常见的电流探头选择方案

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结论
测量电流的方式多种多样，每种方式都有其优点和限制，且每种探头都有最佳应用领域。当将它 们合理应用于设计的目标应用时，您才会得到最佳效果。您现在对电流探头的各种类型、基本原 理和各种电流探头类型之间的优点和限制有了较好的了解。 更多关于是德科技电流探头解决方案的信息，请访问 www.keysight.com/find/probes 并选择示 波器电流探头。
图 3. 夹合式电流探头是一种间接电流检测技术，探 头 夹 住 带电 流 的电 线 或 导 体周围，以 实 现 非 接 触 性 电流测量。
d
B
+
-
VH ∝ B
I VH
霍尔效应 传感器 — 直流/低频
B Vs / Vp = Ns / Np = Ip / Is f(dΦ/dt)
I 变压器 — 交流
交流/直流混合
www.axiestandard.org AdvancedTCA® 扩展仪器和测试 (AXIe) 是一个开放的标准，它扩展了 AdvancedTCA 的通用和半导体测试。是德是 AXIe 联盟的创始成员之一。 ATCA®、AdvancedTCA® 和 ATCA 徽标是 PCI 工业计算机制造商集团在美国 的商标。 www.lxistandard.org 局域网扩展仪器使以太网电源，且测试系统内部的网络。是德科技是 AXIe 联 盟的创始成员之一。 www.pxisa.org PCI 扩展仪器 (PXI) 模块化仪器提供坚固耐用、基于 PC 的高性能测量与自动 化系统。
夹合式电流探头 交/直流或交流 高达 150 MHz mA – 100 A 低到中 是 中到大 中等 是 是 高 1146B、1147B、 N2893A、N7026A、 N2780B/81B/82B/83B
罗氏线圈电流探头 交流 高达 30 MHz A 至 > kA 中到高 无 小 无 是 否 中 N7040A/41A/42A
罗氏线圈 I
I
C1
RO -
e
+
VOUT
积分器
图 7. 罗科夫斯基线圈生成与线圈环路中电流变化率（导数）成正比的电压。
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优点
罗科夫斯基线圈电流探头在各种不同类型的电流传感器或感应技术上都有许多优点。
磁芯
被测导体 反馈线圈
电阻
放大器
霍尔元件
图 5. 是德科技大多数夹合式电流探头常用的一种技术是交流/直流混合电流探头，它集成了霍尔效应传感器和电流互感器。
优点
– 探头和待测设备之间的电流隔离。 – 它们可以放置在电流路径上的任意位置，而不会切断电路。 – 插入阻抗较低。
限制
– 消磁和偏移误差消除 - 为了进行精确测量，需要偶尔对探头进行消磁，并在消磁后补偿探头 上保留的任何直流偏移。
1. 检测电阻或分流器：基于欧姆定律 2. 夹合式电流探头 - 交流电流互感器或混合霍尔效应传感器/交流电流互感器 3. 罗氏线圈：用于大交流电流测量的便捷探头
检测电阻或分流器
测量 DUT 电流的一种直接方式是在电流中使用分流电阻，测量电阻两端的压降，并使用欧姆定律 方程式（即，I = V/R）将电压转换为电流。此方法是有创测定法，其中检测/分流电阻和电压测量电 路或探头通过电气连接，并且是待测设备的一部分。因此，有很多因素需要考虑。
空心磁芯线圈以环形方式被置于带电流的导体周围，且交流电电流产生的磁场会在线圈中 感应电压。罗科夫斯基线圈生成与线圈环路中电流变化率（导数）成正比的电压。之后，该 线圈电压被整合，以便探头提供与输入电流信号成正比的输出电压。
图 6. 是德科技提供三个罗氏线圈电流探头，能够测 量高达 3,000Apk 的大电流。
– 最高带宽 >30 MHz 让罗氏线圈可以测量变化速度极快的电流信号 – 例如数千 A/µsec 的信号。高带宽 特 性 允许分析系 统中以高开 关 频 率运 行 的 高 阶 谐 波，或 精 确 监 控 具 有快 速 上 升或 下 降时间的开关波形。实现高信号完整性测量的优点。
– 非侵入性或无损测量 由于具有低插入阻抗，罗氏线圈从待测设备中抽取的电流极小。因为探头而注入到被 测 设备 中的阻 抗 只 是 几微 微 亨 利，因 而 支 持更快 速 的 信 号 响 应 和 非 常 线 性 化 的 信 号 电压。
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选择电流探头时的关键问题
– 确定您是测量交流、直流，还是直流上面的交流电流。 – 您要测量的最大电流是多少？ – 您要测量的最小电流是多少？ – 您正在测量的电流信号的共模电压是多少？ – 您的目标电流信号速度有多快？ – 待测设备尺寸有多大？ – 您同时使用多少个电流探头或电压探头？ – 待测量的导体的最大电压是多少？ – 您想要使用什么类型的示波器？ – 您的预算是多少？
是德科技 如何选择正确的电流探头
应用指南
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概述
示波器电流探头让示波器能够测量电流，扩展了测量电压以外的用途。基本上而言，电流探头通 过导体感应电流流动，并将电流转化为探头可以在示波器上查看并测量的电压。最常用的电流测 量方式是对带电导体的磁场感应。然而，还有多种可以选择的电流探头类型，且每种探头都有最 佳应用领域。当正确用于设计的应用情况时，可以获得最佳的结果。 本应用指南介绍常见的电流探头解决方案类型、基本原理、每种电流探头类型的优势和局限性， 以及将电流探头用于示波器应用时的实际考虑因素，从而充分利用这些探头。
– 使用灵活 轻 型包夹 式传 感 线 圈 使 用 灵 活，可 轻松 包 裹 住 带电 流 的 导 体 。其 可以 插 入电 路 内难 以触及的部件。大部分罗氏线圈都足够纤细，可以放入 T0-220 或 TO-247 功率半导 体封装腿之间，而无需额外的线圈连接电流探头。这也提供了实现高信号完整性测量 的优点。
罗氏线圈的工作原理是什么？
罗氏线圈的工作原理基于法拉第定律，讲述的是闭合电路中感应的总电动势与连接电路的 总磁通量时间变化率的正比关系。
罗科夫斯基线圈与交流电电流互感器类似，其中电压被导向第二线圈，并在该处与经过绝 缘导体的电流成正比关系。关键区别在于罗科夫斯基线圈带有空心磁芯，这一点与电流互 感器刚好相反，后者依靠高导磁率钢芯与第二绕线实现磁耦合。而空心磁芯则采用较低插 入抗阻的设计，实现更快的信号响应和线性的信号电压。
– 低成本 与霍尔效应传感器/互感器电流探头相比，罗氏线圈通常价格较低。
限制
– 仅限交流电 罗氏线圈无法处理直流电流，仅支持交流电流。
– 灵敏度 罗氏线圈与电流互感器相比，由于缺少高导磁率磁芯而灵敏度较低。
图 8. 轻型包夹式传感线圈使用灵活，可轻松包裹住 带电流的导体。
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图 4. 一种混合的交流/直流电流探头，整合了霍尔效应传感器和测量交流直流电流的电流互感器。
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另一种常见的 技术是混合交 流 / 直 流电 流 探 头，在一 个探 头内整合了用于测量 直 流 和 低频内容 的 霍尔效应传感器元件以及测量交流的电流互感器。
– 无磁芯饱和现象的大电流测量 罗氏线圈可以测量大电流（范围涵盖从数 mA 到数 kA 以上）而无磁芯饱和现象，因为 探 头 使 用的 是非 磁 性“空心”磁 芯。可 测量电 流 的 上 限 被 测量仪器 的最 大输入电 压 或 被线圈/积分器电路元件的电压崩溃限值所限制。其他电流传感器会随着测量电流范 围的增加而变得更加笨重不同，罗氏线圈由于与待测量电流幅度独立，从而可以保持 相同的小体积。这使得罗氏线圈成为了进行数百乃至数千安大交流电流测量的最有效 测量工具。
比较
下面的图表比较传感器电阻、夹合式电流探头和罗氏线圈电流探头的主要属性。在您需要给应用 选择电流探头时，您可以参考这个图表。
交流或交/直流 带宽 最佳电流范围 噪声 磁饱和 机头/传感器尺寸 插入阻抗 非侵入性、绝缘测量 需要消磁和偏移消除 定价 是德科技电流探头 型号
检测电阻或分流器 交/直流 直流至 GHz uA – A’s 低 无 小 无 否 否 低到中 N2820A/21A
R感应
负担电压
噪声
灵敏度
BW
图 1. 在检测电阻值和测量噪声、灵敏度和带宽之间进行权衡。
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输入共模电压
其定义了探头或感应设备（放大器）相对于接地时的输入共模电压。
高侧/低侧监控
测量负载电流时，可选择将检测电阻放在供电电压和负载（高侧）之间，或者放在负载和接 地（低侧）之间。通常更倾向于使用低侧感应，且其更简单，因为共模电压靠近接地端。高 侧感应的优点在于其可以直接监控电源的电流，从而方便检测负载短路。
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夹合式电流探头
另一种常见电流探头类型是磁芯电流探头，或夹合式电流探头。这是一种间接电流检测技 术，探头夹住带电流的电线或导体周围，以实现非接触性电流测量。探头的输出端会产生 与测量的电流振幅成正比的电压信号。从而实现无创测定或隔离测量，过程中探头不会与 待测设备进行电气连接。夹合式
选择检测电阻
电 阻值、精度、温 度 系 数 和 物 理 尺寸 的 选 择 均 取 决 于待 测 量 的电 流 量 及 其 特 征。电 阻值 越 大， SNR 越大，测量精度也越高。但是，较大的电阻值将导致电阻上功耗的增加，从而产生不需要的 电压骤降，其也被称为负担电压。在负担电压损失以外，还存在检测电阻值和测量噪声、灵敏度和 带宽之间的权衡。为了降低负担电压的影响，用户可能需要尽可能使用最小的检测电阻值，但较低 的检测电阻会对测量产生不利影响。较大的检测电阻值意味着检测电阻上压力骤降的增加，以及 负载的低电压，从而引起系统性能和效率问题。这是一项需要平衡的操作。
4 端点开尔文测量配置
此方 法可以有 效 消除电 线电 阻和负载 温 度 系 数 的 影 响。开 尔文 连 接 是精 确电 流 感 应 的 关 键，尤其适用于高电压的应用情况。
优点
– 根据系统执行方式，可实现极高的灵敏度并进行高带宽测量。 – 小巧、经济。
限制
– 在负担电压和测量精度（噪声、灵敏度和带宽）之间存在权衡。 – 高精度测量的较大检测电阻值意味着检测电阻上压力骤降的增加，以及负载的低电
电流探头有交流和交流/直流版，并且有各种电流转换换算系数可用。电流探头被设计用于 感应导体周围电磁场强度，并将其转为对应的电压以供示波器测量。
在最常见的夹合式电流探头内采用了两种传感器技术。一种是测量直流或低频信号的霍尔 效应传感器。霍尔效应传感器是一种根据磁场变化输出电压的换能器。另一项常见技术是 使用电流互感器。互感器核心内的交流电流在核心内产生磁场，然后在第二绕组电路中引 出电流，并被馈送至测量仪。第二绕组将带有与通过主要绕组电流成正比的感应电压。此 技术仅可用于测量交流电流。
压，从而引起系统性能和效率问题。 – 此方法是有创测定法，其中检测/分流电阻和电压测量电路或探头通过电气连接，并且
是待测设备的一部分。
图 2. 是德科技的 N2820A/21A 高灵敏度电流探头 采用检测电阻技术，结合示波器使用，可测量低至 500nA 的电流
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– 高价格：霍尔效应传感器是最贵的电流传感器之一
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罗氏线圈
如果您处理的是几十安培的交流电流并且希望进行灵活的电流测量，可以考虑使用罗氏电 流探头。
罗氏线圈是用于测量交流电流的电子式互感器，比如高速瞬变、功率器件的脉冲电流，或 50 或 60 Hz 下的电源线正弦电流。罗氏线圈是一个灵活的夹合式传感器线圈，能够被轻松 缠绕在电流导体上进行测量，可以测量几千安培的大电流，而无需增大互感器的尺寸。
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03 | 是德科技 | 如何选择正确的电流探头 - 应用指南
电流探头类型
电流探头广泛用于功率设备或电源电流测量，它们已经成为使用示波器进行精确的电流测量不可 或缺的工具。为了满足电流测量需求，有很多不同的技术可用来测量电流，但最常见的配合示波器 使用的方法有：