存在共模電壓時(shí)測(cè)量信號(hào)波形的正確方法

摘要：測(cè)量對(duì)地存在共模電壓的信號(hào)波形，若測(cè)量儀器或測(cè)量方法不正確，輕則影響測(cè)量結(jié)果，重則危害生命財(cái)產(chǎn)安全。本文通過典型的兩個(gè)實(shí)例，說明不當(dāng)?shù)臏y(cè)量方法對(duì)結(jié)果的影響和可能引起的安全問題，并提出正確的測(cè)量方法。

一、實(shí)例1

客戶的產(chǎn)品是一個(gè)壓電陶瓷及其驅(qū)動(dòng)電路，圖1是產(chǎn)品原理和測(cè)試連接圖，開關(guān)管以約100kHz的頻率通斷，帶抽頭的電感實(shí)現(xiàn)升壓功能驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷片，電感與容性負(fù)載形成諧振使開關(guān)管處于軟開關(guān)狀態(tài)。

圖1  壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器原理及測(cè)量連接

客戶用我司示波器和單端無源探頭觀察負(fù)載RL兩端電壓波形，探頭正端（尖端）和負(fù)端（地夾）分別連接電路的Vo+和Vo-，電路使用隔離的可調(diào)電源供電。發(fā)現(xiàn)當(dāng)示波器探頭連接后電路的工作電流增大了許多，客戶懷疑我司示波器有問題。我們搭建同樣的測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量客戶的產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)探頭連接后可調(diào)電源顯示的電流從約100mA增大到原來的6倍多。換國外某品牌示波器對(duì)比測(cè)試，發(fā)現(xiàn)也存在同樣的問題。

究其原因，如圖1所示，可調(diào)電源對(duì)保護(hù)接地線PE實(shí)際上存在電容，以下稱為Ciso，而示波器探頭負(fù)端是接PE的，在高頻下，探頭負(fù)端→PE→Ciso→GND形成一條低阻抗通路。電路的Vo+和Vo-對(duì)GND都存在100kHz的電壓，無論探頭負(fù)端接Vo+或Vo-，都產(chǎn)生額外的電流通過探頭負(fù)端→PE→Ciso→GND，在電感的電阻和回路電阻上產(chǎn)生熱量，使電源電流增大，另外并聯(lián)的低阻抗通道改變了驅(qū)動(dòng)器的諧振狀態(tài)。所以并非是示波器的問題，而是不正確的測(cè)量方法導(dǎo)致。

通常人們可能對(duì)隔離電源的理解有些誤區(qū)，認(rèn)為是“完全隔離”的，往往只看到隔離的電阻而忽略了電抗。實(shí)際上由市電供電的隔離電源對(duì)大地存在寄生電容，來源有變壓器初次級(jí)繞組間寄生電容、次級(jí)電路對(duì)機(jī)殼的空間電容，特別地有時(shí)為了滿足EMC標(biāo)準(zhǔn)會(huì)在次級(jí)與PE間連接一定容量的Y電容。隔離電源所謂“隔離”是指提供安全操作所需的絕緣要求，保證在直流和工頻下有足夠高的隔離阻抗。但是在高頻下寄生電容及刻意添加的電容容抗降低，隔離度就降低了。

以上測(cè)試所用某品牌的可調(diào)電源實(shí)測(cè)輸出對(duì)PE的電容為73nF，在100kHz正弦波下隔離電源的對(duì)地阻抗約為21.8Ω。

可能會(huì)想到切斷示波器供電的地線，使示波器浮地。試驗(yàn)結(jié)果表明電流增大的幅度降低了，但誤差還是存在的。因?yàn)樵谑静ㄆ鲀?nèi)，機(jī)殼與L、N線接有抑制EMI的Y電容。在外部，供電線路上有些用電器也有在L、N對(duì)PE間接Y電容，在變壓器處N線接大地。所以L、N對(duì)PE的阻抗并非特別大，切斷示波器供電地線后其共模電流路徑為：探頭負(fù)端→示波器EMC濾波器（Y電容、共模電感）→L和N線→供電線路上L、N對(duì)PE阻抗→Ciso→GND。另一方面，從安全使用設(shè)備角度講，切斷示波器的供電地線不可取，見實(shí)例2。

二、實(shí)例2

測(cè)量連接電網(wǎng)的線路，不可直接用單端無源探頭和通用示波器的組合。常見例子是測(cè)量連接市電的開關(guān)電源初級(jí)相關(guān)線路的波形。

圖2  開關(guān)電源整流濾波原理簡圖

如圖2是開關(guān)電源輸入端典型的整流濾波電路，在L對(duì)N為正的半周，D1和D4導(dǎo)通，初級(jí)地電位接近于N線對(duì)大地電壓，而在L對(duì)N為負(fù)的半周，D3和D2導(dǎo)通，通過D2相當(dāng)于將初級(jí)地連接到L線上。所以若將示波器探頭地夾連接到初級(jí)地，在L對(duì)N為負(fù)的半周使L線對(duì)大地短路，電網(wǎng)有足夠大的容量，會(huì)造成線路、設(shè)備燒毀等嚴(yán)重事故。為此一些人斷開示波器供電地線進(jìn)行測(cè)量，避免短路，但是這種方法是錯(cuò)誤的、絕對(duì)不可取的。通用示波器是按照接地的情況設(shè)計(jì)，無地線使用連接到對(duì)大地存在較高共模電壓的設(shè)備上時(shí)，示波器裸露的金屬部件會(huì)帶電！會(huì)危及生命財(cái)產(chǎn)安全，在儀器的說明書上安全相關(guān)章節(jié)也有說明。用戶應(yīng)當(dāng)閱讀儀器設(shè)備的說明書，并按正確的方法使用。

三、正確的測(cè)量方法

實(shí)例1和2被測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)都是對(duì)大地存在共模電壓，在觀測(cè)的頻率下共模電壓對(duì)大地的源阻抗較低。而單端探頭和通用示波器是接大地的，那么直接連接測(cè)量，輕則影響結(jié)果，如實(shí)例1，重則造成事故，如實(shí)例2。正確的測(cè)量方法應(yīng)當(dāng)如下：

（1）類似實(shí)例1的情況，電路的參考地與大地沒有電勢(shì)差，測(cè)量電路中非參考地的兩點(diǎn)間電壓，可使用ZDS4000系列示波器連接兩個(gè)單端無源探頭，負(fù)端接參考地，正端分別接被測(cè)兩點(diǎn)，使用Math的減法功能即可得出被測(cè)兩點(diǎn)間電壓。此方法可用于CAT O類場(chǎng)合，但不適用測(cè)量連接電網(wǎng)的線路。

（2）類似實(shí)例1的情況，使用ZDL6000示波記錄儀搭配隔離高速電壓采集卡，每通道對(duì)地電容小于80pF，在此電容對(duì)被測(cè)系統(tǒng)影響可忽略的情況下，可直接將單端無源探頭連接被測(cè)兩點(diǎn)。圖3是用此方法測(cè)量實(shí)例1中RL的波形。

圖3  ZDL6000測(cè)量的RL兩端波形

（3）類似實(shí)例2的情況，可使用ZP1500D高壓差分探頭及ZDS4000系列示波器進(jìn)行測(cè)量。ZP1500D可用于1000V CAT II或600V CAT III的場(chǎng)合。

（4）類似實(shí)例2的情況，可用ZDL6000示波記錄儀搭配多個(gè)隔離高速電壓采集卡，使用配套的安全探頭可用于1000V CAT II的場(chǎng)合，特別是需要同時(shí)測(cè)量多路不同地電位信號(hào)的應(yīng)用。例如開關(guān)電源中進(jìn)線LN間、初級(jí)濾波電容、變壓器初級(jí)、次級(jí)、次級(jí)濾波電容的電壓可同時(shí)測(cè)量。