PA6000開(kāi)關(guān)電源測(cè)試方案
開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開(kāi)關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開(kāi)關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新。目前，開(kāi)關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用幾乎所有的電子設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。
根據(jù)開(kāi)關(guān)電源的輸入和輸出類(lèi)型可以分為：AC-DC、DC-DC、 DC-AC等。
開(kāi)關(guān)電源的作用，例如 AC-DC電源：
- 整流：將輸入交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)
- 電壓轉(zhuǎn)換：輸出要求的電壓幅度
- 濾波：將輸入整流的電壓進(jìn)行平滑
- 調(diào)整：控制輸出電壓使得幅度恒定
- 隔離：將輸入與輸出部分進(jìn)行電氣隔離
- 保護(hù)：防止浪涌等有害電壓到達(dá)輸出部分，造成設(shè)備損壞
典型的AD-DC開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu)如上圖 2所示。
輸入的交流電進(jìn)入電源后，首先經(jīng)過(guò)前級(jí)整流電路進(jìn)行整流，經(jīng)過(guò)全橋式整流二級(jí)管整流后，電壓全部變成正相電壓。不過(guò)此時(shí)得到的電壓仍然存在較大的起伏，這就必須使用高壓濾波電容進(jìn)行初步穩(wěn)壓，將波形修正為起伏較小的波形。
把直流電轉(zhuǎn)化為高頻率的脈動(dòng)直流電，這一步由控制電路來(lái)完成。輸出部分通過(guò)一定的電路反饋給控制電路，控制電路用來(lái)調(diào)整高頻開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)時(shí)間比例，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的?？刂齐娐纺壳耙鸭苫?，制成了各種開(kāi)關(guān)電源用集成電路。
把得到的脈動(dòng)直流電，送到高頻開(kāi)關(guān)變壓器進(jìn)行降壓。再由二極管和濾波電容組成的低壓濾波電路進(jìn)行整流和濾波就得到了設(shè)備上使用的純靜的低壓直流電。
理想的開(kāi)關(guān)電源，電源的工作方式應(yīng)與設(shè)計(jì)和建模的性能一模一樣：提供穩(wěn)定，平滑的輸出電壓，無(wú)論輸入，負(fù)載或者環(huán)境溫度如何變化，并且有100％的能量轉(zhuǎn)換效率。但事實(shí)上，各種元件都是不完美的：負(fù)載會(huì)變化，電源可能會(huì)失真，環(huán)境變化會(huì)影響性能。此外提高性能、改善效率、縮小尺寸和降低成本的需求，則進(jìn)一步提高了電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。
當(dāng)前開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠性、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化，其中關(guān)鍵技術(shù)是高頻化，改善二次整流器件的損耗。
對(duì)于工作中的開(kāi)關(guān)電源，設(shè)備負(fù)載和需求在不同時(shí)間之間可能會(huì)大幅度變化。即使是商用開(kāi)關(guān)電源也必須能夠承受突然出現(xiàn)的遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)平均工作電流的峰值電流。設(shè)計(jì)電源的工程師或使用電源的系統(tǒng)需要了解電源在各種條件下的工作狀態(tài)，并需要對(duì)開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行詳盡的測(cè)試和驗(yàn)證，例如電源輸入電能質(zhì)量的測(cè)試，輸入波動(dòng)對(duì)輸出影響的測(cè)試，負(fù)載變動(dòng)對(duì)輸出影響的測(cè)試，此外整體能效的測(cè)試和評(píng)估都是非常必要的。
開(kāi)關(guān)電源的測(cè)試參數(shù)主要包括輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)和能效參數(shù)的測(cè)試。
開(kāi)關(guān)電源的輸入?yún)?shù)包括了以下的主要指標(biāo)：
- 輸入電壓：開(kāi)關(guān)電源輸入的電壓幅值
- 輸入電流：開(kāi)關(guān)電源輸入的電流幅值
- 輸入功率：開(kāi)關(guān)電源輸入的功率值
- 輸入頻率：開(kāi)關(guān)電源輸入的電壓頻率
- 輸入電流諧波\電壓諧波
- 諧波畸變：交流量中諧波含量的均方根值與基波分量之百分比
開(kāi)關(guān)電源的輸出參數(shù)包括了以下的主要指標(biāo)：
- 1． 反映輸入電壓對(duì)輸出電壓影響的指標(biāo)
- 絕對(duì)穩(wěn)壓系數(shù) S=△Uo/Uo / △Ui/Ui
- 電網(wǎng)調(diào)整率： 輸入電網(wǎng)電壓由額定值變化+-10%時(shí)，穩(wěn)壓電源輸出電壓的相對(duì)變化量△Uo/Uo ，有時(shí)也以絕對(duì)值表示
- 電壓穩(wěn)定度：負(fù)載電流保持為額定范圍內(nèi)的任何值，輸入電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)變化所引起的輸出電壓相對(duì)變化△Uo/Uo（百分值），稱(chēng)為穩(wěn)壓器的電壓穩(wěn)定度
- 絕對(duì)穩(wěn)壓系數(shù) S=△Io/Io / △Ui/Ui
- 電網(wǎng)調(diào)整率： 輸入電網(wǎng)電壓由額定值變化+-10%時(shí)，穩(wěn)壓電源輸出電壓的相對(duì)變化量△ Io/Io ，有時(shí)也以絕對(duì)值表示
- 電流穩(wěn)定度：負(fù)載電流保持為額定范圍內(nèi)的任何值，輸入電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)變化所引起的輸出電流相對(duì)變化△ Io/Io （百分值），稱(chēng)為穩(wěn)壓器的電流穩(wěn)定度
- 歐盟市場(chǎng)
- ErP Directive
- Eco-Label
-
Energy Efficiency Class Label
北美市場(chǎng)
Energy Star
CEC
澳洲市場(chǎng)
MEPS
Energy Rating Label
中國(guó)市場(chǎng)
能效等級(jí)標(biāo)簽
圖 1.7不同的能效標(biāo)準(zhǔn)1.4 基于功率分析儀PA6000的開(kāi)關(guān)電源測(cè)試系統(tǒng)
圖 1.8基于功率分析儀PA6000的開(kāi)關(guān)電源測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源測(cè)試系統(tǒng)可以根據(jù)不同參數(shù)的測(cè)量條件，進(jìn)行自動(dòng)化的測(cè)試，一個(gè)典型的開(kāi)關(guān)電源測(cè)試系統(tǒng)包括以下設(shè)備：
- 程控電源
- 程控電阻負(fù)載
- 功率分析儀PA6000
- 管理軟件
- AC220V上電到DC12V穩(wěn)定輸出時(shí)間為350ms
- DC12V輸出穩(wěn)定時(shí)間為15ms
- PA系列功率分析儀能夠直接測(cè)量出開(kāi)關(guān)電源輸入輸出的電壓、電流、功率、功率因素和效率。通過(guò)趨勢(shì)圖，可以得到輸入和輸出電壓、電流的波動(dòng)情況，可以得到電網(wǎng)調(diào)整率、電壓電流穩(wěn)定度。通過(guò)常規(guī)分析功能：觀察開(kāi)關(guān)電源啟動(dòng)時(shí)間，分析啟動(dòng)電壓和電流值。通過(guò)諧波分析功能測(cè)量電壓和電流的畸變率。
- 對(duì)于能效指標(biāo)的測(cè)量，可以采用PA6000功率分析儀，同時(shí)測(cè)量輸入電網(wǎng)電壓、電流和功率，輸出電壓、電流和功率。一臺(tái)PA 系列功率分析儀最多同時(shí)可進(jìn)行6 個(gè)設(shè)備的功率測(cè)量，且互相之間沒(méi)有干擾。
- PA6000支持能效之星標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)，并支持IEC62301標(biāo)準(zhǔn)。IEC62301中對(duì)測(cè)量設(shè)備的功率測(cè)量精度有明確要求：用于測(cè)量低于0.5W待機(jī)功耗的儀器要求功率測(cè)量不確定度至少優(yōu)于0.01W。測(cè)量待機(jī)功率時(shí)，PA 功率分析儀嚴(yán)謹(jǐn)?shù)碾娐吩O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了極低的本體噪聲，保證額定3mA 的量程時(shí)可以測(cè)量到量程1% 的有效輸入，支持0.03mA 或更小的測(cè)量。此外，通過(guò)用戶(hù)自定義功能計(jì)算間歇性振蕩控制方式信號(hào)的平均功率。
采用PA6000功率分析儀可以很方便地對(duì)開(kāi)關(guān)電源的輸入、輸出參數(shù)和能效指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。一個(gè)220VAC輸入，12VDC輸出的開(kāi)關(guān)電源測(cè)試示例如下。Elemen1測(cè)量輸入和Element2測(cè)量輸出。
下圖中顯示為PA6000顯示的為開(kāi)關(guān)電源的輸入、輸出參數(shù)和效率測(cè)量結(jié)果。
圖 1.9輸入輸出參數(shù)和效率測(cè)量
圖 1.10開(kāi)關(guān)電源輸入電壓和電流的波形通過(guò)PA6000功率分析儀的波形查看功能，可以觀察開(kāi)關(guān)電源的輸入輸出波形，如上圖為開(kāi)關(guān)電源輸入的電網(wǎng)電壓和電流波形。其中電壓波形有明顯的畸變。
圖 1.11測(cè)量輸入電壓的諧波通過(guò)PA6000功率分析儀的諧波功能，可以獲取到電壓的諧波含量和諧波畸變率。如上圖所示。
圖 1.12輸入電壓測(cè)量數(shù)值和輸入電壓的變化趨勢(shì)通過(guò)PA6000功率分析儀的數(shù)值測(cè)量和趨勢(shì)分析功能，可以獲取到輸入電壓的測(cè)量數(shù)值和變化趨勢(shì)。如上圖所示。
在開(kāi)關(guān)電源測(cè)試中，需要對(duì)開(kāi)關(guān)電源的啟動(dòng)時(shí)間和輸出時(shí)序進(jìn)行測(cè)量，此時(shí)可以采用PA6000功率分析儀的常規(guī)分析功能。PA6000可以保存已測(cè)量的數(shù)據(jù)和波形，并且在儀器上對(duì)數(shù)據(jù)執(zhí)行各測(cè)量分析操作；可以將變化速度較快的測(cè)量數(shù)據(jù)和波形先保存，再逐個(gè)調(diào)出執(zhí)行分析。
圖 1.13開(kāi)關(guān)電源啟動(dòng)時(shí)間測(cè)量對(duì)上圖中的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，測(cè)量開(kāi)關(guān)電源從AC220V上電，到DC12V穩(wěn)定輸出的過(guò)程：
輸入電壓影響輸出電壓的幾個(gè)指標(biāo)形式：
2． 反映輸入電壓對(duì)輸出電流影響的指標(biāo)
輸入電壓影響輸出電流的幾個(gè)指標(biāo)形式：
3． 反映負(fù)載對(duì)輸出電壓影響的指標(biāo)
負(fù)載對(duì)輸出電壓影響的幾種指標(biāo)形式：
負(fù)載調(diào)整率（也稱(chēng)電流調(diào)整率）
在額定電網(wǎng)電壓下，負(fù)載電流從零變化到最大時(shí)，輸出電壓的最大相對(duì)變化量△Uo/Uo ，常用百分?jǐn)?shù)表示，有時(shí)也用絕對(duì)變化量表示。
在額定電網(wǎng)電壓下，額定負(fù)載、空載或者最小負(fù)載時(shí)，輸出電流的最大相對(duì)變化量△ Io/Io ，常用百分?jǐn)?shù)表示，有時(shí)也用絕對(duì)變化量表示。
4． 紋波電壓
在額定輸出電壓和負(fù)載電流下，輸出電壓的紋波（包括噪聲）的絕對(duì)值的大小，通常以峰峰值或有效值表示。
紋波系數(shù)Y（%）。
在額定負(fù)載電流下，輸出紋波電壓的有效值Urms與輸出直流電壓Uo之比，即y=Urms/Uo×100%
噪聲不同于紋波。紋波是出現(xiàn)在輸出端子間的一種與輸入頻率和開(kāi)關(guān)頻率同步的成分，用峰-峰（peak to peak）值表示，一般在輸出電壓的0.5%以下；噪聲是出現(xiàn)在輸出端子間的紋波以外的一種高頻成分，也用峰-峰（peak to peak）值表示，一般在輸出電壓的1%左右。紋波噪聲是二者的合成，用峰-峰（peak to peak）值表示，一般在輸出電壓的2%以下 。
5． 響應(yīng)時(shí)間
響應(yīng)時(shí)間是指負(fù)載電流突然變化時(shí)，穩(wěn)壓器的輸出電壓從開(kāi)始變化到達(dá)新的穩(wěn)定值的一段調(diào)整時(shí)間
在直流穩(wěn)壓器中，則是用在矩形波負(fù)載電流時(shí)的輸出電壓波形來(lái)表示這個(gè)特性，稱(chēng)為過(guò)度特性。
6． 失真：
這是交流穩(wěn)壓器特有的。是指輸出波形不是正弦波形，產(chǎn)生波形畸變，稱(chēng)為畸變。
輸出波形畸變主要是因?yàn)樾盘?hào)中存在諧波。
諧波會(huì)對(duì)連接到電源線(xiàn)路上的設(shè)備造成影響。
7． 溫度漂移和溫度系數(shù)
溫度漂移：環(huán)境溫度的變化影響元器件的參數(shù)的變化，從而引起穩(wěn)壓器輸出電壓變化。常用溫度系數(shù)表示溫度漂移的大小
絕對(duì)溫度系數(shù)：溫度變化1攝氏度引起輸出電壓值的變化△UoT，單位是V/℃或mV/℃
相對(duì)溫度系數(shù)：溫度變化1攝氏度引起輸出電壓相對(duì)變化△UoT/Uo，單位是V/℃
只在精度較高的穩(wěn)壓器中，才有溫度系數(shù)和溫漂兩項(xiàng)指標(biāo)。
8． 漂移
穩(wěn)壓器在輸入電壓、負(fù)載電流和環(huán)境溫度保持一定的情況下，元件參數(shù)的穩(wěn)定性也會(huì)造成輸出電壓的變化，慢變化叫漂移，快變化叫噪聲，介于兩者之間叫起伏。
表示漂移的方法有兩種：
在指定的時(shí)間內(nèi)輸出電壓值的變化△Uot。
在指定時(shí)間內(nèi)輸出電壓的相對(duì)變化△Uot/Uo。
考察漂移的時(shí)間可以定為1分鐘、10分鐘、1小時(shí)、8小時(shí)或更長(zhǎng)。
開(kāi)關(guān)電源的能效指標(biāo)是其很重要的一類(lèi)測(cè)試指標(biāo)，是開(kāi)關(guān)電源的市場(chǎng)準(zhǔn)入的必要條件。能效指標(biāo)包括以下的指標(biāo)：
效率
Po為輸出功率，Pi為輸入功率
多路輸出功率值為各路輸出的總功率
效率為輸出功率和輸入功率的比值：η = Po/Pi
功率因素：在交流電路中，電壓與電流之間的相位差(Φ)的余弦叫做功率因數(shù)，用符號(hào)cosΦ表示，在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值，即λ=P/S。
待機(jī)功耗：電源輸入端連接到電網(wǎng)上,輸出端不連接負(fù)載不消耗功率狀態(tài)下的輸入有功功率。
針對(duì)不同應(yīng)用的開(kāi)關(guān)電源，需要符合一定的能效標(biāo)準(zhǔn)。能效標(biāo)準(zhǔn)即能源利用效率標(biāo)準(zhǔn)，是對(duì)用能產(chǎn)品的能源利用效率水平或在一定時(shí)間內(nèi)能源消耗水平進(jìn)行規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。能效標(biāo)準(zhǔn)具有較高的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。目前的能效標(biāo)準(zhǔn)主要包括：
