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详解电源效率测试

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发表于 2017-6-26 09:28:23 | 显示全部楼层 |阅读模式
电源效率的定义:

1.png
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。

2.jpg
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。

3.jpg
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。
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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

5.png

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。
6.jpg

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。
7.jpg
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。
8.jpg
参考文档:

Power Integrations, Inc.网站
《精通开关电源设计》
《一次电源测试规范》

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发表于 2017-6-28 15:50:22 | 显示全部楼层
温故而知新,谢谢!
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