电流探头测量实例和使用技巧
电流探头测量实例和使用技巧
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。
一、电流探头分成ac电流探头和ac/dc电流探头。
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；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。
二、电流探头重要指标
2.1 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。我们的高频电流探头的精度就是1%。
2.2 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，为实现较大的幅度测量精度，必需选择带宽比计划测量的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。很常见的情况下，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。我们的高频电流探头带宽范围为5mhz-100mhz。
图5 带宽是正弦波的幅度下降70.7% (-3db) 的响应曲线中的频率
2.3 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。
2.4、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。
2.5、额定输入电流
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，以计算可达总输入电流。
2.6、额定峰值脉冲电流
额定峰值脉冲电流：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。额定峰值脉冲电流通常规定为安培秒乘积。
三、电流探头测量实例及说明
3.1 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）。
（1） 实测低频信号（50hz 电源线波形）对比
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从以上图片分析，电流大小为1.9 左右（因为探头所在量程电流传输比为 0.1v/a，由于实测值为 195mv，经计算为 1.9），频率为 50hz，两款探头实非接近，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
（2） 实测开关电源 mos 管 ds 极间电流对比
图 8 测量 mos 管 ds 极间电流波形系统
图 9 黄色为高频嵌（cp8030a）所测波形，红色为低频嵌(cp8100l)实测波形
图 10 实测 ds 电流波形细节
通过以上波形分析：
在捕捉 60khz 左右的开关电流波形时，从图 10 看到，电流波形的上升时间达到 35ns 左右，普通的低频嵌 cp8100l，带宽 100khz，上升时间 3.5us，远远无法满足要求；高频电流嵌cp8030a，带宽 40mhz，上升时间 8.75ns，满足实际测量要求。
3.2高频电流探头在开关电源中的应用（cp8030a 和 tcp0030 实测对比）
图 11 1 通道为 tek tcp0030 电流探头 2 通道为本公司的 cp8030a
实测做对比，示波器为 tek mdo4104-6 测试系统如上图：
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)
图 12 黄线为泰克 tcp312 蓝线为 cp8030 实测数据对比
图 13 细节对比 黄色为 tcp0030 蓝色为 cp8030a 实测波形
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 cp3000,4000,8000a 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，*客户应用要求。本公司的 cpa3000,4000 放大器可以*兼容泰克对应的探头系列，方便客户的选择。
通过以上实例分析，cp8000a 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。cp3000,4000 系列可以*兼容泰克系列探头，更加方便客户选择。
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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。
一、电流探头分成ac电流探头和ac/dc电流探头。
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；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。
二、电流探头重要指标
2.1 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。我们的高频电流探头的精度就是1%。
2.2 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，为实现较大的幅度测量精度，必需选择带宽比计划测量的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。很常见的情况下，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。我们的高频电流探头带宽范围为5mhz-100mhz。
图5 带宽是正弦波的幅度下降70.7% (-3db) 的响应曲线中的频率
2.3 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。
2.4、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。
2.5、额定输入电流
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，以计算可达总输入电流。
2.6、额定峰值脉冲电流
额定峰值脉冲电流：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。额定峰值脉冲电流通常规定为安培秒乘积。
三、电流探头测量实例及说明
3.1 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）。
（1） 实测低频信号（50hz 电源线波形）对比
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从以上图片分析，电流大小为1.9 左右（因为探头所在量程电流传输比为 0.1v/a，由于实测值为 195mv，经计算为 1.9），频率为 50hz，两款探头实非接近，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
（2） 实测开关电源 mos 管 ds 极间电流对比
图 8 测量 mos 管 ds 极间电流波形系统
图 9 黄色为高频嵌（cp8030a）所测波形，红色为低频嵌(cp8100l)实测波形
图 10 实测 ds 电流波形细节
通过以上波形分析：
在捕捉 60khz 左右的开关电流波形时，从图 10 看到，电流波形的上升时间达到 35ns 左右，普通的低频嵌 cp8100l，带宽 100khz，上升时间 3.5us，远远无法满足要求；高频电流嵌cp8030a，带宽 40mhz，上升时间 8.75ns，满足实际测量要求。
3.2高频电流探头在开关电源中的应用（cp8030a 和 tcp0030 实测对比）
图 11 1 通道为 tek tcp0030 电流探头 2 通道为本公司的 cp8030a
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图 12 黄线为泰克 tcp312 蓝线为 cp8030 实测数据对比
图 13 细节对比 黄色为 tcp0030 蓝色为 cp8030a 实测波形
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 cp3000,4000,8000a 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，*客户应用要求。本公司的 cpa3000,4000 放大器可以*兼容泰克对应的探头系列，方便客户的选择。
通过以上实例分析，cp8000a 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。cp3000,4000 系列可以*兼容泰克系列探头，更加方便客户选择。
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