如何測(cè)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(jì)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(cè)試以證明電源可以滿足規(guī)定。

當(dāng)時(shí)，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(shí)，它們?nèi)詴?huì)消耗相當(dāng)多的功率。從1992年開始，美國(guó)環(huán)境保護(hù)局啟動(dòng)了包括能源之星計(jì)劃在內(nèi)的旨在提高能源效率的自愿計(jì)劃。直到2004年，當(dāng)加州能源委員會(huì)（CEC）采取行動(dòng)時(shí)，各國(guó)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(shí)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(dòng)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(wú)疑問，這一努力是值得的。例如，EPA估計(jì)，在過去十年中實(shí)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(wàn)噸的CO2排放量。

在美國(guó)，自能源部（DOE）發(fā)布于2016年2月生效的VI級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以來，功率效率標(biāo)準(zhǔn)一直保持相對(duì)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(jì)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(shí)施被推遲了一兩年。

無(wú)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(jì)人員面臨著艱巨的挑戰(zhàn)，要不斷提高效率，同時(shí)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(jì)人員還必須遵守有關(guān)電流諧波，安全性和EMI / EMC的國(guó)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(jiǎn)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(shí)現(xiàn)諸如脈沖跳躍之類的節(jié)能技術(shù)。反過來，對(duì)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(jì)和重新認(rèn)證過程都是昂貴的，這強(qiáng)調(diào)了在設(shè)計(jì)周期的早期就需要對(duì)合規(guī)性測(cè)試進(jìn)行預(yù)合規(guī)性測(cè)試，以幫助減少第三方合規(guī)性實(shí)驗(yàn)室的重新運(yùn)行。

測(cè)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(jí)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(cè)試方法已在《美國(guó)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(guó)政府印刷局獲得。

VI級(jí)測(cè)試要求在負(fù)載和空載條件下測(cè)試外部電源。在30分鐘的預(yù)熱時(shí)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(cè)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(jí)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(cè)試被測(cè)設(shè)備。對(duì)于您希望在市場(chǎng)上待用一段時(shí)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(cè)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(shí)時(shí)計(jì)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(jì)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(bào)告。

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

測(cè)試設(shè)備要求
電源效率測(cè)試的主要?jiǎng)恿κ枪β史治鰞x，它可以測(cè)量AC-DC電源上的輸入和輸出功率，同時(shí)還可以進(jìn)行效率測(cè)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(jí)別，其不確定度等級(jí)為1％或2％。

這些標(biāo)準(zhǔn)還定義了對(duì)有源或無(wú)源負(fù)載的要求，在測(cè)試效率時(shí)設(shè)置DUT的輸出電流是必需的。電子負(fù)載雖然相對(duì)昂貴，但由于其多功能性和可編程性，可以提供比無(wú)源負(fù)載顯著的優(yōu)勢(shì)，并且還可以幫助自動(dòng)化效率測(cè)試，減少測(cè)試時(shí)間并最大程度地減少用戶錯(cuò)誤。無(wú)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(cè)試。來自交流壁式插座的輸入電壓不可靠，并且可能會(huì)因各種因素（例如一天中的時(shí)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(dòng)化效率測(cè)試變得容易，并減少了時(shí)間和用戶錯(cuò)誤。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)用于效率測(cè)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(cè)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(cè)試軟件對(duì)外部AC-DC電源進(jìn)行效率測(cè)量的簡(jiǎn)單方法。圖1顯示了一個(gè)分線盒，它有助于使輸入交流電連接安全，簡(jiǎn)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(hào)并測(cè)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(gè)通道上測(cè)量輸出的直流電壓和電流。

圖1. AC-DC電源的效率測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)電源30分鐘。在測(cè)試開始時(shí)僅需要一次預(yù)熱時(shí)間。預(yù)熱期過后，將對(duì)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(huì)針對(duì)100％負(fù)載情況進(jìn)行效率測(cè)量。在每次負(fù)載變化之間的5分鐘穩(wěn)定時(shí)間段之后，針對(duì)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(cè)量。

功率分析軟件應(yīng)用程序通常允許您在執(zhí)行效率測(cè)試時(shí)查看波形和諧波數(shù)據(jù)以及趨勢(shì)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(shì)圖可用于分析一段時(shí)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(cè)試待機(jī)功率

您必須測(cè)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(cè)試集與用于效率測(cè)量的測(cè)試集相似，但是沒有電子負(fù)載。

圖3.空載或待機(jī)功率測(cè)試的測(cè)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(cè)量中獲得更高的分辨率和更好的精度。在測(cè)量待機(jī)功率時(shí)，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(duì)于低功率測(cè)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(qǐng)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(huì)由于低電壓測(cè)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(shí)，電壓表通道阻抗的1MΩ下降將為53 mW。當(dāng)測(cè)量超過1 W的功率時(shí)，該值可能不是一個(gè)顯著的值，但是當(dāng)測(cè)量低于100 mW的功率時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的誤差。 。

圖5.用于低功率測(cè)量的錯(cuò)誤接線方法（對(duì)于高功率測(cè)量，OK）。

根據(jù)IEC 62301，運(yùn)行備用電源測(cè)試的默認(rèn)時(shí)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(cè)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(jì)人員面對(duì)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(jì)將滿足規(guī)格要求。

Josh Brown是泰克公司吉時(shí)利分部的高級(jí)應(yīng)用工程師。

編輯：hfy