之前有一篇文章介绍外灌电压测耗电,本质上是电流的测量,但这个方案更注重精度,不注重带宽,而如果我们想看高频电流的波形该怎么办呢?
相比于电压这种更外显的测量,电流测量更注重内在。就像判断一个人是否健康,我们除了可以观其外表,也可以通过他的饭量来判断。当电压观察不出来异常时,电流就是一个重要的判断方向了,其重要性不可忽视。
示波器的标准输入端口只能测量电压。要想测量电流,最直接的方法是让电流流过一个电阻(分流器),测量电阻两端的电压,再根据欧姆定律 (I = V/R) 计算电流,但缺点很明显:
- 需要断开电路、串联分流器,电路破坏的较为严重;
- 分流器阻值不好选,大电流下小电阻发热严重,大电阻则压降太大;
- 分流器还具备TCR参数,即其阻值随温度的不同而不同,给测量结果带来误差;
- 测量位置如果是高侧,则不容易共地,否则可能造成短路。
而电流钳(电流探头)可以较为完美的解决这些问题,其搭配示波器,带宽高、提供电气隔离、用起来方便,适合各种瞬态电流分析,只是价格也相对昂贵些。

如下图,为本人实测的分流器方案和电流钳方案的波形对比,可见电流钳方案更准确、信噪比也更好。

内部原理
以是德某款电流钳为例,其电流测量方案是一种混合技术,同时包含了霍尔传感器(测DC和低频AC)和电流互感器(测高频AC),如下图:

霍尔传感器被放置在磁芯气隙中,当被测电流流过导线时,会在磁芯中产生磁场,霍尔元件能够感应磁场强度并输出一个相应的电压信号,我们称之为霍尔电压。霍尔电压与磁场强度成正比,而磁场强度与被测电流成正比,因此霍尔电压正比于被测电流。
但霍尔传感器的缺点是中高频响应能力差(通常上限在几十到几百kHz),此时是个战五渣,无法cover住中高频电流的测量。
而电流互感器线圈则可以弥补霍尔传感器的中高频缺陷,其原理与传统的变压器在本质上相同。被测导线作为单匝初级线圈,磁环作为磁芯,次级线圈用来感应、生成电压,然后送到运放处理。
但电流互感器的缺点是无法响应直流信号和极低频信号。
故这两种方案相辅相成,通过精密的滤波和增益匹配,将它们的结果平滑地衔接起来做融合,形成一个整体上平坦的频率响应曲线,便构成了成熟、实用的测量方案。
参数示例
以是德1147电流探头为例,参数列举如下:


使用技巧
1、消磁(DEMAG或DEGAUSS)
为什么要进行消磁?
剩磁就像谈恋爱时对前任的回忆,拖泥带水的人不容易找到真爱。
电流探头的原理是基于霍尔效应,即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。因此电流探头在磁化后,如果不加以消磁,那么在新一轮的测量中剩磁会带来零点漂移误差,影响小信号的测量。

如下情况需要特别注意做消磁:
- 刚接入探头时;
- 超量程的时(比如发生了OCP,短路电流过大超过电流探头量程);
- 探头暴露在强磁场时。
2、调零
要注意探头的offset调零,即空载时拨动旋钮,让空载电流的波形和示波器零线(基准线)对齐。调零有助于减小小信号的测量误差。
3、小信号多缠绕几圈
电流探头不适合测量小信号,因为示波器的底噪将变成一个影响高精度测量的因素。电流探头所测量的结果最终需要转换成电压,通常1A电流对应0.1V电压。则在测量20mA以下的电流时,示波器自身的2mVpp底噪就会成为主要的噪声来源,底噪此时才是主角。

但如果硬要去测,我们可以将被测线缆多缠绕几圈,绕在探头上,以提高灵敏度。例如,一根导线绕在探头上5次,示波器显示的读数是25mA,实际电流是5mA,电流探头的灵敏度提高了5倍。可见力不够,圈来凑,物理外挂,最为致命。
