你的位置：首頁(yè) > RF/微波 > 正文

設計和制作用于功率測量的示波器探頭

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

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



 
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今的開(kāi)關(guān)電源設計。高頻探頭價(jià)格昂貴，很多小公司通常無(wú)力購買(mǎi)。我們還研究了50Ω、1:1無(wú)源探頭的基本結構，并討論了可能導致信號失真的傳輸線(xiàn)效應以及如何補償這些誤差。本文將介紹一個(gè)n:1電壓探頭和一個(gè)電流探頭的設計和建構。
 
50Ω、n:1電壓探頭
 
只要到達示波器的信號不超過(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。對其它應用，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，以測量110 VAC到220 VAC、300W功率因數校正電路的功率信號。
 
最大電壓：+400VDC加上任何尖峰電壓。
 
被測器件：
 
● D3超結MOSFET，部件號：D3S340N65B-U（VDSS=650V, ID =12A, RDS(on)=360mΩ（標稱(chēng)）, tf >6.5ns）
● CREE SiC肖特基整流器，部件號：C3D04060A（600V, 7.5A）
 
步驟：
 
切下一段長(cháng)約5英寸（12.5cm）的RG174（50Ω）電纜。最好是一端已有BNC連接器；
從電纜上剝去0.5英寸（12mm）的絕緣護層。切開(kāi)絕緣護層的屏蔽層。剝去0.25英寸（6mm）的中心導體絕緣層；
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)尖端檢測電阻的電流（IS）為：
 
檢測電阻的值是：
 
 
5.檢查檢測電阻的功耗：
 
 
注意：該功耗在單個(gè)¼W電阻的額定功率范圍內，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估算高頻半導體開(kāi)關(guān)內的開(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、1:n正向模式互感器。由于初級不是理想的單匝，其準確性將在最終的校準中確定。次級線(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)效應最小，避免成為示波器輸入信號的有效部分。終端電阻可防止大信號電流進(jìn)入電纜。示波器終端應設為1MΩ。
 
電流是通過(guò)電路支路測量的，阻抗應非常低。電流探頭的反射阻抗（插入阻抗）應盡可能低（低Rt）,且仍能為示波器輸入提供所需的幅度。
 
次級繞組上感應的電流是：
 
 
要將此電流轉換為示波器上顯示的電壓，必須在次級繞組上放置一個(gè)電阻，該電阻可以是任何值，但電阻值越高，初級目標電路的反電動(dòng)勢就越大。反電動(dòng)勢表現為與目標電流路徑串聯(lián)的額外壓降，它會(huì )影響初級電流，從而影響其測量精度。初級電流測量誤差與次級電阻值成正比。
 
通常由電流探頭觀(guān)測到的AC電流范圍可從100A（1kW電源）低至mA（柵極驅動(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，因此需要使用多個(gè)電流探頭，它們針對高頻開(kāi)關(guān)電源內的不同電流水平具有不同的匝數比。匝數比不是固定不變的，常見(jiàn)的比率是：
 
● 25:1 (10A – 20A)
● 50:1 (1A – 10A)
● 100:1 (0.5A – 1A)
 
由于次級電流很小，只需＃32 AWG線(xiàn)規即可。
 
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)很大的機械應力。
 
校準問(wèn)題
 
與每個(gè)交流耦合電路一樣，交流電流信號傳遞到次級，但輸出的直流部分自動(dòng)校正為零。 直流“零”平均值出現在平均正值等于平均負值的輸出波形的某一點(diǎn)。短期平均零點(diǎn)將在每個(gè)信號周期內變化。圖3顯示了這一依賴(lài)時(shí)間的現象。每個(gè)電流探頭都有自己的時(shí)間常數。這可以通過(guò)在初級注入低頻脈沖電流來(lái)測量和表征。
 
 
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。
 
時(shí)間常數會(huì )導致電流波形失真（圖4）。
 
 
 
 
圖4：由互感器時(shí)間常數引起的電流顯示誤差。
 
時(shí)間常數約為：
 
 
結果是近似值，因為次級并非獨立的互感器，而是耦合了來(lái)自初級的負載。
 
用數字示波器校準電流探頭時(shí)，必須記住采樣率。將低頻矩形電流信號注入CT的初級電路時(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據我可以相信？”可用的數據是（最值得信賴(lài)的測量，失真引起的誤差非常?。?/div>
 
1.所有高速轉換幅值；
2.周期比電流探頭的時(shí)間常數小得多的信號波形；
3.轉換之間的周期（時(shí)間）測量；
4. 比探頭時(shí)間常數（tr<˜0.05?C）短得多的上升和下降時(shí)間。
 
具有可與時(shí)間常數相比的周期的波形將因時(shí)間常數失真。時(shí)間常數被加到實(shí)際信號中。圖5為信號周期大于時(shí)間常數的1/2造成這種失真的一個(gè)例子。
 
 
圖5：電流探頭會(huì )因為時(shí)間常數使輸入信號失真。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轉換器低側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)間常數為14µs。
 
圖6顯示了如果在目標電路同一位置的電流檢測電阻上查看，實(shí)際信號是如何按預期出現的。盡管內心里想以任何精度從顯示信號中減去時(shí)間常數，但這在數學(xué)上不切實(shí)際。因此，關(guān)于顯示可信度的陳述與電流轉換相去甚遠。當然，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學(xué)計算，但是帶寬太低。
 
 
圖6：信號周期由差不多相等的分量組成時(shí)的電流探測信號。
 
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電流探頭的設計步驟。
 
第一個(gè)任務(wù)是決定使用什么磁芯材料。無(wú)需細究磁學(xué)的長(cháng)篇大論，你所需的是低磁導率（μ）高頻材料。磁導率是繞組內的電流量，可在磁芯內產(chǎn)生給定的磁通密度（磁通線(xiàn)數量）變化。在高磁通密度下，磁芯開(kāi)始飽和（磁導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)引導磁芯內的導線(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、因轉角引起的渦流等。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，磁導率越低。較低的磁導率還可以得到更大的帶寬。對于合理的線(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55051A2）是不錯選擇。更大尺寸的磁芯可在直徑更大的導線(xiàn)中使用。
 
常見(jiàn)的匝數有25、50、100，當然，其它不同的匝數也是可用的。匝數越多，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。終端電阻應該是：
 
 
線(xiàn)規應是＃32 AWG絕緣電磁線(xiàn)。
2. 電線(xiàn)纏繞螺旋線(xiàn)圈均勻圍繞著(zhù)磁芯，這有助于將次級導線(xiàn)產(chǎn)生的磁通量包含在磁芯內；
3. 在小的PCB或perf board上，將導線(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)很大機械應力（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)測試探頭，確認峰值瞬態(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. 執行上述步驟4來(lái)校準電流探頭并測量電流探頭的時(shí)間常數（圖4）。
 
上述步驟也適用于具有不同電流范圍的電流探頭。
 
結論
 
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的高頻電流波形和邊緣。那么，為了查看“真實(shí)”信號，你需要構建自己的電壓和電流探頭。這兩部分提出的探頭構建是探頭設計的一個(gè)良好起點(diǎn)。
 
附錄A
 
使用下面的公式來(lái)計算已知磁芯和匝數的電感值。該計算針對初級電感（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載，例如在一個(gè)互感器內（> 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；
 
 
特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書(shū)下載更多>>
熱門(mén)搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉

久久无码人妻精品一区二区三区_精品少妇人妻av无码中文字幕_98精品国产高清在线看入口_92精品国产自产在线观看481页