AC高頻柔性電流探頭 之第一篇

1.概述
電流探頭的應用十分廣泛，其基本原理是流經導線的電流會在周圍產生磁場，電流探頭把磁場轉化成相應的電壓信號，通過和示波器配合，觀察對應的電流波形。廣泛應用于開關電源、馬達驅動器、電子整流計、LED照明、新能源等領域。本文將講述常見的電流探頭的分類、原理、重要技術指標，并通過實例分析了解探頭之間的差別，讓大家能夠對探頭有個基本的了解。

2.電流探頭的分類和原理
目前示波器上的電流探頭基本分成兩類：即AC電流探頭和AC/DC電流探頭，AC電流探頭常見的是無源探頭，成本低，但不能處理直流分量；AC/DC電流探頭通常是有源探頭，分為低頻探頭和高頻探頭，低頻探頭常見的帶寬在幾百KHz以下，高頻探頭帶寬一般在幾MHz以上。
下面介紹AC探頭，重點介紹有源柔性電流探頭
AC電流探頭有無源的，也有有源的。
常見的無源AC探頭，比如說電流環，其基本原理如圖1，電流探頭前端有一個磁環，磁環上繞有線圈，使用時這個磁環套在被測的供電線上。由于電流流過電線所產生的磁場就被這個磁環收集到，磁通量和電線上流過的電流成正比，磁環上的線圈產生相應比例關系的電流，經后級匹配電路轉換成相應比例關系的電壓。無源AC探頭的缺點是不能測量直流型號，且低頻截止點通常在100Hz以上，優點是成本低。無源AC探頭根據嵌頭結構可分為分芯和實芯的兩種。分芯的嵌口可手動張開和關閉，優點是探頭能夠方便地卡到測量電流的導線上，在測量完成時，鉗口可以打開，探頭可以移到其它導線上；缺點是高頻響應速度比較慢。實芯AC無源探頭的優點是響應速度比較快，高頻帶寬達到ns級別，甚至更高；缺點是被測電流一般比較小，通常在100A以下，測量時必須斷開被測導線，把導線穿過轉換器，然后重新把導線連接到電路上，才能進行測量。

圖1常見的無源AC探頭測量原理示意圖
有源的AC探頭根據鉗口常見形式分為兩種：一種是普通的嵌式結構，另一種是柔性結構。普通的嵌式結構電流探頭一般都使用強磁性材料制作的鐵心，這種流過很大的一次電流，鐵心很容易產生磁飽和，因此使得無法進行準確的測量；而柔性探頭使用的是空芯型交流電流傳感器，因此在大電流的情況下也不飽和，所以柔性探頭一般用來測量大電流，而且只能測交流。柔性探頭的基本原理（如2）如下

圖2空芯交流電流傳感器
Vout=(u*S*N*I)/(R*C*l)其中R>>2fL
式中l：線圈長度； S：線圈截面積；N：匝數；L：電感量；u：磁導率
實際的柔性探頭一般會配合運放組成積分電路，達到更高的測量精度。
3.柔性電流探頭重要指標：
{C}1.{C}帶寬

柔性探頭是交流探頭，只能測量交流，帶寬有低頻截止點(-3dB點)fL和高頻截止點(-3dB點)fH。如下圖：（-3dB點：是指實際幅度的70.7%位置）

選擇探頭時就要考慮探頭的高頻截止點fH和低頻截止點是否滿足要求fL。
要保證幅度滿足精度要求，選擇時一般要留有5倍余量。比如說探頭的低頻截止點是50Hz，表明實際如果測量50Hz，幅度大概是實際值的70.7%，誤差高達近30%。也就是測量50Hz的頻率波形，那么實際選擇探頭時要考慮截止點低于10Hz的型號探頭。高頻截止點也是同樣道理，比如說驅動頻率是100KHz，要想準確測量，必須選擇高頻帶寬大于500KHz的電流探頭，當然如果考慮到上升沿的問題，帶寬就要綜合考慮了。有些電流波形，雖然頻率只有100KHz，但是上升沿可能只有幾十個ns，就需要帶寬高達幾十MHz的電流探頭了。
2.相位

柔性探頭一般在不同頻點相移不同，原理類似于RC的帶通過濾波器，這里簡單的舉個RC高通濾波器，幫助了解（注：網上摘錄RC高通濾波器圖）。


有以上分析可知：在低頻截止點位置RC高通濾波器相移為45°，柔性探頭類似于這種原理，柔性探頭時有源積分放大器，相移會有所不同，可通過廠家實測獲得數據。
待續！