根據(jù)能效標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行電源合規(guī)性測(cè)試

在過去幾年間， 包括美國(guó)環(huán)保署(EPA)的能源之星計(jì)劃、歐盟委員會(huì)的行為準(zhǔn)則( CoC ) 和加州能源委員會(huì)(CEC) 在內(nèi)的多家主要國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織都已制定了新的外部電源效率要求。這些標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)師必須以高精度來測(cè)試其產(chǎn)品的帶載模式效率和空載功耗。本文將介紹一種相對(duì)簡(jiǎn)單的測(cè)量方法， 以確定外部電源對(duì)這些變化中的能效標(biāo)準(zhǔn)的合規(guī)性，同時(shí)還將提供一些有用的測(cè)試技巧。

基本要求

我們先介紹一下執(zhí)行這些測(cè)試所需的設(shè)備。要想準(zhǔn)確測(cè)量出產(chǎn)品的效率，您需要用到以下四種工具：

1.一個(gè)瓦特表;

2.一個(gè)可程控交流電源;

3.一個(gè)電子負(fù)載;

4.兩個(gè)數(shù)字萬用表(其中一個(gè)必須為高精度電流表);

接下來，您需要遵循一些一般準(zhǔn)則，才能獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。首先，由于電源的能效合規(guī)性測(cè)量是一種系統(tǒng)級(jí)測(cè)試，還要測(cè)量輸入電纜和輸出電纜中的功耗情況，因此必須確保測(cè)試所用的電纜與最終產(chǎn)品所用的電纜相同。其次，必須注意的是，這些測(cè)試需要在輸出線電壓和輸入線電壓變化期間保持長(zhǎng)時(shí)間的溫度穩(wěn)定。因此，預(yù)計(jì)完成這些測(cè)試需要數(shù)小時(shí)的時(shí)間。最后，在您每次修改產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，必須重復(fù)進(jìn)行這些測(cè)試，以確保獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。

實(shí)現(xiàn)最高精度

這種測(cè)試要求同時(shí)測(cè)量外部電源的空載輸入功率和帶載模式效率。要計(jì)算效率， 必須同時(shí)測(cè)量輸入和輸出功率。測(cè)量輸入功率時(shí)，選擇恰當(dāng)?shù)墓╇婋娫粗陵P(guān)重要。如圖1中的圖形所示，來自墻壁電源插座和自耦變壓器的原始交流電導(dǎo)致了測(cè)量結(jié)果的不準(zhǔn)確。為確保以精確的輸入電壓執(zhí)行測(cè)試，需要使用可程控交流電源。

圖2中的圖形表示的是來自可程控交流電源的輸出。注意，輸入的波形是真正的正弦波。

我們?cè)谶M(jìn)行此測(cè)量時(shí)需使用瓦特表，因?yàn)樗蓽y(cè)量功率因數(shù)，也即電壓波形與電流波形之間相位角(cos)的余弦值，并考慮該因素的影響。必須注意的是，能效標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)量0.5W或更大的功率時(shí)，輸入功率測(cè)量的不確定度應(yīng)小于2%;測(cè)量0.5W以下的功率時(shí)，其不確定度應(yīng)為10mW。

可以對(duì)多家主要儀表廠商的瓦特表進(jìn)行配置來滿足這些要求。由于瓦特表同時(shí)包含電流檢測(cè)元件和電壓檢測(cè)元件，可以將電壓檢測(cè)元件配置為位于輸入電流檢測(cè)元件之前，也可以配置為位于其后。有關(guān)如何配置儀表的信息通?？稍谄溆脩羰謨?cè)中找到。進(jìn)行低負(fù)載或空載測(cè)量時(shí)，可以通過將電壓檢測(cè)元件配置為位于電流檢測(cè)元件之前，來獲得更精確的測(cè)量結(jié)果。這樣可以防止來自電壓檢測(cè)元件的電流被電流檢測(cè)元件測(cè)量?？紤]到電壓檢測(cè)元件所消耗的電流通常大于230VAC下的10mW容許值，這種配置在滿足能效標(biāo)準(zhǔn)的低測(cè)量不確定度要求方面至關(guān)重要。

高功率應(yīng)用

進(jìn)行較高功率設(shè)計(jì)時(shí)，需要解決不同的問題。在這些應(yīng)用中，電壓檢測(cè)元件的功率損耗非常小，可以將電壓檢測(cè)元件連接到電流檢測(cè)元件之后，使其靠近電壓輸入。這種方法可防止電流檢測(cè)元件上出現(xiàn)壓降以及瓦特表的內(nèi)部線路被錯(cuò)誤地納入功率測(cè)量，從而導(dǎo)致所計(jì)算出的效率值偏低。將瓦特表設(shè)置為32(或64)次采樣的平均值后，可以獲得更穩(wěn)定的結(jié)果(圖3)。

測(cè)量輸出功率時(shí)需要使用兩個(gè)萬用表：一個(gè)用來測(cè)量輸出電壓，另一個(gè)用來測(cè)量輸出電流。用精度較高的萬用表來測(cè)量輸出電流。由于輸出功率是純粹的直流電功率，因此可通過輸出電壓乘以輸出電流計(jì)算得出。

為簡(jiǎn)化確定電源規(guī)格是否符合全球性規(guī)范的工作， PowerIntegrations開發(fā)出了一款有用的能效合規(guī)性計(jì)算器?？蛰d和帶載模式效率的目標(biāo)值可從每個(gè)電源的標(biāo)稱額定值計(jì)算出來。該額定值只是電源外殼上標(biāo)明的額定輸出值，表示電源在室溫和額定輸入電壓下的最小額定輸出功率。例如，標(biāo)稱額定值為5V、350mA的恒壓恒流充電器最小可提供5V、350mA的電量。

只要輸入您的電源標(biāo)稱輸出功率額定值，計(jì)算器就會(huì)自動(dòng)告訴您與電源設(shè)計(jì)相關(guān)的能效標(biāo)準(zhǔn)的合規(guī)性目標(biāo)值。接受通用輸入電壓的設(shè)計(jì)要求同時(shí)在115VAC、60Hz和230VAC、50Hz下進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于單路輸入設(shè)計(jì)，則應(yīng)在115VAC或230VAC的額定輸入電壓下進(jìn)行測(cè)量。

現(xiàn)在，我們以一個(gè)額定值為通用輸入范圍的5 V、350 mA手機(jī)充電器為例來演示測(cè)試程序。首先，我們將進(jìn)行一系列測(cè)試來測(cè)量該電源在115VAC、60 Hz下的帶載模式效率。帶載模式效率是在額定輸入線電壓和額定線電壓頻率下，在標(biāo)稱額定值的25%、50%、75%和100%負(fù)載水平下測(cè)得的效率平均值。由于此充電器的標(biāo)稱負(fù)載額定值為350 mA，因此必須測(cè)量在以下電流下的效率：滿載350mA、75%負(fù)載262 mA、50%負(fù)載175 mA，以及25%負(fù)載88mA。[!--empirenews.page--]

在開始測(cè)試前，需要讓電源預(yù)熱30 分鐘。在滿載下進(jìn)行第一個(gè)測(cè)量前，需將電源連接到交流電源，然后施加60Hz、115VAC的輸入。將電源的負(fù)載逐步增大至滿載，至少預(yù)留30分鐘的時(shí)間讓電路達(dá)到熱平衡，并使輸入功率讀數(shù)穩(wěn)定。在記錄測(cè)量結(jié)果之前，確保沒有示波器探頭或其他儀表與電路相連。在有些情況下，可能需要手動(dòng)設(shè)置瓦特表的電壓和/或電流量程，以免它自動(dòng)更換量程，從而造成結(jié)果不穩(wěn)。同樣的測(cè)量?jī)x表如果采用不同的量程，測(cè)量結(jié)果通常會(huì)出現(xiàn)不同的精度。通常，操作手冊(cè)中會(huì)指出可產(chǎn)生最高精度的量程。

當(dāng)電路達(dá)到熱平衡后，記錄瓦特表的初始功率讀數(shù)。等待五分鐘，記下第二個(gè)讀數(shù)。如果發(fā)現(xiàn)兩個(gè)讀數(shù)之間的差異小于5%，請(qǐng)記錄第二個(gè)讀數(shù)。如果其差異大于5%，則應(yīng)再等待五分鐘，繼續(xù)此操作，直到兩個(gè)連續(xù)讀數(shù)之間的差異處于5%以內(nèi)?；蛘?，您可以使用大多數(shù)瓦特表都具有的“積分模式”進(jìn)行測(cè)量，具體操作方法將在下面介紹。

計(jì)算積分輸入功率

對(duì)于輸入功率隨時(shí)間變化的設(shè)計(jì)，在測(cè)量其輸入功率時(shí)，需要采取下列步驟：

1.將瓦特表設(shè)置為積分模式;

2.為瓦特表設(shè)置積分間隔，以捕獲可變輸入功率大約的一個(gè)完整周期;(持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，測(cè)量結(jié)果就越準(zhǔn)確。我們建議在大部分應(yīng)用中都進(jìn)行1分鐘的積分計(jì)算)

3.讀取瓦特表輸入功率讀數(shù)，單位為Whr;

4.用此數(shù)字除以積分間隔。確保調(diào)整時(shí)間單位，以便它們相互抵消。例如：輸入能量( W h r )/ 測(cè)量時(shí)間間隔(min)×60mins/1hr=輸入功率(W);在本例中，根據(jù)萬用表讀數(shù)，我們將輸出電流記錄為0.35A，將輸出電壓記錄為6.124V，從而得出輸出功率為2.14W。

效率計(jì)算如下：

滿載效率=Pout/Pin=2.14W/3.14W=68.2%

在進(jìn)行下一個(gè)測(cè)量前，需將負(fù)載水平調(diào)整到75%，或?yàn)?62mA。使用瓦特表計(jì)算平均值時(shí)，記得至少留出一分鐘的時(shí)間使讀數(shù)達(dá)到穩(wěn)定。然后從瓦特表記錄輸入功率。等待五分鐘，再次記錄，并利用<5%的差異規(guī)則來確定是使用該值，還是計(jì)算積分輸入功率。

在本例中，我們將輸出電流記錄為0.262A，將輸出電壓記錄為6.502V，從而得出輸出功率為1.704W。然后，效率計(jì)算如下：

75%負(fù)載下的效率=1.704W/2.42W=70.4%

然后，應(yīng)對(duì)50%和25%負(fù)載水平重復(fù)以上測(cè)量程序。

測(cè)量空載輸入功率

在測(cè)量空載輸入功率前，需斷開輸出負(fù)載和所有輸出萬用表與電源的連接。接下來，關(guān)斷交流輸入，將瓦特表配置為電壓檢測(cè)元件位于電流檢測(cè)元件之前。記下瓦特表的初始功率讀數(shù)，然后等待五分鐘，記下第二個(gè)讀數(shù)。如我們?cè)谇懊娴臏y(cè)試程序中所述，如果兩個(gè)讀數(shù)之間的差異小于5%，則記錄第二個(gè)讀數(shù)。如果差異大于5%，則必須計(jì)算輸入功率的積分，然后根據(jù)前述程序用這個(gè)結(jié)果除以積分的間隔時(shí)間。

現(xiàn)在就完成了115 VAC下的測(cè)試工作。接下來，必須重新連接負(fù)載和輸出萬用表，將輸入電壓升高到230VAC。在新的輸入電壓下，重復(fù)前面執(zhí)行的所有測(cè)試。記得先將瓦特表設(shè)置為相應(yīng)的功率量程。測(cè)試完成后，您應(yīng)該就有了一份完整的測(cè)試數(shù)據(jù)，匯總了在兩種輸入電壓下所有四個(gè)負(fù)載水平的測(cè)量結(jié)果。

然后，Power Integration的計(jì)算器將計(jì)算帶載模式效率，即在所有負(fù)載水平下效率的等加權(quán)平均值。在屏幕右側(cè)的字段中，可以看到許多行不同的能效標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算器將自動(dòng)計(jì)算出帶載模式效率和空載輸入功率的合規(guī)要求，并將測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行比較。為簡(jiǎn)化結(jié)果分析工作，它會(huì)將滿足要求的測(cè)試結(jié)果顯示為綠色，不滿足要求的測(cè)試結(jié)果顯示為紅色。

補(bǔ)充內(nèi)容1：

測(cè)試技巧：手動(dòng)計(jì)算

如果您決定手動(dòng)計(jì)算這些值，必須注意的是，這些標(biāo)準(zhǔn)的空載要求和帶載模式效率已四舍五入為兩位數(shù)。這一點(diǎn)看似微不足道，但它在標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性方面有著重要影響。下面是采用能源之星公式計(jì)算一個(gè)12V、1.1A電源的最低效率的示例：

補(bǔ)充內(nèi)容2：

測(cè)試技巧：更改輸入電壓

您是否要測(cè)量空載功耗并計(jì)劃在測(cè)試過程中更改輸入電壓?請(qǐng)始終在此轉(zhuǎn)變過程中對(duì)輸出施加滿載。原因何在?在空載模式下，輸入大容量電容需要較長(zhǎng)的時(shí)間完成放電，如果輸入電壓從高壓降到低壓后，輸出沒有負(fù)載連接，則電容在從交流輸入吸取功率之前，將對(duì)直流總線電壓提供長(zhǎng)時(shí)間支持。這反過來會(huì)造成電源的空載輸入功率在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)為0W。為避免此問題，應(yīng)先在開始測(cè)量之前使電源達(dá)到滿載，然后再斷開所有輸出負(fù)載。