详解电源效率测试

电源效率的定义： Pout是输出功率： Pout = Vo X Io Pin是输入功率： Pin = Vin X Iin 这里Iin是电源的平均输入电流或者直流电流。 理想状态下：η=1，即完美的，转换效率是100%，但是现实往往距离理想很远。 损耗的能量，都去哪里了？——热！ 我们会越来越关注电源的效率： 1、很多设备，都是电池供电，提高效率有效提升待机时间：手机、对讲机、特斯拉汽车。 2、大功率设备，例如：服务器、显卡，有效节能会给运营者带来极大的成本优化。 3、效率低下的电源，带来很高的温升。在高温的环境下，会影响整个系统的可靠性。按照一般经验10℃的温升，会增加失效率加倍。 对于电源工程师来说：提高电源效率，降低电源温升，是重要工作之一。所以我们要准确测试我们设计的电源的效率，来评估我们的电源设计的水平。 由于二次电源相对一次电源比较简单，所以我们这里描述一次电源的测量方法。二次电源参考一次电源，或者选择四个万用表的方法，都可以进行测量。 一次电源的测试方法：         直流输出功率仅等于电压与电流的乘积，只需两个万用表即可测量出大小。我们将用一个高精度 万用表来测量输出到负载的电流，用一个标准万用表来测量电源的输出电压。 由于交流系统中电压与电流之间存在相位角，因此不能简单地将 RMS 输入电压与 RMS 输入电流 相乘来计算输入功率。只有电源消耗的有功功率(P)才是必须考虑的。而返回到电源的无功功率 Q 则不应考虑进来。 瓦特表的优点是可以准确测量输入功率，原因在于它能自动校正功率因数。如果没有瓦特表，则 可使用两个万用表来测量输入电压和电流。但这种替代性方法与使用瓦特表相比，测量结果的准确性不高。 关于瓦特表（功率表）      功率表，英文名称为wattmeter，也被称为瓦特表，它是一种用来测量有功功率值的仪表，电功率包括有功功率、无功功率和视在功率。主要应用与电力、电测与计量等领域。若按功率计在测试系统中的连接方式进行分类的话，有终端式和通过式两种。 功率表原理及构成 　　功率表主要由功率传感器和功率指示器两部分组成。功率传感器也称功率计探头，它把高频电信号通过能量转换为可以直接检测的电信号。功率指示器包括信号放大、变换和显示器。显示器直接显示功率值。功率传感器和功率指示器之间用电缆连接。为了适应不同频率、不同功率电平和不同传输线结构的需要，一台功率计要配若干个不同功能的功率表探头。 功率表原理 　　通过式功率表：它是利用某种耦合装置，如定向耦合器、耦合环、探针等从传输的功率中按一定的比例耦合出一部分功率，送入功率计度量，传输的总功率等于功率表指示值乘以比例系数。 　　测热电阻型功率表：它主要是使用热变电阻做功率传感元件，热变电阻值的温度系数较大。被测信号的功率被热变电阻吸收后产生热量，使其自身温度升高，电阻值发生显著变化，利用电阻电桥测量电阻值的变化，显示功率值。 　　量热式功率计典型的热效应功率表：这类功率表主要是利用隔热负载吸收高频信号功率，使负载的温度升高，再利用热电偶元件测量负载的温度变化量，根据产生的热量计算高频功率值。 功率测试需要设备： 1.  一个可程控交流电源供应器或一个自耦变压器 2.  一个电子负载 3.  一个瓦特表和两个数字万用表（其中最好有一个高精度数字万用表，用来测量电流）或者四个数字万用表（其中，一个为真有效值、高精度万用表，用来测量输入电流；一个为高精度万用表，用来测量输出电流） 注释：在使用万用表时，您需要根据要测量的电压和电流值将万用表设置在合适的量程内，这一点非常重要。 连接输出万用表 直接将电压表跨接到电路板输出端，并与电子负载连接。测量输出端电压时，会不计与负载相连的电缆上的压降。在有些应用中，比如手机充电器或笔记本电脑适配器中，必须计算电缆中的损耗，此时需要从负载测量输出电压。然后将高精度电流表与负载串联，测量输出电流。 交流接通注意事项 如果使用的器件采用开/关控制方案，在检测输入电压下快速装上电源，使输出达到满载，这时就可以测量出最差情况下的效率。不过，在大容量电容充电时，装上电源会产生非常大的浪涌电流。如果输入电流表设置为低量程，这会导致其中的保险丝熔断。 如果采用四个万用表的方法，在低输入电压和最高负载下快速装上电源后，首先应测量电源的浪涌电流。然后查阅万用表的数据手册，确认它是否能够在高输入电压下承载如此高的峰值电流。 使用瓦特表的测量方法 1）调节输入电压为额定电压，输出负载为半载和满载，记录功率计显示的输入功率Pi； 2）记录电压表示数UO和电流表示数IO； 3）在输入端用万用表交流电压档测得输入电压Vi ，用交流电流档测得输入电流ii； 4）按下式计算效率和功率因数：                 效率＝直流输出功率/交流输入有功功率                         ＝[(U0×I0)/Pi]×100％                功率因数＝输入有功功率/输入视在功率                              ＝ Pi /（Vi×ii〕                  UO………………输出电压值（V〕                     IO………………额定负载电流和半载电流（A）                  Pi ………………整流设备交流输入功率（W）                  Vi ………………交流输入电压 (V)                  ii ………………   交流输入电流  (A) 5. 判定标准：         额定输入额定输出情况下，一次电源的输出效率和功率因数应符合其标称值。 6. 注意事项：         若为多路输出，应按以下公式进行效率计算：                 效率＝直流输出功率/交流输入有功功率                         ＝{（UO1×IO1＋UO2×IO2 ＋……＋UON×ION〕/ Pi}×100％ 7、测试时注意电压输出的实际值： 电源输出端仪表的测量结果为 4.97 伏和 4.005安。电子负载的电压读数为 4.48 伏。这是由于输出电缆和万用表电压检测元件上出现了 490 mV 的压降，从而突现了测量电源输出端电压的重要性。 因此，输出功率 = 4.97 V x 4.005 A = 19.90 瓦。瓦特表读数显示输入功率为 25.76瓦。因此，电源效率 = 19.90 瓦/25.76 瓦 = 77.3%。 万用表方法(在没有瓦特表的情况下，选择) 使用万用表时，可以在二极管整流器级将交流电转换为直流电之后来测量输入功率，从而避开功率因数的影响。为提高测量准确性，必须将直流总线级之前的元件中的损耗计算在内。 二极管整流桥通常是输入级中损耗最大的元件，因为在最差情况下每个二极管中的压降可达到 0.9伏。对于阻抗或压降非常大且可测量的其它元件，使用这种方法也可以计算出其损耗大小。 连接万用表(测试输入电流的有效值) 断开整流桥与大容量电容 C2 之间的直流总线。断开大容量电容后面的直流总线后，需要用万用表来测量电源的高频开关电流，而万用表无法对此进行准确测量。 然后，焊接两条可用来连接万用表和电路的导线。连接一个真有效值、高精度万用表组，测量断路上的电流。使用另一个万用表组测量电压，将它分别连接到直流正极和大容量电容的负极。 用万用表测量时，输出功率测试方法没有变化：电源仍提供 4.97 伏电压，4.008 安电流和 19.92 瓦输出功率。 在输入端，直流总线电压为151.6 伏，输入电流为 0.166 安。输入功率计算如下： Vin  X  Iin = 151.6 0.166 = 25.1656 W 现在，必须将整流桥的功率损耗计算在内： 功率损耗估计值  = 最差情况下的二极管总压降 输入电流                            = 1.8V X 0.166 A                            = 0.299 W 因此，总输入功率 = 25.1656 W + 0.299 W= 25.46 W 采用这种测量方法，可计算得出电源效率： 19.92 W/25.46 W= 78.2% 与使用瓦特表测量计算得出的 77.3%相比，我们可以看出，用四个万用表进行测量，最后的误差为 0.9%。 提高准确度 我们可以通过调整输入功率来提高这种测量方法的准确度，在计算时，除二极管整流桥的损耗外，还应将其他输入级元件，如浪涌限制器、共模扼流圈和数字万用表的电流检测元件的损耗包括在内。要计算这些损耗，需要测量各元件在正常工作情况下的压降，然后用该压降值乘以测得的输入电流。将这些损耗计算在内，将会增大总输入功率并降低计算得出的效率。不过，用这种方法测得的结果始终不会像用瓦特表测量输入功率一样准确。 测量一系列输入及输出值，确定损耗原因 电源效率与输入电压和输出负载有关。评估电源时，通常需要在几个不同的输入电压水平下测量效率，以便更好地判断出电路中的损耗究竟在何处。把得出的结果绘制在图表中，说明满载条件下效率与输入电压的关系。 低输入电压下效率下降，这通常是由于电路中的阻性元件产生的导通损耗造成的。这些损耗之所以会在低输入电压下增加，是因为需要较高的电流来维持相同的输出功率。而高输入电压下的效率下降，通常是由于开关损耗造成的。这些损耗来自寄生电容。在高输入电压下损耗增加，是因为寄生电容会在更高的电压下充放电。确定损耗原因并采取纠正措施后，将会得到以下曲线图。