電源提示：控制測(cè)量電源效率的誤差

在電源中進(jìn)行出色的效率測(cè)量需要許多因素，但我們這里主要關(guān)注溫度穩(wěn)定性。其他問(wèn)題包括測(cè)量和分流器的質(zhì)量和校準(zhǔn)。由于效率需要兩次電壓和兩次電流測(cè)量，因此使用的電壓和電流表的誤差可能會(huì)疊加。借助最好的手持式儀表（每個(gè)約 400 美元）和勤奮的校準(zhǔn)，這種“疊加”可以將總體誤差限制在 1% 左右。使用更高質(zhì)量的臺(tái)式儀器和經(jīng)過(guò)良好校準(zhǔn)的分流器，該誤差可以減少到 0.1% 左右。

銅和硅的電阻率每 25 ° C 增加約 10%。傳導(dǎo)損耗與電阻率成正比，占大多數(shù)電源總損耗的一半以上。如果您可以在材料加熱之前進(jìn)行測(cè)量，您可以獲得更好的效率讀數(shù)。但是好到什么程度呢？

圖 1： CSD86350Q5D中的標(biāo)準(zhǔn)化功率損耗與溫度的關(guān)系

圖 1 顯示了CSD86350Q5D中損耗與溫度的關(guān)系圖，該功率級(jí)類似于我在下面測(cè)試的電源中使用的功率級(jí)。每升高 25 ° C，損失增加約 5-6%。對(duì)于具有組合 DC、AC 和磁芯損耗的電感器，存在類似的損耗與溫度關(guān)系。對(duì)于效率約為 90% 的電源，這 5-6% 的損耗增加對(duì)應(yīng)于效率降低約 0.5%。

我們的電源設(shè)計(jì)服務(wù)團(tuán)隊(duì)擁有一個(gè)自動(dòng)電源效率測(cè)試儀，該測(cè)試儀使用一個(gè)可編程電源、一個(gè)可編程負(fù)載、四個(gè)高精度儀表 (Agilent 34401A)、兩個(gè)校準(zhǔn)分流器和一個(gè) LabVIEW 程序來(lái)步進(jìn)電源負(fù)載并收集數(shù)據(jù)。我擔(dān)心的一個(gè)問(wèn)題是，在電源有機(jī)會(huì)穩(wěn)定在給定負(fù)載之前收集數(shù)據(jù)，從而給出錯(cuò)誤的效率讀數(shù)。我決定對(duì)設(shè)置進(jìn)行一些測(cè)試，并改變順序和延遲，看看實(shí)際引入了多少錯(cuò)誤。

我在 6 英寸 x 6 英寸板上使用了對(duì)流冷卻（無(wú)風(fēng)扇）12V 至 1.2V TIDA-00324設(shè)計(jì)，在 90A 時(shí)具有 50 ° C 的穩(wěn)態(tài)最大溫升，以用作接近“最壞情況” ” 的情況，因此過(guò)早的讀數(shù)會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的更高效率。這是因?yàn)檩^大的電路板比較小的電路板具有更大的熱時(shí)間常數(shù)，并且對(duì)流冷卻電源比強(qiáng)制風(fēng)冷電源需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)穩(wěn)定。此外，最終溫升越大，穩(wěn)定所需的時(shí)間越長(zhǎng)，出錯(cuò)的可能性也越大。在額定滿載時(shí)上升超過(guò) 50 ° C 的設(shè)計(jì)通常被認(rèn)為是不可靠的。

我最初進(jìn)行了三個(gè)運(yùn)行。第一個(gè)是電源在滿負(fù)載下運(yùn)行直到穩(wěn)定，數(shù)據(jù)以 5A 的增量從滿載的 90A 逐步下降到空載，讀數(shù)之間的間隔為 96 秒。這個(gè)測(cè)試在穩(wěn)定后需要30分鐘，是最“保守”的方法；有錯(cuò)誤（如果有）是效率讀數(shù)太低。

第二次運(yùn)行是我們?cè)O(shè)置的典型運(yùn)行，其中冷電源在空載時(shí)啟動(dòng)，并以 5A 的增量逐步加載至 90A。讀數(shù)之間的唯一延遲是程序的測(cè)量延遲，每個(gè)讀數(shù)大約需要 6 秒。這種延遲，加上獲得大量讀數(shù)的愿望，將真正顯著減少錯(cuò)誤。

第三次運(yùn)行是為了最大限度地提高“作弊”或在滿負(fù)載時(shí)測(cè)量效率，其中冷電源在滿負(fù)載時(shí)啟動(dòng)（我進(jìn)行了初始讀數(shù)），然后以 5A 的增量降低負(fù)載。

這是結(jié)果。稍后我將討論圖 2 中引用的“10 分鐘規(guī)則”圖。

圖 2： PMP10393中的效率與負(fù)載，無(wú)風(fēng)扇，四種測(cè)量方法

正如預(yù)期的那樣，最大負(fù)載時(shí)的錯(cuò)誤最大，典型情況下效率報(bào)告高 0.3%，而我試圖“作弊”最多的情況下效率報(bào)告高 0.6%。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)和獲得 0.6% 的高效率讀數(shù)時(shí)，我還拍攝了電路板的熱圖像。

大約有29 ° C的差異。穩(wěn)態(tài)效率降低 0.6% 對(duì)應(yīng)于損耗增加 7.3%。這與每 25 ° C損失增加 5-6% 一致。

典型測(cè)量方法中的 0.3% 誤差必須與測(cè)量中的其他可能誤差進(jìn)行比較。如果儀表是手持式的并且會(huì)導(dǎo)致大約 1% 的總體誤差，那么這 0.3% 不是主要問(wèn)題。然而，與高檔臺(tái)式儀器的 0.1% 誤差相比，這 0.3% 絕對(duì)是顯著的。

大約需要 20 分鐘才能完全穩(wěn)定，然后慢慢降低負(fù)載將給出最可靠的測(cè)量結(jié)果。我觀察到，如果電源在滿負(fù)載下穩(wěn)定運(yùn)行 4-5 分鐘，效率讀數(shù)將在 0.1% 以內(nèi)最終 90.12% 的值。在線性加速到滿負(fù)載期間，平均負(fù)載大約是滿負(fù)載的二分之一，我推斷通過(guò)在這 5 分鐘內(nèi)將加速擴(kuò)展兩次，總共 10 分鐘，將產(chǎn)生大致相同的精度。

然后我回到了典型設(shè)置，其中冷電源在空載時(shí)啟動(dòng)，并以 5A 的增量逐步加載到 90A，但每次讀數(shù)增加了 25 秒的測(cè)量延遲，以便在 10 分鐘后獲得完整的 90A 負(fù)載。在 10 分鐘后均勻分布測(cè)量以達(dá)到滿負(fù)荷，這就是我所說(shuō)的“10 分鐘規(guī)則” 圖 2 中的 10 分鐘規(guī)則圖就是這種方法的結(jié)果。最大誤差小于 0.14%，小于單個(gè) Fluke 87V 儀表電流測(cè)量的校準(zhǔn)誤差。

使用風(fēng)扇，我將最大負(fù)載增加到 120A，以在滿負(fù)載的穩(wěn)定狀態(tài)下獲得相同的 50 ° C 上升。在這里，我能夠?qū)嵤? 分鐘規(guī)則”，在 5 分鐘而不是 10 分鐘內(nèi)以 5A 的增量從空載上升到 120A 滿載。5 分鐘結(jié)束時(shí) 120A 效率讀數(shù)的誤差為 0.13%（88.34% 與 88.21% 的穩(wěn)態(tài)效率）。因此，強(qiáng)制通風(fēng)應(yīng)用中的 5 分鐘規(guī)則將產(chǎn)生與沒(méi)有風(fēng)扇應(yīng)用中的 10 分鐘規(guī)則相似的精度。

因?yàn)槲以?/span> 6 英寸 x 6 英寸板上進(jìn)行了測(cè)試，穩(wěn)態(tài)下最大滿載溫升為 50 ° C，所以我希望具有較小板和較低最大溫升的設(shè)計(jì)具有較小的誤差，使用相同的無(wú)風(fēng)扇應(yīng)用的 10 分鐘規(guī)則和強(qiáng)制通風(fēng)應(yīng)用的 5 分鐘規(guī)則。

總之，在自動(dòng)效率測(cè)試儀設(shè)置上運(yùn)行電源，因?yàn)樗鼈兺ǔＴ谪?fù)載從零逐漸增加到滿負(fù)載的情況下運(yùn)行，但會(huì)增加延遲，以在風(fēng)扇冷卻電源的情況下進(jìn)行 5 分鐘的總體測(cè)試，在 10 分鐘的情況下進(jìn)行測(cè)試在沒(méi)有風(fēng)扇的情況下，由于溫度穩(wěn)定，誤差將減少到 0.1% 或更低。