開關(guān)電源的效率如何測(cè)量吶？

通常低輸入電壓下效率下降是由于電路中的阻性元件產(chǎn)生的導(dǎo)通損耗造成的。這些損耗之所以會(huì)在低輸入電壓下增加，是因?yàn)樾枰^高的電流來(lái)維持相同的輸出功率。本文將向大家介紹測(cè)量開關(guān)電源轉(zhuǎn)換效率的兩種不同方法。第一種方法使用一個(gè)瓦特表和兩個(gè)萬(wàn)用表;第二種方法介紹在沒(méi)有瓦特表的情況下如何進(jìn)行測(cè)量，但不夠精確。

所需設(shè)備

1. 一個(gè)可程控交流電源供應(yīng)器或一個(gè)自耦變壓器

2. 一個(gè)電子負(fù)載

3. 一個(gè)瓦特表和兩個(gè)數(shù)字萬(wàn)用表(其中最好有一個(gè)高精度數(shù)字萬(wàn)用表，用來(lái)測(cè)量電流)或者四個(gè)數(shù)字萬(wàn)用表(其中，一個(gè)為真有效值、高精度萬(wàn)用表，用來(lái)測(cè)量輸入電流;一個(gè)為高精度萬(wàn)用表，用來(lái)測(cè)量輸出電流)

注釋：在使用萬(wàn)用表時(shí)，您需要根據(jù)要測(cè)量的電壓和電流值將萬(wàn)用表設(shè)置在合適的量程內(nèi)，這一點(diǎn)非常重要。

直流輸出功率僅等于電壓與電流的乘積，只需兩個(gè)萬(wàn)用表即可測(cè)量出大小。我們將用一個(gè)高精度萬(wàn)用表來(lái)測(cè)量輸出到負(fù)載的電流，用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)萬(wàn)用表來(lái)測(cè)量電源的輸出電壓。由于交流系統(tǒng)中電壓與電流之間存在相位角，因此不能簡(jiǎn)單地將RMS 輸入電壓與RMS 輸入電流相乘來(lái)計(jì)算輸入功率。只有電源消耗的有功功率(P)才是必須考慮的。而返回到電源的無(wú)功功率Q，則不應(yīng)考慮進(jìn)來(lái)。

瓦特表的優(yōu)點(diǎn)是可以準(zhǔn)確測(cè)量輸入功率，原因在于它能自動(dòng)校正功率因數(shù)。如果沒(méi)有瓦特表，則可使用兩個(gè)萬(wàn)用表來(lái)測(cè)量輸入電壓和電流。但這種替代性方法與使用瓦特表相比，測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性不高，并且還需要對(duì)待測(cè)電源進(jìn)行斷路。

直接將電壓表跨接到電路板輸出端，并與電子負(fù)載連接。測(cè)量輸出端電壓時(shí)，會(huì)不計(jì)與負(fù)載相連的電纜上的壓降。在有些應(yīng)用中，比如手機(jī)充電器或筆記本電腦適配器中，必須計(jì)算電纜中的損耗，此時(shí)需要從負(fù)載測(cè)量輸出電壓。然后將高精度電流表與負(fù)載串聯(lián)，測(cè)量輸出電流。

交流接通注意事項(xiàng)

如果使用的器件采用開/關(guān)控制方案，在檢測(cè)輸入電壓下快速裝上電源，使輸出達(dá)到滿載，這時(shí)就可以測(cè)量出最差情況下的效率。不過(guò)，在大容量電容充電時(shí)，裝上電源會(huì)產(chǎn)生非常大的浪涌電流。如果輸入電流表設(shè)置為低量程，這會(huì)導(dǎo)致其中的保險(xiǎn)絲熔斷。

針對(duì)不同 SMPS控制方案的建議交流接通程序

如果采用四個(gè)萬(wàn)用表的方法，在低輸入電壓和最高負(fù)載下快速裝上電源后，首先應(yīng)測(cè)量電源的浪涌電流。然后查閱萬(wàn)用表的數(shù)據(jù)手冊(cè)，確認(rèn)它是否能夠在高輸入電壓下承載如此高的峰值電流。對(duì)于所有其它控制方案，接通方法將不會(huì)影響效率的測(cè)量，建議在檢測(cè)時(shí)緩慢調(diào)高交流電壓，以便限制浪涌電流。

瓦特表方法

將瓦特表連接到電源輸入端，將顯示屏設(shè)置為平均模式，以便獲得較穩(wěn)定的讀數(shù)。接通交流輸入電壓，將它緩慢調(diào)高到所需的檢測(cè)電壓。將您電源的負(fù)載增加到滿載。然后關(guān)斷電源，將它重新快速裝回，繼續(xù)完成測(cè)量。在本演示中，電源輸出端儀表的測(cè)量結(jié)果為4.97 伏和4.005 安。電子負(fù)載的電壓讀數(shù)為4.48 伏。這是由于輸出電纜和萬(wàn)用表電壓檢測(cè)元件上出現(xiàn)了490 mV 的壓降，從而突現(xiàn)了測(cè)量電源輸出端電壓的重要性。因此，輸出功率 = 4.97 V 4.005 A = 19.90 瓦。瓦特表讀數(shù)顯示輸入功率為25.76 瓦。因此，電源效率 = 19.90 瓦/25.76 瓦 = 77.3%%u3002

萬(wàn)用表方法

使用萬(wàn)用表時(shí)，可以在二極管整流器級(jí)將交流電轉(zhuǎn)換為直流電之后來(lái)測(cè)量輸入功率，從而避開功率因數(shù)的影響。為提高測(cè)量準(zhǔn)確性，必須將直流總線級(jí)之前的元件中的損耗計(jì)算在內(nèi)。二極管整流橋通常是輸入級(jí)中損耗最大的元件，因?yàn)樵谧畈钋闆r下每個(gè)二極管中的壓降可達(dá)到0.9伏。對(duì)于阻抗或壓降非常大且可測(cè)量的其它元件，使用這種方法也可以計(jì)算出其損耗大小。

連接萬(wàn)用表

斷開整流橋與大容量電容C2 之間的直流總線。斷開大容量電容后面的直流總線后，需要用萬(wàn)用表來(lái)測(cè)量電源的高頻開關(guān)電流，而萬(wàn)用表無(wú)法對(duì)此進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。然后，焊接兩條可用來(lái)連接萬(wàn)用表和電路的導(dǎo)線。連接一個(gè)真有效值、高精度萬(wàn)用表組，測(cè)量斷路上的電流。使用另一個(gè)萬(wàn)用表組測(cè)量電壓，將它分別連接到直流正極和大容量電容的負(fù)極。

測(cè)試程序

打開交流電源供應(yīng)器，緩慢將電壓調(diào)高到所需的檢測(cè)電壓。將電源的負(fù)載增加到滿載。將輸入電流表設(shè)置到最高電流量程。然后切斷交流輸入電壓，重新快速裝上電源。在本演示中，電源仍提供4.97 伏電壓，4.008 安電流和19.92 瓦輸出功率。在輸入端，直流總線電壓為151.6 伏，輸入電流為0.166 安。輸入功率計(jì)算如下：交流輸入損耗

現(xiàn)在，必須將整流橋的功率損耗計(jì)算在內(nèi)：

功率損耗估計(jì)值 = 最差情況下的二極管總壓降 輸入電流

= 1.8 V 0.166 A

= 0.299 W

因此，總輸入功率 = 25.1656 W 0.299 W

= 25.46 W

采用這種測(cè)量方法，可計(jì)算得出電源效率：= 78.2%

與使用瓦特表測(cè)量計(jì)算得出的77.3%%u76F8比，我們可以看出，用四個(gè)萬(wàn)用表進(jìn)行測(cè)量，最后的誤差為0.9%%u3002

提高準(zhǔn)確度

我們可以通過(guò)調(diào)整輸入功率來(lái)提高這種測(cè)量方法的準(zhǔn)確度，在計(jì)算時(shí)，除二極管整流橋的損耗外，還應(yīng)將其他輸入級(jí)元件，如浪涌限制器、共模扼流圈和數(shù)字萬(wàn)用表的電流檢測(cè)元件的損耗包括在內(nèi)。要計(jì)算這些損耗，需要測(cè)量各元件在正常工作情況下的壓降，然后用該壓降值乘以測(cè)得的輸入電流。將這些損耗計(jì)算在內(nèi)，將會(huì)增大總輸入功率并降低計(jì)算得出的效率。

不過(guò)，用這種方法測(cè)得的結(jié)果始終不會(huì)像用瓦特表測(cè)量輸入功率一樣準(zhǔn)確。測(cè)量一系列輸入及輸出值，確定損耗原因電源效率與輸入電壓和輸出負(fù)載有關(guān)。*估電源時(shí)，通常需要在幾個(gè)不同的輸入電壓水平下測(cè)量效率，以便更好地判斷出電路中的損耗究竟在何處。把得出的結(jié)果繪制在圖表中，說(shuō)明滿載條件下效率與輸入電壓的關(guān)系。

導(dǎo)通損耗對(duì)效率的影響 開關(guān)損耗對(duì)效率的影響

低輸入電壓下效率下降，這通常是由于電路中的阻性元件產(chǎn)生的導(dǎo)通損耗造成的。這些損耗之所以會(huì)在低輸入電壓下增加，是因?yàn)樾枰^高的電流來(lái)維持相同的輸出功率。而高輸入電壓下的效率下降，通常是由于開關(guān)損耗造成的。這些損耗來(lái)自寄生電容。在高輸入電壓下?lián)p耗增加，是因?yàn)榧纳娙輹?huì)在更高的電壓下充放電。確定損耗原因并采取糾正措施后，將會(huì)得到以下曲線圖。設(shè)計(jì)良好的電源的效率與輸入電壓的關(guān)系。