罗氏线圈,Rogowski Coil,是一种用于测量高频电流、高速脉冲电流(瞬态电流)的设备,在手机浪涌测试时监测电流会用到。

拆开后能看到一个线圈,那么其原理是啥呢?

基本结构
Rogowski线圈是以德国老哥Walter Rogowski命名,又被称为微分电流传感器。
罗氏线圈不像传统电流互感器(CT)那样使用磁芯来集中磁场,而是把线绕在一个柔性的环(非磁性材料,而是塑料或橡胶等,可以理解为骨架)上,做成传感器,来感应被测电流产生的变化磁场,因此罗氏线圈属于空芯线圈,不涉及到磁芯。
在环上均匀、紧密地绕制漆包线,线圈的首尾两端回到同一点,引出信号线,便做成了线圈,如下图:

除了线圈,一个完整的罗氏线圈电流测量系统还应该包含一个积分器,我们可以用运放做积分器,有了积分器,才能得到与被测电流成正比的电压信号,下面会详细进行解释。

测量原理
我们都知道,导体流过电流时,其周围的磁场会随着电流的改变而改变(安培环路定理)。且根据法拉第电磁感应定律,变化的磁通量会在线圈的每一匝中产生一个感应电动势(电压),因此骨架上的漆包线会感应出电动势。
详细推导过程如下图:

经过详细推导,我们可知线圈的输出信号由M*dI/dt 给出,其中M是线圈的互感,线圈确定后,这个值就是一个定值;dI/dt是待测电流的变化率。
由于线圈的输出信号表征了待测电流的变化率,我们进行积分运算,便可还原出待测电流。如下图,为一个实用的电路,先放大再积分,最终的Vout便能精确再现待测电流的波形。

罗氏线圈特点
由罗氏线圈的推导公式可知,其最大的魅力在于永不饱和和高频率带宽,这使得它在测量大电流、高频电流等场合具有不可替代的优势,具体来说有如下特点:
- 线性度好:不包含磁芯等饱和组件,输出与待测电流成比例线性增加,它永远不会饱和,因此能够测量大电流。这点与电流互感器不同,电流互感器因含有磁芯,在大电流时容易达到饱和点而撑死。
- 卓越的频率响应:在具有高、快速变化电流的电流测量中提供了卓越的性能。
- 成本低:就是一个线圈加一个积分器,不涉及昂贵的器件。不像某些设备,动不动就氪金,动辄数万元起步,比工程师的身价都贵,真是讽刺。
- 使用起来简单:无剩磁问题,断电后立即归零,不需像电流钳那样还要消磁。
波形实测
如下图,使用电流钳和罗氏线圈两种方案测量某电源短路时的电流,可见波形很吻合。

如下图,使用罗氏线圈测量到的VBUS打浪涌时的电流波形,此时峰值电流很大,已远远超过了电流钳的探测能力,为了避免损坏,没有把电流钳的测量引进来做对比。
