用于电磁干扰噪音源的隔离差分电压探针的制作方法

本发明涉及一种探针，并具体涉及一种用于电磁干扰噪音源的隔离差分电压探针。

背景技术：

对于电磁干扰(EMI)和电磁兼容性(EMC)的应用，包括涉及开关机构的电力电子设备，已经开发出能够通过测量差分电压来识别噪音源的工具。但是，现有的工具不能在多个测量特性下提供最佳性能。例如，现有的工具不能在高频率、电流隔离和高频率共模抑制比下提供准确的差分电压测量。

由此得出，本公开一般涉及被构造成提供涉及多个测量特性的优化性能的新型和独特的隔离差分电压探针。

技术实现要素：

本文所述的差分电压探针具体被构造为能够在高频率、电流隔离和高频率的足够共模抑制比下提供准确的差分电压测量。

示例性的实施例提供了一种差分电压探针，其包含包括磁芯、初级绕组和第一次级绕组的变压器、耦合到初级绕组的第一电容器、以及耦合到初级绕组的第二电容器。第一次级绕组被耦合到被构造为耦合到电压测量单元的连接器上。

示例性的实施例还可提供包括一种差分电压探针，其包括第一变压器、耦合到被配置为耦合到电压测量单元上的连接器的第二变压器、旁路变压器、耦合到第一变压器上的第一电容器、和耦合到第一变压器上的第二电容器。

本申请是由所附权利要求限定。说明书总结了本公开的实施例的多个方面，并且不应该被用来限制权利要求。其他实施例可以依照本文所描述的技术来设计，如下面的附图和说明书的检查将是显而易见的，并且这样的实施旨在落在本公开的范围之内。

附图说明

为了更好地理解，可以参考以下附图中示出的实施例。在附图中的部件不一定按规定的比例，并且相关元件可以被省略，以便强调和清楚地说明这里所描述的新颖的特征。此外，系统部件可如本领域中公知的方式被不同地布置。在附图中，除非另有规定，在所有不同的附图中相同的附图标记可以代表相同的部分。

图1根据一些实施例示出了第一差分电压探针结构的示例性电路图；

图2根据一些实施例示出了变压器的示例性绕组结构，该变压器被包括在图1中所示的第一差分电压探针中；

图3根据一些实施例示出了对于图1所示的第一差分电压探针，针对并联共模(DM)噪音注入的频率对电压比的第一曲线图和针对串联共模(CM)噪音注入的频率对电压比的第二曲线图；以及

图4根据一些实施例示出了图1所示的第一差分电压探针的频率对共模抑制比(CMRR)(分贝)的曲线图；

图5根据一些实施例示出了用于第二差分电压探针的示例性电路图；

图6根据一些实施例示出了变压器的示例性绕组结构，该变压器被包括在图5所示的第二差分电压探针中；

图7根据一些实施例示出了对于图5所示的第二差分电压探针，针对DM噪音注入的频率对电压比的第一曲线图和针对CM噪音注入的频率对电压比的第二曲线图；

图8根据一些实施例示出了图5所示的第二差分电压探针的频率对CMRR(分贝)的曲线图；

图9根据一些实施例示出了用于第三差分电压探针的示例性电路图；

图10根据一些实施例示出了旁路变压器的示例性绕组结构，该旁路变压器被包括在图9所示的第三差分电压探针中；

图11根据一些实施例示出了对于图9所示的第三差分电压探针，针对DM噪音注入的频率对电压比的第一曲线图和针对CM噪音注入的频率对电压比的第二曲线图；和

图12根据一些实施例示出了图9所示的第三差分电压探针的频率对CMRR(分贝)的曲线图。

具体实施方式

一些示例性和非限制性实施例被示于附图中所示并且将在下文进行描述，应当理解的是，本公开应被认为是示例，而并不意在将本文中所描述的特征限制在具体实施例中。不是所有的在本公开中描述的部件都是必需的，但是某些实施方式可以包括本公开中清楚地描述的额外的、不同的或更少的部件。在不脱离本文所述的权利要求的精神或范围的情况下，可对部件的布置和类型的做出变更。

被测设备(DUT)的高频部件的差分电压的精确测量是EMI/EMC应用中快速、精确地测定噪音源的重要测量。但是，已知商业差分电压探针具有的缺点会阻碍工程师/技术人员对EMI/EMC的问题进行有效调试。例如，已知的商业差分电压探针可能不能够提供足够的频率响应以测量电力电子设备辐射的全带宽。换句话说，已知的商用差分电压探针无法对高于50兆赫的频率给出精确的结果，这意味着这样的商业差分电压探针不能覆盖EMC区域(例如，FM波段)的所需频率范围中的绝大部分。已知的商业差分电压探针可能也不能够提供电流隔离。已知的商业差分电压探针可能也不能够在高频率下具有足够的共模抑制比(CMRR)。

电力电子设备中的开关装置被称为是电源转换器中产生EMI的主要噪音源。为了提供根本原因分析，需要对电力半导体装置的差分电压中的高频分量进行精确地测量。考虑到目前的商业差分电压探针的限制，开发在高频下具有足够的测量带宽和分辨率的差分电压探针是有益的。

因此，本发明描述了一种差分电压探针，其被构造为可以提供如下有益的功能：足够的差分电压测量带宽(例如，高达300MHz)；电流隔离能力；高CMRR(CMRR在所有测量频率范围都可以高达40分贝)；为了满足对于额定电压、负载效应和所需频率范围的各种需求进行的灵活设计；和/或易于实施并且成本低。本文中所描述的差分电压探针能够通过对用于差分电压探针电路设计中的变压器进行独特的绕组设计来实现这些优化的功能。

图1示出了被构造在第一探针结构中的第一差分电压电探针100。第一差分电压探针100包含变压器103、第一电容器(C1)101、第二电容器(C2)102、第一探针尖端106、第二探针尖端107、连接器104和接地节点105。变压器103包括初级绕组103A，和次级绕组103b。

根据第一探针结构，第一差分电压探针100被设计成第一电容器101被连接到初级绕组103a的正电压节点。然后第一电容器101将被连接到用来感测被测设备(DUT)的正电压点的第一探针尖端106。根据第一探针结构，第一差分电压探针100也被设计成第二电容器102被连接到初级绕组103a的负电压节点。然后第二电容器102将被连接到用来感测DUT的负电压点的第二探针尖端107。第一探针尖端106和第二探针尖端107被构造成接触DUT，这样可以通过第一差分电压探针测得DUT的差分电压。虽然图1示出了分别在第一端和第二端连接到第一电容器101和第二电容器102上的初级绕组103A，根据一些实施例，第一探针结构可以被构造为仅包括第一电容器101或第二电容器102中的一个。

根据第一探针结构，次级绕组130b被构造为连接至连接器104。连接器104被构造为连接到电压测量单元(例如，示波器)，其中，电压测量单元接收来自DUT的、通过第一探针尖端106和第二探针尖端测得的电压信号，并且计算从第一探针尖端106和第二探针尖端107测得的电压信号之间的电压差。连接器104可以是，例如，SMA或BNC型连接器，用于提供连接到电压测量单元的同轴连接器。

次级绕组103b上的负电压节点被构造为连接到接地节点105。

变压器103的使用有利于提供DUT和电压测量单元之间的电流隔离。围绕变压器103的初级绕组和次级绕组的不同绕组结构带来不同的特性，并且可以用来获得特殊的益处。例如，CMRR高度依赖于绕组间电容和转芯电容(turn-to-core capacitance)。可检测的频率带宽与变压器103的漏电感特性有关。

图2示出了环绕根据第一探针结构构造的第一差分电压探针100的变压器103的初级绕组和次级绕组的四个示例性绕组结构。

在绕组结构210中，初级绕组212和次级绕组213可以分别对应于初级绕组103a和次级绕组103b。初级绕组212和次级绕组213被扭曲并缠绕在变压器103的磁芯211上。扭曲绕组导致了低的漏电感，并因此，提高了频率带宽(例如，足够用于进行差分电压测量的频率带宽提升至300兆赫)，在这个频率带宽中可以由第一差分电压探针100来测量差分电压。通过提高可测量的频率带宽，第一差分电压探针100可以在高达300MHz数量级上的较高频率测量到差分电压，这可以更快和更准确地识别DUT中的噪音源。然而，扭曲绕组结构还增加了初级绕组和次级绕组之间的寄生电容，这提供了共模电流的换流路径，并且可以减少第一差分电压探针100的CMRR性能。

在绕组结构220中，初级绕组222和次级绕组223可以分别对应于初级绕组103a和次级绕组103B。初级绕组222和次级绕组223分别缠绕在变压器103的磁芯221的两个相对的或大部分相对的侧面上。绕组结构220中，初级绕组222和次级绕组223彼此相对的设计减少了初级绕组和次级绕组之间的电容，这有益于CMRR(即，对所有可测量的频率范围使得CMRR提升至高达40分贝)。然而，伴随绕组结构220，漏电感可能会增加，并且可测量的频率带宽可能会减小。

在绕组结构230中，初级绕组232和次级绕组233可以分别对应于初级绕组103a和次级绕组103b。初级绕组232和次级绕组233按照与绕组结构210中描述的设计相同的方式被扭曲。此外，绕组结构230还包括磁芯231和绕组(例如，初级绕组232和次级绕组233)之间的间隙234，其中该间隙234是由空气、胶带、或填充环氧树脂构建。由于包括间隙234，从而导致转芯电容的减少，并且从而提高了CMRR。

在绕组结构240中，初级绕组242和次级绕组243可以分别对应于初级绕组103a和次级绕组103b。初级绕组242和次级绕组243分别缠绕在变压器103的磁芯241的两个相对的或大部分相对的侧面上，这与绕组结构220中描述的设计相同。此外，绕组结构240包括第二磁芯241和绕组(例如，初级绕组242和次级绕组243)之间第一间隙244和第二间隙245，其中，第一间隙244和第二间隙245由胶带或填充环氧树脂构建。由于包括间隙244从而导致转芯电容的减少，从而提高了CMRR。

应当注意的是，间隙234、第一间隙241、和第二间隙245描述了磁芯(例如，磁芯231或磁芯241)之间的间隙和环绕磁芯缠绕的绕组。

回来参考在图1中所示的第一结构的第一差分电压探针100的电路图，串联构造第一电容器101和第二电容器102提供了在直流(DC)和低频上的电力谐波分量的衰减，但是也允许较高频分量通过。两个电容器(第一电容器101和第二电容器102)防止变压器103在测量电力电子波形中饱和。两个电容器(第一电容器101和第二电容器102)也为电压测量单元(例如，示波器)在变压器绕组(第一电容器101和/或第二电容器102)短路的情况下提供保护。同时，可相应地选择电容，以实现大的输入阻抗，并满足负载上的需求。第一电容器101和/或第二电容器102的电在某些测量条件下为了额外的益处可以是相同的或具有不同的值。

连接器104被构造为连接到同轴电缆，其中，同轴电缆被用来将信号从连接器104传递到示波器并保持高频分量。使用第一差分电压探针100时电压测量单元可以被终止在50Ω。

在整个所需频率范围内的精确的电压比可以通过使用网络分析器测量传递函数得到。网络分析仪可以是被构造为表征两端口网络的仪器。在这种情况下，网络分析器能够测量第一差分电压探针100的传递函数。

接着，使用传递函数和由电压测量单元(例如，示波器)测定的频谱，可反向计算处DUT的电压谱。DUT的电压谱可以是函数f(X，Y)，其中X是由电压测量单元(例如示波器)得到的光谱测量，Y是由网络分析仪测得的传递函数。

在第一探针结构中的第一差分电压探针100的CMRR被定义为相对于所需差分信号，共同对两个输入引线(第一探针尖端106和第二探针尖端107)的不需要的输入信号的抑制。为了测量第一差分电压电探针100的CMRR，差模(DM)和共模(CM)从第一差分电压探针100的输入(第一探针尖端106和第二探针尖端107)注入，并且采用网络分析仪从第一差分电压探针100的输出测量信号。传递函数可以从测量结果中导出。最后，DM和CM的测量结果之间的比值即是CMRR测量值。CMRR可采用适用于根据本文描述的其它探针结构而设计的其他差分电压探针的类似方式来测量。

变压器103的磁芯可以是主要由铁或钢组成的组合物。初级绕组103a和/或次级绕组103b可以是，例如，铜或铝。

图3示出了分别用于DM噪音注入(曲线310)和CM噪音注入(曲线320)的从第一差分电压探针100的输入到输出的传递函数。CMRR之后被计算得出并在图4中通过曲线410示出。曲线410描述了第一差分电压探针100的共模抑制比在100kHz至300MHz的频率范围中为10分贝-15分贝之间。在需要更高的CMRR的情况下，为了增加CMRR可以采用图5和图9所示的下列差分电压探针结构。

图5示出了根据第二探针结构设计的第二差分电压探针500的电路图。第二差分电压探针500包括变压器503、第一电容器(C1)501、第二电容器(C2)502、第一探针尖端506、第二探针尖端507、连接器504和接地节点505。变压器503包括初级绕组503a、第一次级绕组503b和第二次级绕组503C。

根据第二探针结构，第二差分电压探针500被设计成使得第一电容器501被连接在初级绕组503a上的正电压节点上。之后第一电容器501将连接到用于感测被测设备(DUT)的正电压点的第一探针尖端506上。根据第二探针结构，第二差分电压探针500也被设计成第二电容器502被连接到初级绕组503a上的负电压节点。然后第二电容器502将被连接到用来感测DUT的负电压点的第二探针尖端507。第一探针尖端506和第二探针尖端507被构造成连接DUT，这样可以通过第一差分电压探针测得DUT的差分电压。虽然图5示出了分别在第一端和第二端连接到第一电容器501和第二电容器502上的初级绕组503a，但根据一些实施例，第二探针结构可以被构造为仅包括第一电容器501或第二电容器502中的一个。

与第一差分电压探针100的第一探针结构相比，第二差分电压探针500的第二探针的结构具有加入第二次级绕组503c的额外次级绕组。第二次级绕组503c在一端接地，并且在另一端浮动，如图5中所示。在第一差分电压探针100的第一探针结构中，从变压器103初级侧(即，包括初级绕组103A的一侧)到次级侧(包括次级绕组103B的一侧)的寄生电容提供了CM共模电流的换流环，并且因此，使CMRR劣化。在第二差分电压探针500的第二探针结构中，第二次级绕组503c的添加为共模电流提供了对称结构。流到两个次级绕组(第一次级绕组503b和第二次级绕组503c)的共模电流是相等的。因此，在两个次级绕组中——第一次级绕组503b和第二次级绕组503c中——的共模电流引起的通量由于它们的相反的极性而互相抵消。其结果是，第二差分电压探针500的设计可以有效提升CMRR。

多种绕组结构可以用于变压器503，以满足第二差分电压探针500的不同规格。一个例子是扭转初级绕组503a和两个次级绕组(第一次级绕组503b和第二次级绕组503c)以形成环绕变压器503磁芯的三股结构。例如，图6示出了环绕磁芯601的示例性绕组结构600，其中，磁芯601可对应于变压器503的磁芯。在图6中，绕组结构600是由分别对应于变压器503的初级绕组503a、第一次级绕组503b和第二次级绕组503c的初级绕组602、第一次级绕组603和第二次级绕组604组成。

变压器503的磁芯可以是主要由铁或钢组成的组合物。初级绕组503a、第一次级绕组503b和/或第二次级绕组503c可以是，例如，铜或铝。

图7示出了曲线图700，其描述了用于DM注入(曲线701)和CM注入(曲线702)的从第二差分电压探针500的输入到输出的传递函数，该函数利用了本文描述的第二差分电压探针500的第二探针结构。

图8示出了包括曲线801的图800，其中曲线801描述了本文描述的第二差分电压探针500的横跨频率范围的计算得出的CMRR。根据第二探针结构构造的第二差分电压探针500的CMRR为高达70MHz时为40分贝以上和高达300MHz时为20分贝。

图9示出了构造在第三探针结构中的第三差分电压探针900的电路设计。第三差分电压探针900包括第一变压器901、第二变压器902、第一电容器(C1)903、第二电容器(C2)904、第一探针尖端905、第二探针尖端906、连接器907、接地节点908和CM旁路909。第一变压器901包括初级绕组901A和次级绕组901b。类似地，第二变压器902包括初级绕组902A和次级绕组902b。

根据第三探针结构，第三差分电压探针900被设计成第一电容器903被连接到第一变压器901的初级绕组901a上的正电压节点。然后第一电容器903将被连接到用来感测被测设备(DUT)的正电压点的第一探针尖端905。根据第三探针结构，第三差分电压探针900也被设计成第二电容器904被连接到第一变压器901的初级绕组901a上的负电压节点。然后第二电容器904将被连接到用来感测DUT的负电压点的第二探针尖端906。第一探针尖端905和第二探针尖端906被构造成接触DUT，这样可以通过第一差分电压探针测得DUT的差分电压。虽然图9示出了分别在第一端和第二端连接到第一电容器903和第二电容器904上的初级绕组901a，但根据一些实施例，第三探针结构可以被构造为仅包括第一电容器903或第二电容器904中的一个。

在第三探针结构中的第三差分电压探针900包括在第二变压器902中的附加变压器，和不包括在第一差分电压探针100或第二差分电压探针500中的CM旁路909。附加的CM旁路909使第三差分电压探针900能够为DM信号提供高阻抗，以及为CM信号提供低阻抗。高DM阻抗确保CM旁路909不会显著改变第三差分电压探针900的可测量的带宽，而低CM阻抗有助于提升第三差分电压探针900的共模抑制比。

图10示出了用于围绕根据第三探针结构设计的第三差分电压探针900的CM旁路909的绕组的示例性绕组结构1000。附加的CM旁路909是一种可帮助平衡第三差分电压探针的信号路径的类型的变压器。绕组结构1000是由可分别对应于初级绕组909a和次级绕组909b的CM旁路909的初级绕组1002和次级绕组1003组成。初级绕组1002和次级绕组1003被环绕旁路909的CM磁芯1001而扭曲和缠绕。绕组结构1000还包括将初级绕组1002和次级绕组1003都连接到地面的旁路电路1004。用这种电路结构，CM旁路909能够为第三差分电压探针900提供低CM阻抗。

对于根据第三探针结构设计的第三差分电压探针900，第一变压器901和第二变压器902都可以被构造为具有对应于绕组结构210、绕组结构220、绕组结构230或绕组结构240中的一个的绕组结构。

初级绕组901a、初级绕组902a和初级绕组909a中的每一个可对应于相同的绕组。次级绕组901b、次级绕组902b和次级绕组909b中的每一个可以对应于相同的绕组。

图11示出了曲线图1100，其描述了用于DM注入(曲线1101)和CM注入(曲线1102)的从第三差分电压探针900的输入到输出的传递函数，其中第三差分电压探针900是依据第三探针结构而构造的。

图12示出了包括曲线1201的图1200，其中曲线1201描述了第三差分电压探针900的横跨频率范围的计算得出的CMRR，其中第三差分电压探针900是根据第三探针结构构造的。第三差分电压探针900的CMRR在跨过高达300MHz频率时为超过40分贝。

第一变压器901、第二变压器902和/或CM旁路909的磁芯可以是主要由铁或钢组成的组合物。围绕第一变压器901、第二变压器902和/或CM旁路909缠绕的绕组可以是，例如，铜或铝。

在附图中的任何过程说明或框，应该被理解为表示模块、片段或代码的部分，其包括一个或多个可执行的指令，可由计算设备、处理器或控制器(例如，控制单元)执行，用于实现特定的逻辑功能或过程步骤，并且供选择的实施被包括在本文描述的实施例中，其中函数可以不按图示或讨论的顺序执行，其中包括大体同时或以相反的顺序，这取决于涉及的函数，正如那些本领域的普通技术人员所理解的那样。

应当强调的是，上述实施例中，只提供了本公开的原理的清楚的理解。可以在大体上不脱离本文中所描述的精神和原则的情况下对上述实施例(多个)做出许多变化和修改术。所有这样的修改意在在本公开的范围内包括在本文中并通过下面的权利要求获得保护。