如何測試證明電源效率可以滿足法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)

在1990年代，專家計算得出，如果不努力提高效率并減少“空載”功耗，外部電源（用于為手機(jī)，游戲機(jī)和筆記本電腦等所有設(shè)備供電的電源）將占到令人震驚的30％不到20年的總能源消耗。功耗有所提高，但現(xiàn)在需要進(jìn)行測試以證明電源可以滿足規(guī)定。

當(dāng)時，電源的效率可能低至50％，更糟糕的是，當(dāng)關(guān)閉正在供電的設(shè)備時，它們?nèi)詴南喈?dāng)多的功率。從1992年開始，美國環(huán)境保護(hù)局啟動了包括能源之星計劃在內(nèi)的旨在提高能源效率的自愿計劃。直到2004年，當(dāng)加州能源委員會（CEC）采取行動時，各國政府才開始制定關(guān)于效率和空載功耗的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。

從那時起，圍繞外部電源效率的全球監(jiān)管環(huán)境迅速發(fā)展，在電子行業(yè)試圖跟上動態(tài)監(jiān)管環(huán)境的過程中，電子行業(yè)面臨許多挑戰(zhàn)和不確定性。不過，毫無疑問，這一努力是值得的。例如，EPA估計，在過去十年中實施的外部電源效率法規(guī)已將能源消耗減少了320億千瓦，每年節(jié)省了25億美元，并且每年減少了超過2400萬噸的CO2排放量。

在美國，自能源部（DOE）發(fā)布于2016年2月生效的VI級標(biāo)準(zhǔn)以來，功率效率標(biāo)準(zhǔn)一直保持相對穩(wěn)定。但是，從全球范圍來看，情況更加暗淡。一旦現(xiàn)行的自愿行為守則（CoC）成為強(qiáng)制性規(guī)定，下一輪立法預(yù)計將來自歐洲。歐盟更嚴(yán)格的CoC版本5 Tier 2自愿標(biāo)準(zhǔn)原定于2018年1月生效，但最終實施被推遲了一兩年。

無論標(biāo)準(zhǔn)是自愿性的還是強(qiáng)制性的，我們都不應(yīng)以為當(dāng)局放慢了監(jiān)管進(jìn)展的步伐。電源設(shè)計人員面臨著艱巨的挑戰(zhàn)，要不斷提高效率，同時還要在各種輸入和負(fù)載條件下保持規(guī)定的性能。除效率外，設(shè)計人員還必須遵守有關(guān)電流諧波，安全性和EMI / EMC的國際法規(guī)。

修改電源以滿足更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)（例如降低空載功耗）通常不是簡單的組件更改。在這種情況下，例如，可能需要將控制IC更改為消耗較少功率的控制IC，并且可能需要實現(xiàn)諸如脈沖跳躍之類的節(jié)能技術(shù)。反過來，對原邊電路的更改可能要求重新提交產(chǎn)品以更新各種安全認(rèn)證。重新設(shè)計和重新認(rèn)證過程都是昂貴的，這強(qiáng)調(diào)了在設(shè)計周期的早期就需要對合規(guī)性測試進(jìn)行預(yù)合規(guī)性測試，以幫助減少第三方合規(guī)性實驗室的重新運(yùn)行。

測試方法概述

盡管即將出現(xiàn)更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，但DOE VI級使用的原理和基本方法可以適用于任何AC-DC電源，并且具有廣泛的適用性。官方測試方法已在《美國聯(lián)邦法規(guī)規(guī)則》第10篇第430部分B子部分的附錄Z下發(fā)布，可從美國政府印刷局獲得。

VI級測試要求在負(fù)載和空載條件下測試外部電源。在30分鐘的預(yù)熱時間之后，必須監(jiān)視交流輸入電源5分鐘以檢查設(shè)備的穩(wěn)定性。功率電平漂移應(yīng)在觀測到的最大值的1％以內(nèi)，并且必須在每種負(fù)載條件下進(jìn)行5分鐘的穩(wěn)定性檢查。在VI級下，必須按該特定順序分別在降額負(fù)載（±2％）的100％，75％，50％，25％和0％下測試被測設(shè)備。對于您希望在市場上待用一段時間的電源，您還需要參考CoC版本5 Tier 2，它增加了在10％負(fù)載下進(jìn)行測試的要求-在低負(fù)載條件下，許多類型的電源效率很低。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，功率效率是在每種負(fù)載條件下實時計算為輸出有功功率與交流輸入有功功率之比，并單獨(dú)記錄。另一方面，已消耗但未轉(zhuǎn)換為輸出功率的電源功率被計算為在每種負(fù)載條件下有功輸出功率與有功交流輸入功率之間的差，并再次單獨(dú)報告。

請注意，空載功耗測試還必須符合加利福尼亞能源委員會發(fā)布的“計算單電壓外部AC-DC和AC-AC電源的能效的測試方法”中指定的要求。

測試設(shè)備要求
電源效率測試的主要動力是功率分析儀，它可以測量AC-DC電源上的輸入和輸出功率，同時還可以進(jìn)行效率測量。功率分析儀的要求由IEC 62301標(biāo)準(zhǔn)定義。通常，該標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)備在95％的置信度下，根據(jù)功率級別，其不確定度等級為1％或2％。

這些標(biāo)準(zhǔn)還定義了對有源或無源負(fù)載的要求，在測試效率時設(shè)置DUT的輸出電流是必需的。電子負(fù)載雖然相對昂貴，但由于其多功能性和可編程性，可以提供比無源負(fù)載顯著的優(yōu)勢，并且還可以幫助自動化效率測試，減少測試時間并最大程度地減少用戶錯誤。無源負(fù)載和電子負(fù)載都需要在所有要求的輸出電壓下保持負(fù)載電流，精度為±0.5％。

除負(fù)載外，大多數(shù)情況下還需要交流電源，以進(jìn)行符合法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的效率測試。來自交流壁式插座的輸入電壓不可靠，并且可能會因各種因素（例如一天中的時間，接線阻抗和負(fù)載變化）而有很大的變化。交流電子電源通過提供可追溯且可靠的電壓輸出來解決這些問題，該電壓輸出在要求的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)具有校準(zhǔn)的容差。大多數(shù)電子交流電源也允許進(jìn)行編程，這使自動化效率測試變得容易，并減少了時間和用戶錯誤。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)用于效率測試的交流電源要求輸入電壓和頻率在規(guī)定值的±1％以內(nèi)，要求輸入電壓的總諧波含量（THC）在≤2％之內(nèi)，且不超過額定值。 13次諧波。

運(yùn)行測試
此示例演示了一種使用功率分析儀，電子負(fù)載和效率測試軟件對外部AC-DC電源進(jìn)行效率測量的簡單方法。圖1顯示了一個分線盒，它有助于使輸入交流電連接安全，簡單。

DUT上的AC輸入通過接線盒連接到功率分析儀的通道1，該接線盒接入電流信號并測量輸入端子上的電壓。電子負(fù)載用于加載電源的DC輸出（圖1）。在功率分析儀的第二個通道上測量輸出的直流電壓和電流。

圖1. AC-DC電源的效率測試設(shè)置。

建立連接后，可以將功率效率應(yīng)用程序與功率分析儀結(jié)合使用，以配置和測量電源效率。然后將交流電源和電子負(fù)載分別設(shè)置為所需的電源和負(fù)載條件。

在進(jìn)行測量之前，通過將負(fù)載值設(shè)置為100％額定電流來預(yù)熱被測電源30分鐘。在測試開始時僅需要一次預(yù)熱時間。預(yù)熱期過后，將對輸入交流電源進(jìn)行5分鐘監(jiān)控以確保穩(wěn)定性。在此期間，輸入功率必須保持在所觀察到的最大值的1％以內(nèi)。

一旦建立了穩(wěn)定性，便會針對100％負(fù)載情況進(jìn)行效率測量。在每次負(fù)載變化之間的5分鐘穩(wěn)定時間段之后，針對75％，50％，25％和0％的負(fù)載條件重復(fù)此過程。如果展望未來，您可能還希望以10％的水平進(jìn)行測量。

功率分析軟件應(yīng)用程序通常允許您在執(zhí)行效率測試時查看波形和諧波數(shù)據(jù)以及趨勢圖。圖2顯示了諧波條形圖顯示。由于波形是由諧波數(shù)據(jù)構(gòu)成的，因此您將需要設(shè)置軟件以捕獲最大數(shù)量的諧波，以提高準(zhǔn)確性。趨勢圖可用于分析一段時間內(nèi)的穩(wěn)定性和效率。

圖2.由電源汲取的輸入電流的諧波圖顯示了第43次諧波的增加。

測試待機(jī)功率

您必須測試電源的空載條件或備用電源。電源必須在效率標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的空載功率限制內(nèi)。圖3中的測試集與用于效率測量的測試集相似，但是沒有電子負(fù)載。

圖3.空載或待機(jī)功率測試的測試設(shè)置使用接線盒和功率分析儀。

在最大負(fù)載電流低于1 A的情況下，您將需要使用1-A分流器以在低電流測量中獲得更高的分辨率和更好的精度。在測量待機(jī)功率時，將功率分析儀的分流器連接到低電壓端子的負(fù)載側(cè)，如圖4所示。

圖4.對于低功率測量，在低電壓端子和負(fù)載之間連接功率分析儀的電流分流器。

請注意，如圖5所示，將電流分流器連接到低電壓端子的源極側(cè)會由于低電壓測量中電壓表阻抗兩端的壓降而引起嚴(yán)重誤差。例如，從230 V供電時，電壓表通道阻抗的1MΩ下降將為53 mW。當(dāng)測量超過1 W的功率時，該值可能不是一個顯著的值，但是當(dāng)測量低于100 mW的功率時，可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的誤差。 。

圖5.用于低功率測量的錯誤接線方法（對于高功率測量，OK）。

根據(jù)IEC 62301，運(yùn)行備用電源測試的默認(rèn)時間為15分鐘，可能需要進(jìn)行一些更改才能滿足某些地區(qū)或本地要求。

電源上與效率，待機(jī)功率和其他與關(guān)鍵功率相關(guān)的測量均需要精密，精密的儀器，以確保電源符合其規(guī)格。通過正確組合功率分析儀，電子負(fù)載，交流電源和功率效率軟件，電源設(shè)計人員面對不斷提高的效率和更低的待機(jī)功耗要求的挑戰(zhàn)，始終可以確信他們的設(shè)計將滿足規(guī)格要求。

Josh Brown是泰克公司吉時利分部的高級應(yīng)用工程師。

編輯：hfy