電源測量參數分析――艾德克斯IT9121功率表的應用

電源作為各種電子產品的必備零部件，在整機中所起的作用非常重要，它相當于有源器件的心臟，源源不斷的向元器件提供能量。電源的好壞，直接影響到元器件的性能。電源的設計、制造及品質管理等過程需要進行電磁性能、穩定性、仿真、接口等各種測試。電源一般分成兩類，線性電源和開關電源。現階段應用最廣泛的是開關電源(SMPS)，可以說已經成為了數字計算、聯網和通信等系統中的主導結構。一個開關電源的性能或故障可能會影響昂貴的大型系統的命運。所以電源測試始終是長盛不衰的話題，圍繞著電源測試的產品也在不斷變革。其中，功率表是電源測試必不可少的測試設備，可以測量功率、效率、電壓、電流等各種典型參數。

一.功率的測量

電源設計人員努力改善設計效率，同時在一個輸入范圍和負載條件上保持規定的性能，以滿足國際安全和EMC 法規。而功率表是用來進行下面這些參數的測量的工具：

1、功率和效率

- 輸出功率占輸入功率的百分比

2、功率因數

- 確認功率因數校正電路的操作

3、待機功率

- 包括滿足能源之星和 IEC62310-3­

- 負載和工頻法規

- EN610003-2 等法規規定的電流諧波

二.有效電壓、有效電流的測量

有效電壓、有效電流的測量對于線路整流、跌落電壓、騷擾功率測試電路有重要作用。連接到交流線路的電源一般會吸收失真的非線性電流。許多交流電壓表和電流表會對波形平均值做出響應，盡管在有效值(RMS)下校準，但它們只對純正弦波才是準確的。而實際上，電源輸出的波形都不可能完全達到理想狀態(如下圖電壓真實波形所示)，因此這種方法的測量值會存在一定誤差。

圖1 電壓真實波形

艾德克斯IT9121功率表可以使用100KHz高頻采樣進行真正RMS測量，通過獲得多個電壓和電流波形周期中大量的瞬時電壓和電流樣點，從而獲得RMS值，以保證測量精度，甚至可以獲得高度失真波形的真實RMS值，這種測量方法是比較專業的。

三.輸入、輸出功率的測量

采樣非線性電流和電壓后進行平均值計算，提供有效功率或等效直流加熱效應。交流波形的RMS值表明該波形中提供的、相同電壓上等效DC的功率電平。這是對于任何交流電源來說都最為重要的屬性之一。通過考慮AC電流波形及相關加熱效應，如下圖所示，可以最好地描述RMS值的計算過程。

圖2 RMS值波形

艾德克斯IT9121功率表測量電源的輸入、輸出功率，并可以測試最大值、有效值、無功功率、有功功率、視在功率等各種相關參數。

視在功率的計算公式為VA=Vrms x Irms，使用功率表測量視在功率，需要功率表能夠測量出功率因數，并測量獨立于電壓和電流之間的相位。艾德克斯IT9121功率表不僅可以做到這一點，即使在非常低的功率因數時，IT9121仍能保持高準確度，還可以通過顯示面板可以直接顯示視在功率值，讓工程師操作起來更加輕松。

四.CF(波峰因數)的測試

艾德克斯IT9121功率表可以測量峰值因數的動態輸入能力高達300(峰值/最小RMS值)，而對理想的正弦波形來說，峰值=RMS*√2。IT9121的這一特性對檢驗開關電源至關重要。

許多使用交流電的現代電子設備都會從電網中吸收非理想正弦波的電流波形，包括電源、燈光調節裝置、熒光燈等，這些電子設備的電源表現的電流波峰因數通常約為4，最高可達10。因此，利用功率表測量CF值時非常重要的。擁有Ipk和Irms測量功能的IT9121可以分析典型的開關式波形(如下圖3所示典型的開關電源電流電壓波形)。

圖3 典型開關式電源的電流和電壓波形

五.THD(總諧波失真)的測試

在現實應用中，任何在電網中使用的電源都會對電網造成一定的諧波污染，尤其是開關電源大量應用于各種電子設備，如果產生的諧波污染較大，就會對電網環境及其他用電器造成不良影響。因此國際上對于開關電源的諧波污染給出了明確指標。艾德克斯IT9121功率表不僅可以分析電源的疊加THD(最大50次)，還能進行單次諧波的分析，對于一般具有THD測量卻不具備單次諧波分析功能的功率表來說，IT9121能夠幫助工程師更全面的分析電源產生諧波的原因，工程師才能夠優化設計，使產品的THD達標。

以通信系統中經常使用到的UPS電源為例，由于內部非線性元器件的存在，UPS電源工作過程中會產生大量諧波成分，干擾通信系統的運行。如果負載引起電流波形失真，那么除知道波峰因數外，還應量化波形的失真水平。觀測示波器可以指明失真，但不能指明失真的水平。傅立葉公式表明，非正弦曲線電流波形由供電頻率上的基礎成分外加供電頻率整數倍的頻率上的一串諧波成分組成。

艾德克斯功率表可以設置THD運算的最大分析次數 (DC-50次)與總諧波失真(THD) 測量帶寬為100kHz，可實現高速機動態范圍更寬廣的諧波測量。各次諧波參量通過列表或柱狀圖的方式顯示，使測試結果分析更加一目了然。如圖4/5所示。

圖4 IT9121測量開關電源諧波分量柱狀圖截屏 圖5 IT9121測量開關電源諧波分量的列表截屏

艾德克斯IT9121功率表不僅可以顯示50次電壓電流諧波，還可以顯示單次諧波的頻率、諧波含量、諧波失真因數和相位。

六.待機功率的測試

待機功率是負載沒有執行全部功能時電源吸收的功率，從節約能源的角度出發，待機功率應當低于一定指標。比如ENERGY STAR®計劃的設計就是為了通過極優的能源效率幫助節約能源，保護氣候，要滿足ENERGY STAR®的要求，就需要測量待機、空閑和睡眠模式功率的測量以及正常開啟模式的功率。

由于待機、空閑和睡眠模式下，電源的功率一般都比較小，因此要求功率表具有較高的精度和分辨率。

艾德克斯IT9121功率表提供對功率和能耗(瓦時，Wh)的準確測量。同時測量功率、功率因數、總諧波失真和諧波，符合ENERGY STAR的要求。IT9121功率表可以連續對功率采樣，以便不會漏掉任何功率。對電流積分和有功功率積分執行長達1萬小時(約1 年)的可靠測量，標配的外圍USB存儲接口，可以將長時間記錄的測試數據導出，便于后續研究分析。附帶的IT9000軟件可捕獲數據實現無縫分析和報告。將量程設為5mA時，IT9121可以在最高100μW的分辨率下執行測量。

艾德克斯IT9121功率表

使用能夠分析復雜波形、并擁有高帶寬精度的功率表，對設計人員、生產和質量保證至關重要。艾德克斯IT9121功率表在測試電源時具有各種測試優勢，比如測試精度高達0.1%、提供測試治具方便測試、體積小攜帶方便、面板可直接顯示電流電壓波形、面板各種參數顯示方式以及支持電流傳感器應用于工業測量等，可以幫助工程師按照電源性能測試標準執行符合性測試，不僅可以系統全面的分析電源性能，更可以加快和增強現代電源的測試和開發工作。