分流器探针的制作方法

分流器探针
1.优先权本公开要求在2020年4月11日提交的题为“current shunt probe”的美国临时申请no. 63/008,720的权益，该专利的全部内容通过引用并入本文中。
技术领域
2.本公开涉及与测试和测量系统相关的系统和方法，并且特别地涉及用于测量被测装置（dut）中的电流的测试和测量仪器探针（probe）。


背景技术：

3.在开发和测试开关电源、电机驱动器、电池充电器、无线充电器、光伏逆变器和其他相关功率电子器件时，测量电流的能力是重要的。测量电流的一种常见方法涉及将低值电阻器（通常称为“分流器（current shunt）”）与待测量的电流的路径串联。可以测量跨分流器的所得电压降，以基于分流器的已知电阻来确定电流。然而，当这种方法用于测量动态电流时，存在至少两个实质性障碍。
4.首先，跨分流器的电压降被有意地保持较小以最小化对dut的影响，但是通常必须在高得多的共模电压的存在下测量该小电压。例如，分流器电压可以在毫伏或几十毫伏的范围内，而共模电压可能是数百伏。测量这种相对小的分流器电压通常需要使用具有极高的共模范围和共模抑制比（cmrr）的差分测量装置（诸如例如，示波器探针）。
5.其次，分流器将展现出电感以及电阻r，因此从电流i跨分流器而产生的电压v是v = i
∙
r l
∙
di/dt。分流器的有效电感l随着该电路中的分流器的物理形状、大小和放置、以及从分流器到测量装置的互连的放置而变化。对于具有永久附接的测量电路（诸如，永久连接的测量探针）的固定布局，可以利用在测量系统的频率响应中、在与分流器的l/r“零”相同的频率处实现“极点（pole）”的模拟硬件或数字信号处理（dsp）来补偿固定电感效应。但是，对于设计阶段期间的电路的一般探测，这种补偿技术可能不实用。
6.本公开的示例解决了现有技术的这些和其他缺陷。
附图说明
7.参考附图，本公开的示例的方面、特征和优点将从示例的以下描述中变得明显，在附图中：图1是根据本公开的一些示例的测试和测量系统的框图。
8.图2是根据本公开的一些示例的图1的探针的示例示意性框图。
9.图3是根据本公开的其他示例的图1的探针的另一个示例示意性框图。
10.图4是图2或3中任一个的探针的输入的示意性示例。
11.图5是图2或3中任一个的探针的输入的另一个示意性示例。
具体实施方式
12.本文中公开了一种用于测量dut的动态电流的隔离式分流器测量探针。图1是根据本公开的一些示例的测试和测量系统的示例框图。在该测试和测量系统中，隔离式分流器测量探针102将测试和测量仪器104连接到dut 106。
13.为了测量流经dut 106中的负载r
l 108的电流i，将精密分流器电阻器110 r
s
与负载108串联放置。为了最小化分压器效应以及由此产生的对dut的性能影响，分流器电阻器110通常比负载108小得多，以最小化跨分流器110的电压降。探针102的两个输入引线跨分流器110而耦合，以测量所得的电压降。
14.探针102可以具有差分或单端输出。测试和测量仪器104接收所测量的电压并且确定所得的流动电流。如图1中所看到的，探针102包括隔离屏障112，以维持dut 106与测试和测量仪器104之间的隔离。隔离屏障112可以是维持探针102的输入侧与探针102的输出侧之间的隔离的任何结构。在一些示例中，隔离屏障可以是维持测试和测量仪器104与dut 106之间的电流隔离的电流隔离屏障。也就是说，电流隔离防止了测试和测量仪器104与dut 106之间的电流流动。这可以允许探针102中的隔离屏障112实现高共模范围和高cmrr。
15.图2是根据本公开的一些示例的探针102的示例电路。探针102包括直接耦合到低噪声放大器204的输入202。因为尽管潜在地有高共模输入电压，隔离屏障112仍防止了任何共模电流流过探针102，所以低噪声放大器204可以具有低输入阻抗，诸如大约50欧姆。例如，合适的低噪声放大器可以是德州仪器lmh5401放大器。然而，本公开的示例不限于该低噪声放大器，而是可以是具有适当低的有效输入噪声电阻的任何放大器。物理电阻器的约翰逊电压噪声为，其中k是玻尔兹曼常数，t是绝对温度，r是电阻，并且b是噪声测量带宽。放大器的有效噪声电阻包括与输入串联的任何物理电阻、以及放大器中的将产生相同噪声量的被称为有效输入电阻的任何其他噪声源。与典型的测试和测量仪器探针输入阻抗相比，探针102的低输入阻抗可以提供更低的热噪声密度或约翰逊噪声密度，这允许对跨分流器的小电压降进行低噪声测量。与展现出大于10nv/sqrt（hz）的噪声密度的常规探针相比，根据本公开的实施例的示例探针102可以实现2
‑
3 nv/sqrt（hz）左右的输入参考噪声密度（input
‑
referred noise density）。
16.相比之下，常规的差分探针具有高得多的输入阻抗来避免高共模电压存在下的dut 106的加载（loading）。在本公开的示例中，当测量跨通常以毫欧测量的分流器电阻器的电压降时，低（差分）输入阻抗是可接受的。此外，由于电流隔离屏障112，共模输入阻抗仍然非常大。
17.低噪声放大器204的差分输出可以被传输到差分可变增益放大器206。合适的差分可变增益放大器的示例是德州仪器lmh6401放大器。然而，本公开的示例不限于该特定的差分可变增益放大器。该可变增益放大器的增益可以由用户根据跨分流器110的预期电压降通过测试和测量仪器104或探针102的用户接口（ui）来控制。
18.可以跨探针102的输入侧208与探针102的输出侧210之间的电流隔离屏障112来传输差分可变增益放大器206的差分输出。探针102的输入侧208包括上变频器212，上变频器212被配置成将输入信号从基带频率上变频（upconvert）到微波频带。提供了微波结构以跨隔离屏障112来传输微波频率信号。微波结构跨该隔离屏障来将微波频率模拟信号电磁耦合，但是不会跨该隔离屏障来耦合期望微波频带之外的信号（例如，亚微波信号）。
19.探针102的输出侧210包括用于接收微波频率信号的微波结构、以及用于将微波频率信号下变频（down convert）回到基带频率的下变频器214。上变频器212和下变频器214可以共享共同的时钟和/或振荡器216。可以经由适当的微波结构跨隔离屏障112来传输该共同的振荡器或时钟信号。
20.一旦该信号跨隔离屏障112在下变频器214处被接收并且已经被下变频为基带频率信号，则该信号可以被传输到低噪声放大器218，这取决于实现方式。在本公开的一些示例中，不需要低噪声放大器218。该信号然后被输出220到测试和测量仪器104。在一些示例中，探针102的输出220可以包括可选的平衡
‑
不平衡变换器（balun），从而产生要输入到测试和测量仪器104的单端输出信号，而不是差分输出信号。测试和测量仪器104接收所测量的电压信号，并且然后可以基于已知的分流器电阻和所测量的电压来确定流经dut 106的电流。
21.然而，本发明的示例不限于跨隔离屏障（例如，图2中所图示的微波隔离屏障）来传输模拟信号。相反，在一些示例中，可以在输入侧208上提供模数转换器302，如图3中所图示。图3图示了探针102的另一个示例，并且与图2中所讨论的那些类似的组件被给予相同的附图标记，并且在本文中不再进一步讨论。
22.在图3的示例中，在被发射器304传输之前，电压信号可以通过模数转换器302被数字化。发射器304可以是如上所讨论的微波结构。然而，发射器304也可以是灯（light），诸如当隔离屏障是光学隔离屏障并且接收器306可以是用于接收信息的光电二极管时。
23.输出侧210可以包括如上所提及的接收器306以及数模转换器308，数模转换器308用于将数字电压信号转换回到模拟信号。然而，在一些示例中，如本领域技术人员将理解的那样，数字信号可以被直接发送到测试和测量仪器104，而不是在通过输出220传输之前被转换回到模拟信号。
24.发射器304和接收器306也可以是任何其他类型的无线发射器和接收器，诸如但不限于射频或无线保真（wifi）。也就是说，可以使用任何类型的隔离屏障112以及发射器304和接收器306，只要输入侧208和输出侧210在探针102中彼此隔离。
25.附加地或替代地，本公开的一些示例可以最小化分流器110的电感。探针102的输入202可以被设计成与放置在dut 106中或连接到dut 106的分流器110对接，以最小化或消除由测量回路所环绕（encircle）的动态磁场。换句话说，尽管分流器110由于由分流器本身中的电流流动所生成的并且环绕分流器本身中的电流流动的磁场而仍然展现出一些电感，但是在探针102的输入202处放置引线将避免或消除相同的磁场。也就是说，测量感测回路的特定设计将导致跨分流器的测量电压为：v = ir ldi/dt
ꢀ−ꢀ
mdi/dt
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（1）其中l是分流器110的自感（self
‑
inductance），m是具有分流器110的感测回路的互感（mutual inductance），并且感测回路大小和放置被布置成使得m = l。
26.如图4中所示，在一些示例中，可以将两个并联分流器402连接到dut 106的负载108。探针102可以在输入202中包括两个测量引线406和408。测量引线406被对称地放置在两个并联分流器402之间，直到它到达引线408，并且然后两个引线一起被路由到探针102。对称测量引线406将从流经两个并联分流器402的相等电流中以第一顺序拾取相等但相反的磁场，从而消除了电压测量中的电感效应。
27.在一些示例中，两个并联分流器402可以被提供在探针102的输入202内，并且附接到dut 106的电路板。在其他示例中，分流器402可能已经连接到dut 106的电路板，并且输入202的引线406和408之一被对称地放置在并联分流器402之间。
28.图5图示了用于消除或减小由分流器504生成的电感的另一个示例。在一些示例中，探针102的输入202的测量引线502中的至少一个可以包括一个或多个扭曲或环等。以其中测量引线环绕来自流经分流器的电流的一些感应磁场的方式来定位测量引线可以在引线中感应出附加的电压，该电压或抵消（buck）或加强（enforce）由分流器生成的瞬态电压。引线中的至少一个相对于分流器的仔细定位、以及引线的仔细布线和修整（dressing）可以用于消除探针102的输入202的一些或全部电感拾取（inductive pickup）。
29.在一些探针102中，输入202可以包括分流器504以及扭曲和/或环形的测量引线502。然后，探针102可以附接到dut 106的电路板，使得与dut 106的负载在一直线上提供分流器。在其他示例中，扭曲的测量引线502可以被提供在探针102的输入202中，并且连接到已经位于dut 106的电路板上的分流器110。
30.在一些示例中，同轴分流器可以代替dut 106上的导线或表面安装分流器。同轴分流器可以通过形成了分流器的圆柱形电阻式表面的中心来放置返回测量引线。来自分流器中的电流流动的磁场环绕分流器和同轴测量返回引线两者，使得分流器中的电感拾取通过探针102的输入202中的返回测量引线中的电感拾取而被消除。
31.如上所讨论，本公开的示例可以包括至少三种不同类型的可更换探针尖端或输入202。第一类型的输入202是一类探针102尖端，其具有直接构建到探针102的输入202中的不同嵌入式分流器和/或消除电感回路。
32.另一种类型的输入202是一类探针尖端，其可以位于客户的印刷电路板或被测装置106上的分流器的顶部上，其中触点和回路被构建到输入202中以产生消除互感。在这些示例中的一些中，输入202可以被弹簧加载在分流器110的顶部上。
33.第三种类型的输入202可以包括差分电压测量尖端，该差分电压测量尖端与dut 106上的分流器同时使用，并且dut 106的印刷电路板包括迹线，用以在dut 106内的分流器下产生消除互感。这种类型的输入也可以与同轴分流器一起使用。
34.在上面讨论的示例中，分流器110（或所提及的任何其他分流器）可以用非磁性材料来制造。采用磁性材料的分流器可以被使用，但是与利用非磁性材料制造的分流器所感受到的趋肤效应（skin
‑
loss effect）相比，其可能展现出更大的趋肤效应。在一些示例中，趋肤效应可能会限制电流测量的带宽。
35.本公开的方面可以在特别创建的硬件、固件、数字信号处理器上操作，或者在包括根据编程指令操作的处理器的特别编程的计算机上操作。本文中使用的术语控制器或处理器旨在包括微处理器、微计算机、专用集成电路（asic）和专用硬件控制器。本公开的一个或多个方面可以体现在计算机可用数据和计算机可执行指令中，诸如体现在由一个或多个计算机（包括监测模块）或其他装置执行的一个或多个程序模块中。通常，程序模块包括例程、程序、对象、组件、数据结构等，它们在被计算机或其他装置中的处理器执行时执行特定任务或实现特定抽象数据类型。计算机可执行指令可以存储在计算机可读存储介质上，该计算机可读存储介质诸如硬盘、光盘、可移除存储介质、固态存储器、随机存取存储器（ram）等。如本领域技术人员将领会的，程序模块的功能可以根据需要在各个方面中被组合或分
布。此外，功能可以全部或部分体现在固件或硬件等同物中，该固件或硬件等同物诸如集成电路、fpga等。特定数据结构可用于更有效地实现本公开的一个或多个方面，并且这种数据结构被认为在本文中描述的计算机可执行指令和计算机可用数据的范围内。
36.在一些情况下，所公开的方面可以在硬件、固件、软件或其任何组合中实现。所公开的方面还可以被实现为由一个或多个或计算机可读存储介质承载或存储在其上的指令，这些指令可以被一个或多个处理器读取和执行。这种指令可以被称为计算机程序产品。如本文所讨论的，计算机可读介质意指可以由计算装置访问的任何介质。作为示例而非限制，计算机可读介质可以包括计算机存储介质和通信介质。
37.计算机存储介质意指可以用来存储计算机可读信息的任何介质。作为示例而非限制，计算机存储介质可以包括ram、rom、电可擦除可编程只读存储器（eeprom）、闪速存储器或其他存储器技术、致密盘只读存储器（cd
‑
rom）、数字视频盘（dvd）或其他光盘存储装置、盒式磁带、磁带、磁盘存储装置或其他磁存储装置、以及以任何技术实现的任何其他易失性或非易失性、可移除或不可移除介质。计算机存储介质排除了信号本身和信号传输的瞬时形式。
38.通信介质意指可以用于计算机可读信息通信的任何介质。作为示例而非限制，通信介质可以包括同轴线缆、光纤线缆、空气、或适合于电气、光学、射频（rf）、红外、声学或其他类型的信号的通信的任何其他介质。
39.示例下面提供了本文中公开的技术的说明性示例。技术的配置可以包括下面描述的示例中的任何一个或多个、以及这些示例的任何组合。
40.示例1是一种隔离式差分分流器测量探针，包括隔离屏障；差分输入侧，其具有低噪声、低阻抗输入，差分输入侧被配置成接收跨连接到被测装置的分流器的电压信号，并且跨隔离屏障来传输所述电压信号；以及输出侧，其被配置成跨隔离屏障来接收所述电压信号，并且将所述电压信号输出到测试和测量仪器。
41.示例2是示例1的隔离式差分分流器测量探针，其中输入侧包括低噪声放大器，低噪声放大器被配置成：在所述电压信号被传输之前对所述电压信号进行放大。
42.示例3是示例2的隔离式差分分流器测量探针，其中输入侧进一步包括耦合到低噪声放大器的可变放大器。
43.示例4是示例1
‑
3中任一项的隔离式差分分流器测量探针，其中输入侧包括上变频器，上变频器被配置成将所述电压信号从基带频率信号转换成微波频率信号以用于传输，并且其中输出侧包括下变频器，下变频器被配置成：在输出侧上接收到微波频率信号之后，将微波频率信号转换成基带频率信号。
44.示例5是示例1
‑
4中任一项的隔离式差分分流器测量探针，其中输入侧包括数字化器，数字化器被配置成：在所述电压信号跨隔离屏障被传输之前对所述电压信号进行数字化。
45.示例6是示例1
‑
5中任一项的隔离式差分分流器测量探针，其中所述输入包括分流器，并且分流器是同轴分流器。
46.示例7是示例1
‑
6中任一项的隔离式差分分流器测量探针，其中分流器是同轴分流器。
47.示例8是示例1
‑
7中任一项的隔离式差分分流器测量探针，其中所述输入包括两个并联分流器、以及对称地放置在所述并联分流器之间的至少一个测量引线。
48.示例9是示例1
‑
5中任一项的隔离式差分分流器测量探针，其中所述输入包括相对于分流器而定位以形成互感的至少一个测量引线，所述互感至少部分地消除了由于分流器的电感而导致的所述电压信号中的误差。
49.示例10是示例9的隔离式差分分流器测量探针，其中所述输入进一步包括分流器。
50.示例11是示例1
‑
10中任一项的隔离式差分分流器测量探针，其中隔离屏障是微波隔离屏障或光学隔离屏障。
51.示例12是一种隔离式差分分流器测量探针，包括隔离屏障；输入侧，其包括低噪声、低阻抗输入，所述低噪声、低阻抗输入被配置成接收跨分流器的电压信号，以及包括发射器，所述发射器被配置成跨隔离屏障来传输所述电压信号；以及输出侧，其通过隔离屏障与输入侧分离，输出侧包括接收器，所述接收器被配置成跨隔离屏障从输入侧接收所述电压信号，以及包括输出，所述输出用于将所述电压信号传输到测试和测量仪器。
52.示例13是示例12的隔离式差分分流器测量探针，其中输入侧进一步包括低噪声放大器，低噪声放大器直接电耦合到所述输入，以在所述电压信号被传输之前对所述电压信号进行放大。
53.示例14是示例13的隔离式差分分流器测量探针，其中输入侧进一步包括耦合到低噪声放大器和发射器的可变放大器。
54.示例15是示例12
‑
14中任一项的隔离式差分分流器测量探针，其中输入侧进一步包括上变频器，上变频器被配置成将所述电压信号从基带频率信号转换成微波频率信号，并且发射器是用于传输微波频率信号的微波结构，并且其中输出侧进一步包括下变频器，下变频器被配置成：在接收器接收到微波频率信号之后，将微波频率信号转换成基带频率信号。
55.示例16是示例12
‑
15中任一项的隔离式差分分流器测量探针，其中输入侧进一步包括数字化器，数字化器被配置成在发射器传输所述电压信号之前对所述电压信号进行数字化。
56.示例17是示例12
‑
16的隔离式差分分流器测量探针，其中输入侧包括分流器。
57.示例18是示例12
‑
17的隔离式差分分流器测量探针，其中分流器是同轴分流器。
58.示例19是示例12
‑
18中任一项的隔离式差分分流器测量探针，其中输入侧包括两个并联分流器、以及对称地放置在所述并联分流器之间的至少一个测量引线。
59.示例20是示例12
‑
19中任一项的隔离式差分分流器测量探针，其中所述输入包括相对于分流器而定位以形成互感的至少一个测量引线，所述互感至少部分地消除了由于分流器的电感而导致的所述电压信号中的误差。
60.示例21是示例20的隔离式差分分流器测量探针，其中所述输入进一步包括分流器。
61.示例22是示例12
‑
21中任一项的隔离式差分分流器测量探针，其中隔离屏障是微波隔离屏障或光学隔离屏障。
62.所公开的主题的先前描述的版本具有许多优点，这些优点或者已被描述、或者对于普通技术人员来说将是明显的。即便如此，并不是在所公开的设备、系统或方法的所有版
本中都需要这些优点或特征。
63.附加地，该书面描述参考了特定特征。应理解的是，本说明书中的公开包括这些特定特征的所有可能组合。在特定方面或示例的上下文中公开了特定特征的情况下，也可以在其他方面和示例的上下文中在可能的范围内使用该特征。
64.此外，当在本技术中参考了具有两个或更多个所定义的步骤或操作的方法时，所定义的步骤或操作可以以任何次序或同时地执行，除非上下文排除了这些可能性。
65.尽管出于说明的目的已经说明和描述了本公开的具体示例，但是将理解的是，可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下进行各种修改。因此，除了由所附权利要求来限定之外，本公开不应当受到限制。