根据能效标准进行电源合规性测试 设计师, 委员会, 美国, 电源, 测量

Bazinga

在过去几年间， 包括美国环保署(EPA)的能源之星计划、欧盟委员会的行为准则( CoC ) 和加州能源委员会(CEC) 在内的多家主要国际标准组织都已制定了新的外部电源效率要求。这些标准要求设计师必须以高精度来测试其产品的带载模式效率和空载功耗。本文将介绍一种相对简单的测量方法， 以确定外部电源对这些变化中的能效标准的合规性，同时还将提供一些有用的测试技巧。

基本要求

我们先介绍一下执行这些测试所需的设备。要想准确测量出产品的效率，您需要用到以下四种工具：

1.一个瓦特表；
2.一个可程控交流电源；
3.一个电子负载；
4.两个数字万用表(其中一个必须为高精度电流表)；

接下来，您需要遵循一些一般准则，才能获得准确的测量结果。首先，由于电源的能效合规性测量是一种系统级测试，还要测量输入电缆和输出电缆中的功耗情况，因此必须确保测试所用的电缆与最终产品所用的电缆相同。其次，必须注意的是，这些测试需要在输出线电压和输入线电压变化期间保持长时间的温度稳定。因此，预计完成这些测试需要数小时的时间。最后，在您每次修改产品设计时，必须重复进行这些测试，以确保获得准确的结果。

实现最高精度

这种测试要求同时测量外部电源的空载输入功率和带载模式效率。要计算效率， 必须同时测量输入和输出功率。测量输入功率时，选择恰当的供电电源至关重要。如图1中的图形所示，来自墙壁电源插座和自耦变压器的原始交流电导致了测量结果的不准确。为确保以精确的输入电压执行测试，需要使用可程控交流电源。

图2中的图形表示的是来自可程控交流电源的输出。注意，输入的波形是真正的正弦波。



我们在进行此测量时需使用瓦特表，因为它可测量功率因数，也即电压波形与电流波形之间相位角(cos)的余弦值，并考虑该因素的影响。必须注意的是，能效标准要求测量0.5W或更大的功率时，输入功率测量的不确定度应小于2%；测量0.5W以下的功率时，其不确定度应为10mW。

可以对多家主要仪表厂商的瓦特表进行配置来满足这些要求。由于瓦特表同时包含电流检测元件和电压检测元件，可以将电压检测元件配置为位于输入电流检测元件之前，也可以配置为位于其后。有关如何配置仪表的信息通常可在其用户手册中找到。进行低负载或空载测量时，可以通过将电压检测元件配置为位于电流检测元件之前，来获得更精确的测量结果。这样可以防止来自电压检测元件的电流被电流检测元件测量。考虑到电压检测元件所消耗的电流通常大于230VAC下的10mW容许值，这种配置在满足能效标准的低测量不确定度要求方面至关重要。

高功率应用

进行较高功率设计时，需要解决不同的问题。在这些应用中，电压检测元件的功率损耗非常小，可以将电压检测元件连接到电流检测元件之后，使其靠近电压输入。这种方法可防止电流检测元件上出现压降以及瓦特表的内部线路被错误地纳入功率测量，从而导致所计算出的效率值偏低。将瓦特表设置为32(或64)次采样的平均值后，可以获得更稳定的结果(图3)。


测量输出功率时需要使用两个万用表：一个用来测量输出电压，另一个用来测量输出电流。用精度较高的万用表来测量输出电流。由于输出功率是纯粹的直流电功率，因此可通过输出电压乘以输出电流计算得出。

为简化确定电源规格是否符合全球性规范的工作， PowerIntegrations开发出了一款有用的能效合规性计算器。空载和带载模式效率的目标值可从每个电源的标称额定值计算出来。该额定值只是电源外壳上标明的额定输出值，表示电源在室温和额定输入电压下的最小额定输出功率。例如，标称额定值为5V、350mA的恒压恒流充电器最小可提供5V、350mA的电量。
只要输入您的电源标称输出功率额定值，计算器就会自动告诉您与电源设计相关的能效标准的合规性目标值。接受通用输入电压的设计要求同时在115VAC、60Hz和230VAC、50Hz下进行测量。对于单路输入设计，则应在115VAC或230VAC的额定输入电压下进行测量。

现在，我们以一个额定值为通用输入范围的5 V、350 mA手机充电器为例来演示测试程序。首先，我们将进行一系列测试来测量该电源在115VAC、60 Hz下的带载模式效率。带载模式效率是在额定输入线电压和额定线电压频率下，在标称额定值的25%、50%、75%和100%负载水平下测得的效率平均值。由于此充电器的标称负载额定值为350 mA，因此必须测量在以下电流下的效率：满载350mA、75%负载262 mA、50%负载175 mA，以及25%负载88mA。


在开始测试前，需要让电源预热30 分钟。在满载下进行第一个测量前，需将电源连接到交流电源，然后施加60Hz、115VAC的输入。将电源的负载逐步增大至满载，至少预留30分钟的时间让电路达到热平衡，并使输入功率读数稳定。在记录测量结果之前，确保没有示波器探头或其他仪表与电路相连。在有些情况下，可能需要手动设置瓦特表的电压和/或电流量程，以免它自动更换量程，从而造成结果不稳。同样的测量仪表如果采用不同的量程，测量结果通常会出现不同的精度。通常，操作手册中会指出可产生最高精度的量程。

当电路达到热平衡后，记录瓦特表的初始功率读数。等待五分钟，记下第二个读数。如果发现两个读数之间的差异小于5%，请记录第二个读数。如果其差异大于5%，则应再等待五分钟，继续此操作，直到两个连续读数之间的差异处于5%以内。或者，您可以使用大多数瓦特表都具有的“积分模式”进行测量，具体操作方法将在下面介绍。

计算积分输入功率

对于输入功率随时间变化的设计，在测量其输入功率时，需要采取下列步骤：

1.将瓦特表设置为积分模式；
2.为瓦特表设置积分间隔，以捕获可变输入功率大约的一个完整周期；(持续时间越长，测量结果就越准确。我们建议在大部分应用中都进行1分钟的积分计算)
3.读取瓦特表输入功率读数，单位为Whr;
4.用此数字除以积分间隔。确保调整时间单位，以便它们相互抵消。例如：输入能量( W h r )/ 测量时间间隔(min)×60mins/1hr=输入功率(W)；在本例中，根据万用表读数，我们将输出电流记录为0.35A，将输出电压记录为6.124V，从而得出输出功率为2.14W。

效率计算如下：

满载效率=Pout/Pin=2.14W/3.14W=68.2%

在进行下一个测量前，需将负载水平调整到75%，或为262mA。使用瓦特表计算平均值时，记得至少留出一分钟的时间使读数达到稳定。然后从瓦特表记录输入功率。等待五分钟，再次记录，并利用<5%的差异规则来确定是使用该值，还是计算积分输入功率。

在本例中，我们将输出电流记录为0.262A，将输出电压记录为6.502V，从而得出输出功率为1.704W。然后，效率计算如下：

75%负载下的效率=1.704W/2.42W=70.4%

然后，应对50%和25%负载水平重复以上测量程序。

测量空载输入功率

在测量空载输入功率前，需断开输出负载和所有输出万用表与电源的连接。接下来，关断交流输入，将瓦特表配置为电压检测元件位于电流检测元件之前。记下瓦特表的初始功率读数，然后等待五分钟，记下第二个读数。如我们在前面的测试程序中所述，如果两个读数之间的差异小于5%，则记录第二个读数。如果差异大于5%，则必须计算输入功率的积分，然后根据前述程序用这个结果除以积分的间隔时间。

现在就完成了115 VAC下的测试工作。接下来，必须重新连接负载和输出万用表，将输入电压升高到230VAC。在新的输入电压下，重复前面执行的所有测试。记得先将瓦特表设置为相应的功率量程。测试完成后，您应该就有了一份完整的测试数据，汇总了在两种输入电压下所有四个负载水平的测量结果。

然后，Power Integration的计算器将计算带载模式效率，即在所有负载水平下效率的等加权平均值。在屏幕右侧的字段中，可以看到许多行不同的能效标准。计算器将自动计算出带载模式效率和空载输入功率的合规要求，并将测试结果与标准要求进行比较。为简化结果分析工作，它会将满足要求的测试结果显示为绿色，不满足要求的测试结果显示为红色。

补充内容1：

测试技巧：手动计算
如果您决定手动计算这些值，必须注意的是，这些标准的空载要求和带载模式效率已四舍五入为两位数。这一点看似微不足道，但它在标准合规性方面有着重要影响。下面是采用能源之星公式计算一个12V、1.1A电源的最低效率的示例：


补充内容2：

测试技巧：更改输入电压
您是否要测量空载功耗并计划在测试过程中更改输入电压？请始终在此转变过程中对输出施加满载。原因何在？在空载模式下，输入大容量电容需要较长的时间完成放电，如果输入电压从高压降到低压后，输出没有负载连接，则电容在从交流输入吸取功率之前，将对直流总线电压提供长时间支持。这反过来会造成电源的空载输入功率在很长一段时间内为0W。为避免此问题，应先在开始测量之前使电源达到满载，然后再断开所有输出负载。