AC/DC 電源測試和鑒定

今天，我們將重點關注電源效率、待機功耗以及靜態和動態輸出調節測試的各個方面。我們的小組成員是：Bill Griffith (BG)，Keysight Technologies 電源產品營銷部；Johnnie Hancock (JH)，Keysight Technologies 示波器產品經理；泰克電源產品和營銷經理 Yogesh Pai (YP)。

JS：測量電源效率和待機功率有哪些挑戰？

BG & JH：測量待機功耗的最大挑戰之一是找到一種電流探頭，其靈敏度足以測量微安范圍內的低電平待機電流，同時還具有測量更高電平喚醒電流的動態范圍。通過將 Keysight N2820A 高靈敏度交流/直流電流探頭連接到 InfiniiVision 或 Infiniium 示波器，您可以監測一個通道上低電平待機電流的動態變化。同時，在示波器的另一個通道上觀察喚醒電流和穩態電流的動態。下圖顯示了設計用于測量空閑和更高喚醒電流的雙通道示波器探頭。

設計用于捕獲動態電流的雙通道示波器探頭。（圖片：是德科技）

下面的屏幕圖像顯示了以 2 mA/div 縮放的通道 1（黃色軌跡）上的高靈敏度電流測量，同時還測量了以 20 mA/div 縮放的通道 2（綠色軌跡）上更大的電流喚醒尖峰分區 兩個通道都需要捕獲電流的動態范圍，因為通道 2 捕獲峰值電流，通道 1 捕獲待機電流。

通道 2（綠色）捕獲較高電流尖峰，通道 1（黃色）捕獲低電流。（圖片：是德科技)

YP：電源設計人員試圖提高其設計的效率，同時在一定范圍的輸入和負載條件下保持指定的性能，同時還要遵守關于效率、待機功率、電流諧波和 EMC 的苛刻國際法規。泰克提供不同的解決方案和儀器來支持這些關鍵測量。

效率計算為特定負載條件下輸出功率與交流輸入功率的比率。這表示為百分比值。在常規電源轉換器中，更大的挑戰是由于封裝在小尺寸內的高密度電子設備而無法訪問探測點。對于較新的設計，多輸出非常普遍，因為測量每個輸出的效率和總系統效率變得更加重要。

另一個挑戰是電源設計的拓撲結構以及不同應用使用何種負載。設計應該能夠在負載條件變化的情況下保持穩定的效率，這需要良好的反饋電路設計?？蛰d狀態下的功耗測試一般稱為待機功耗。所有電源都需要針對空載條件（待機功率）進行測試，并在效率標準（稱為 IEC 62301）中公布的規定空載功率限制范圍內。

在測試效率時，需要有源或無源負載來設置 DUT 的輸出電流。由于電子負載的多功能性和可編程性，它們可以提供優于無源負載的顯著優勢。Keithley 2380 系列電子負載具有 0.05% 的讀數精度、0.1mV/0.01mA 電壓和電流分辨率，為 AC-DC 效率測試應用提供完美的解決方案。高精度保證了 AC-DC 電源上所有所需電壓輸出的準確加載。共有 3 種型號：200W、250W 和 750W，可在不同功率級別測試各種 AC-DC 電源。除了效率標準要求的恒流 (CC) 模式外，2380 系列電子負載還支持恒壓 (CV)、恒阻 (CR)、和恒定功率 (CP) 模式來測試 DUT 上的各種負載配置。2380 系列電子負載通過使用“列表”模式使自動化效率測試變得容易，允許用戶針對特定的開啟和關閉時間使用各種負載電流對負載進行編程。

Keithley 2380 系列電子負載具有 0.05% 的讀數精度、0.1mV/0.01mA 電壓和用于 ac/dc 效率測試的電流分辨率。

對于三相電機和驅動器，測量電氣效率的挑戰在于范圍內模擬通道數量的可用性，可用通道最多為 8 個。這意味著無法設置和測量需要 12 個通道的 3V3I 接線。另一種方式是2V2I接線方式。這將使用線到線電壓探測和兩瓦表法，非常適合測量驅動器輸入/輸出效率，因為這需要八個模擬輸入通道。

電源的效率、待機功率和所有其他與電源相關的關鍵測量，需要復雜和準確的儀器來確保電源符合其規格

總之，電源設計人員始終面臨著提高效率和降低待機功率要求的挑戰。功率轉換器的效率隨著執行的功率測量的準確性而增加。否則，如果小功率損耗是由于高效轉換中的功率損耗，或者是測量誤差引起的，將無法測量。

JS：Titanium 級別的效率和 10% 負載下的效率測量有多重要？

YP： Titanium 級別的效率與實現電源設計的最高效率有關。目前有很多關于寬帶隙材料如何實現鈦級效率的工作和研究，包括 GaN MOSFET 的實驗。

達到鈦級非常重要，因為這有助于設計尺寸更小的電源，因此我們可以獲得更緊湊的設計、更快的排序時間（例如開啟時間和關閉時間）以及非常小的散熱器。所有這些因素都有助于降低整體系統成本和更多的電子產品。

BG & JH： 80+ 認證有助于數據中心降低成本，因為他們為低效付出了兩倍的代價。低效電源將能量轉化為熱量，這需要額外的能量來保持數據中心涼爽。典型的鈦金級電源具有更復雜的設計，以確保在廣泛的功率級別范圍內的效率。

對于大多數應用，最大的效率來自于選擇合適尺寸的電源。使用合適尺寸的電源可以減少過多的熱量并降低噪音，因為他們使用較小的風扇。多輸出電源可以為您的設備供電并確定每個電壓軌的最大功率。最后，請記住獲取電源樣本，因為它們的調節可能會根據電流消耗而變化，并且因設備而異。下圖顯示轉換器的輸出電壓根據電流下降兩伏。其他電源設計可能具有更好的調節，但您需要做出權衡。圖 3 中的圖表是使用 Keysight EL30000 系列臺式電子負載制作的，使用輸入 LIST 可以簡化在多個電流水平下測試一批轉換器的過程。

AC/DC轉換器的輸出電壓隨電流變化。（圖片：是德科技）

JS：遙感或“自適應/快速充電”如何影響電源效率？

BG & JH：自適應電源可以在多種工作電壓下保持高效。最重要的優勢之一是布線。USB 電纜使用具有高電阻的細線并將電流轉化為熱量。使用更高的電壓可以減少電線中對更高電流的需求。3000 mAh (3 Ah) 電池在新手機中并不少見。更高的電壓是必要的，因為電纜根本無法處理高充電電流。

YP：快速充電會大大縮短電池的使用壽命。系統的每分鐘充電效率可能無法處理高速充電，因為它取決于所用電池的類型。快速充電是由于產生低熱量的低內阻而發生的，因此可以獲得更高的熱效率。它還取決于用戶執行的不同充電模式。

當電池使用快速充電器充電時，它在 75% 的充電水平后壓力最大。這是當電池吸收高壓電流的效率不如電池從零充電到 50% 時。鋰離子電池在初始階段有效吸收電荷，并在 70-80% 的電荷水平后開始下降。

大多數電池通常使用放電和充電循環進行測試。電池的放電特性提供了電池容量和壽命的重要指標。在生產測試中，通常會運行放電/充電循環以驗證電池質量并確保其不會短路。像 Keithley 的 2460 和 2461 大電流圖形源測量單元 (SMU) 這樣的儀器消除了對單獨的可編程電源、電子負載、電壓表和電流表的需要。由于 SMU 可以提供和測量電流和電壓，因此循環測試只需要一臺儀器，從而減少了所需的機架空間并最大程度地縮短了編程時間。SMU 還可用于為產品中使用的電池創建模型。

Keithley 2281S 電池模擬器使用戶能夠測量電池壽命以及 DUT 在電池放電不同階段的性能。2281S 可以輕松模擬所需的任何類型的電池，因此可以在任何電池狀態下以高重復性高效地測試原型設備，并有效地估計電池壽命。

Keithley 2281S 電池模擬器。（圖片：泰克）

JS：影響靜態和動態輸出調節測試的因素有哪些？

BG & JH：大多數物聯網設備使用較小的空閑電流和較大的活動狀態電流來動態拉動電流以提高效率。Keysight 的新型 EL30000 系列臺式直流電子負載包括一個 LIST 模式，可以應用動態負載來模擬 IoT 設備。動態負載可以表征充電器和電池。最好將電池化學成分與應用相匹配。例如，含鎂的鋰離子電池（LMO、NMC）往往具有較低的內阻并能承受電動工具中常見的較高突發電流。

YP：有許多不同種類和尺寸的電源，從傳統的線性類型到高效開關模式電源。所有人都面臨著復雜、動態的運營環境。設備負載和需求可以從一個瞬間到下一個瞬間發生巨大變化。

穩壓器必須保證其輸出、電壓或電流滿足某些靜態和動態要求，這些要求可能會根據應用類型而改變。需要不同的測試來測量提供電壓或電流調節的電源板的整體靜態和動態性能。

動態調節條件是電源在受到重大干擾后恢復到穩定運行狀態的能力。對于靜態調節部分，它可以在小的擾動后恢復到穩定狀態，因為監控這兩個參數很重要。動態負載變化可以使輸出電容快速放電，導致輸出電壓超出靜態調節范圍。即使負載消耗的電流在電源的額定電流范圍內，輸出電壓也可能會有一些下降。這種壓降由電壓反饋分壓器檢測到，這反過來會導致通過電源反饋電路的電壓環路增加輸出電壓，并將其恢復到靜態電壓調節規格范圍內的水平。

這些是在設計調節期間可能產生影響的一些因素。設計人員可以使用示波器觀察連接負載的開啟時間和關閉時間，以及由負載和線路變化引起的輸出過沖和下沖浪涌；這些在負載瞬態測試中很常見。

JS：測量功率因數時常犯的錯誤有哪些？

YP：當電源設計人員對輸入分析進行電能質量和諧波測量時，最重要的參數之一是功率因數，通常稱為 PF。功率因數是有功功率與視在功率之比，其中視在功率是均方根電壓和電流的乘積。查看功率因數的另一種方法是電壓和電流之間相位差的余弦。PF 低的耗能設備比 PF 高的設備消耗的電流大。功率分析需要電壓和電流信號。同樣重要的是要注意，非常小的時間差異會導致測量中的重大錯誤。

適當的垂直動態范圍在測量中也很重要。泰克的 MSO 5/6 系列示波器在 HiRes 模式下提供高達 15 位的 ADC 分辨率，減少了測量誤差。另一個常見的錯誤來源是電壓和電流探測期間的直流偏移。用戶需要在進行測量之前補償所有這些誤差。

泰克的 MSO 5/6 系列示波器在 HiRes 模式下提供高達 15 位的 ADC 分辨率。（圖片：泰克）

總之，工程師嘗試設計具有高 PF 的電路板，然后測量功率因數和諧波含量以驗證其設計。這意味著他們無法承受在驗證過程中出現測量誤差。

BG & JH：下圖顯示了從開關電源汲取的電壓和電流。電流的高峰值導致高波峰因數，使其成為難以測量的復雜波形。是德科技的交流電源可同時對電壓和電流進行數字化。計算確定有功功率、視在功率和功率因數。

為開關電源供電的電壓和電流，藍色測量使用 CWA。（圖片：是德科技）

PA2201A 等專用交流電源分析儀通過連續波形分析 (CWA) 和數字濾波提供更高的精度。該分析儀實時顯示電壓、電流和功率波形，使用戶能夠看到濾波器的效果以及使用 CWA 在多個周期內測量的一致測量結果。功率分析儀還提供諧波分析，可進一步深入了解復雜波形。

準確檢測電流也具有挑戰性，因為分流器和變壓器會導致額外的負載誤差。零通量傳感器可以在幾乎沒有或沒有干擾的情況下表征通過電線的電流。

JS：漏電流測試什么時候重要，挑戰是什么？

BG & JH：當電池供電的設備關閉時，小電流會耗盡電池，導致客戶不滿。電池壽命和便利性（例如即時啟動和始終連接）之間的權衡通常很棘手。消費者可以根據自己的需要配置更復雜的設備。創建角色和測試不同的使用模型并了解當前的使用情況會很有幫助。一次性設備可以很簡單并且可以長時間運行。輪胎中的 TPMS 傳感器可以使用長達十年。帶有內置數據記錄器的電源可以測量一段時間內的電流使用情況。

YP：泄漏電流可以作為電源設計中導體絕緣有效性的指標。在使用帶濾波器的電子設備的電路中可能存在高水平的泄漏電流，并可能導致電壓干擾設備的正常運行。這個問題在電源中很常見。挑戰在于找到泄漏源，這需要專門的儀器和設置來執行此操作。通過使用低電流泄漏電流鉗進行有條不紊的測量，可以定位泄漏電流源。

JS：哪些因素決定了何時應在內部完成 EMC 合規性以及何時應由外部實驗室執行？

BG & JH：注冊實驗室完全符合 EMC 標準既費時又費錢。預一致性測試降低了項目進度和預算的風險。對于交流到直流轉換器，排放測試比敏感性測試更復雜。關于****測試，輻射****比傳導測試（扼流圈）更難解決，通常可以處理傳導****。必須對排放進行預合規測試。等到項目的最后一刻才進行 EMI 測試是延遲引入的一個秘訣。是德科技使用 X 系列頻譜分析儀和 N6141C EMI 測量應用軟件進行預一致性測試。預一致性測試可以更早發現問題并提供最具成本效益的解決方案。是德科技提供免費的列出各種標準以及測試方法的應用說明。是德科技還在多個地點提供 EMC 測試服務。