 IsoVu 電流探頭與精密分流電阻器或 CVR 相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)帶寬更高、噪聲更低的測(cè)量。如果設(shè)計(jì)人員需要測(cè)量碳化硅和氮化鎵電源轉(zhuǎn)換器中的快速大電流變化，或需要測(cè)量電池供電嵌入式系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)電流消耗，這也是好消息。
