之前的文章探讨了探头负载和示波器带宽的影响，展示了探头电容如何影响快速边沿，以及有限的带宽如何悄然隐藏关键谐波。解决这些问题有助于获得清晰、准确的波形。然而，即使使用补偿良好的探头和充足的带宽，高压测量仍可能不准确。这是因为在实际高压系统中，测量点几乎从来不是电中性的，这就是为什么数据手册很少提及这一点。

理论上，一个节点只是一个点，但在实际硬件中，它是一个具有自身电阻、电容、电感以及电磁效应的物理区域。地电位并非处处相同，而开关节点也不仅仅只有一个电压值。电流路径也不是一条直线。它是一个由铜、空气和介电材料构成的阻抗网络。

图1

在高压、大功率系统中，例如600V逆变器、1kV直流母线或开关速度达50kV/µs的SIC半桥，空间效应不再微不足道，它们成为了测量误差的主要来源。你在电路中选择传感器位置可能导致多种问题，例如节点与测量点之间的寄生阻抗、磁耦合、地电位波动、电容拾取以及影响电阻式传感器的热梯度。

本文超越测量仪器本身，展示高压系统中的传感器布局如何悄然改变电流和电压读数。同时，文章也会解释为什么“地”常常是不稳定的，以及布局选择如何导致足以影响设计决策的误差。

高dv/dt和di/dt的危险区域

当传感器布局被忽视时，高dv/dt区域往往是问题频发的地方。在高压电源系统中，并非所有节点都一样。有些节点位于稳定的直流母线上，而另一些则充当强大的电磁干扰源。最容易出问题的区域包括半桥的开关节点、栅极驱动回路、电流采样电阻的返回路径以及电机的相输出端。

在一个600V的半桥电路中，开关节点在短短几纳秒内以50kV/µs的速率从0V跃变到600V。现在，设想一下开关节点和附近传感器走线之间仅存在2pF的微小杂散电容。我们可以利用电容、电流和电压变化率之间的关系。

由此产生的100mA位移电流并不会凭空消失;它必须有个去处。在这种情况下，它通常会流入附近的导体，包括你的检测线。如果检测线在高频下仅有10欧姆的阻抗，结果就很清楚了：

这会几乎瞬间导致一伏特的误差，这不是因为示波器带宽不足或探头质量差，而是因为电场耦合直接进入了测量路径。

对于栅极驱动回路，平均栅极电流固然重要，但在纳秒级瞬态过程中的峰值电流可达数安培。考虑一下仅10nH的杂散电感，以及一个在20ns内开关的5A电流。这意味着di/dt为250A/µs。产生的电压为：

这个电压会局部地出现在回路两端。如果你的测量地分享了返回路径的任何一部分，那么你原本以为干净的栅极信号中就引入了2到3伏的误差。这常常导致工程师误判为虚假的米勒导通或莫名其妙的振铃。

热梯度与传感器偏置误差

与突然的电压尖峰不同，热梯度会导致缓慢的漂移，可能被误认为是真实的系统行为。分流电阻在功率使用中的自热效应遵循以下关系：

例如，一个承载40A电流的5mΩ分流电阻将耗散8W的功率。对于一个小的金属元件来说，这个功率值是不可忽略的。随着元件发热，其电阻会随温度变化而按比例改变。这会影响最终的读数，如下式所示：

热电偶和霍尔传感器的放置位置也极大地影响它们的测量精度。如果热电偶放在散热器上、气流中或远离真实热源的地方，它会报告不准确的值。霍尔传感器也对温度敏感，因此将它们安装在发热元件附近会改变其失调和增益，给电流测量增加一个直流偏置。

由于布局和气流的影响，PCB上不均匀的加热会使差分走线和放大器失衡，将微小的电阻变化变成测量误差。在高压系统中，这些传感器的放置位置既影响电气特性也影响热暴露。这可能会像电噪声一样扭曲读数，因此正确的放置位置至关重要。

PCB布局引起的测量误差

设计不良的PCB布局可能在信号离开电路板之前就破坏了测量。在高压、高dv/dt的系统中，布局不仅仅关乎美观;它影响着传感器必须工作的电磁环境。一个常见的PCB设计错误是将检测走线紧邻大电流回路。例如，位于功率返回路径中的电流采样电阻，其细小的检测线可能与开关节点或大电流铜皮区域平行布线。

当一个30-50A的大电流回路在几十纳秒内开关时，会产生强大的磁场。如果检测线并排靠近，它们就会成为耦合回路的一部分，将电压直接叠加到测量信号上。即使感应电压只有几十毫伏，当采样信号本身仅有100mV幅度时，这就很显著了，足以扭曲或掩盖真实信号。

另一个关键的布局缺陷是差分走线不正确，即正负检测走线布线在不同的参考平面上方。例如，正极走线可能跨过一个有噪声的功率地，而负极走线则在一个干净的地上方。这会形成不对称，使得每条走线面临不同的寄生电容和返回路径阻抗。结果，共模噪声就可能转化为差模误差。尽管放大器是差分的，工程师们通常认为它具有抗干扰能力，但实际上测量结果已经受到了影响。

正确的传感器布局设计规则

正如本文所讨论的，高压系统中测量的完整性并非仅仅取决于一个错误。下表总结了最关键的设计考虑因素以及每条规则所要预防的问题。

表1

上表列出的六项考虑旨在保护电压测量免受空间失真的影响。然而，还有另一个量对布局误差更为敏感，并且在高压系统中经常被误解：共模电流。

与差模电流不同，共模电流并不局限于单一返回路径。相反，它通过寄生电容、机箱连接、电机电缆和保护地(PE)传播。糟糕的传感器布局要么会放大它，要么会完全隐藏它。事实上，本文讨论的布局错误直接影响共模电流在测量中的表现。