電源提示：控制測量電源效率的誤差

在電源中進行出色的效率測量需要許多因素，但我們這里主要關(guān)注溫度穩(wěn)定性。其他問題包括測量和分流器的質(zhì)量和校準。由于效率需要兩次電壓和兩次電流測量，因此使用的電壓和電流表的誤差可能會疊加。借助最好的手持式儀表（每個約 400 美元）和勤奮的校準，這種“疊加”可以將總體誤差限制在 1% 左右。使用更高質(zhì)量的臺式儀器和經(jīng)過良好校準的分流器，該誤差可以減少到 0.1% 左右。

銅和硅的電阻率每 25 ° C 增加約 10%。傳導(dǎo)損耗與電阻率成正比，占大多數(shù)電源總損耗的一半以上。如果您可以在材料加熱之前進行測量，您可以獲得更好的效率讀數(shù)。但是好到什么程度呢？

圖 1： CSD86350Q5D中的標準化功率損耗與溫度的關(guān)系

圖 1 顯示了CSD86350Q5D中損耗與溫度的關(guān)系圖，該功率級類似于我在下面測試的電源中使用的功率級。每升高 25 ° C，損失增加約 5-6%。對于具有組合 DC、AC 和磁芯損耗的電感器，存在類似的損耗與溫度關(guān)系。對于效率約為 90% 的電源，這 5-6% 的損耗增加對應(yīng)于效率降低約 0.5%。

我們的電源設(shè)計服務(wù)團隊擁有一個自動電源效率測試儀，該測試儀使用一個可編程電源、一個可編程負載、四個高精度儀表 (Agilent 34401A)、兩個校準分流器和一個 LabVIEW 程序來步進電源負載并收集數(shù)據(jù)。我擔心的一個問題是，在電源有機會穩(wěn)定在給定負載之前收集數(shù)據(jù)，從而給出錯誤的效率讀數(shù)。我決定對設(shè)置進行一些測試，并改變順序和延遲，看看實際引入了多少錯誤。

我在 6 英寸 x 6 英寸板上使用了對流冷卻（無風扇）12V 至 1.2V TIDA-00324設(shè)計，在 90A 時具有 50 ° C 的穩(wěn)態(tài)最大溫升，以用作接近“最壞情況” ” 的情況，因此過早的讀數(shù)會導(dǎo)致錯誤的更高效率。這是因為較大的電路板比較小的電路板具有更大的熱時間常數(shù)，并且對流冷卻電源比強制風冷電源需要更長的時間來穩(wěn)定。此外，最終溫升越大，穩(wěn)定所需的時間越長，出錯的可能性也越大。在額定滿載時上升超過 50 ° C 的設(shè)計通常被認為是不可靠的。

我最初進行了三個運行。第一個是電源在滿負載下運行直到穩(wěn)定，數(shù)據(jù)以 5A 的增量從滿載的 90A 逐步下降到空載，讀數(shù)之間的間隔為 96 秒。這個測試在穩(wěn)定后需要30分鐘，是最“保守”的方法；有錯誤（如果有）是效率讀數(shù)太低。

第二次運行是我們設(shè)置的典型運行，其中冷電源在空載時啟動，并以 5A 的增量逐步加載至 90A。讀數(shù)之間的唯一延遲是程序的測量延遲，每個讀數(shù)大約需要 6 秒。這種延遲，加上獲得大量讀數(shù)的愿望，將真正顯著減少錯誤。

第三次運行是為了最大限度地提高“作弊”或在滿負載時測量效率，其中冷電源在滿負載時啟動（我進行了初始讀數(shù)），然后以 5A 的增量降低負載。

這是結(jié)果。稍后我將討論圖 2 中引用的“10 分鐘規(guī)則”圖。

圖 2： PMP10393中的效率與負載，無風扇，四種測量方法

正如預(yù)期的那樣，最大負載時的錯誤最大，典型情況下效率報告高 0.3%，而我試圖“作弊”最多的情況下效率報告高 0.6%。當達到穩(wěn)定狀態(tài)和獲得 0.6% 的高效率讀數(shù)時，我還拍攝了電路板的熱圖像。

大約有29 ° C的差異。穩(wěn)態(tài)效率降低 0.6% 對應(yīng)于損耗增加 7.3%。這與每 25 ° C損失增加 5-6% 一致。

典型測量方法中的 0.3% 誤差必須與測量中的其他可能誤差進行比較。如果儀表是手持式的并且會導(dǎo)致大約 1% 的總體誤差，那么這 0.3% 不是主要問題。然而，與高檔臺式儀器的 0.1% 誤差相比，這 0.3% 絕對是顯著的。

大約需要 20 分鐘才能完全穩(wěn)定，然后慢慢降低負載將給出最可靠的測量結(jié)果。我觀察到，如果電源在滿負載下穩(wěn)定運行 4-5 分鐘，效率讀數(shù)將在 0.1% 以內(nèi)最終 90.12% 的值。在線性加速到滿負載期間，平均負載大約是滿負載的二分之一，我推斷通過在這 5 分鐘內(nèi)將加速擴展兩次，總共 10 分鐘，將產(chǎn)生大致相同的精度。

然后我回到了典型設(shè)置，其中冷電源在空載時啟動，并以 5A 的增量逐步加載到 90A，但每次讀數(shù)增加了 25 秒的測量延遲，以便在 10 分鐘后獲得完整的 90A 負載。在 10 分鐘后均勻分布測量以達到滿負荷，這就是我所說的“10 分鐘規(guī)則” 圖 2 中的 10 分鐘規(guī)則圖就是這種方法的結(jié)果。最大誤差小于 0.14%，小于單個 Fluke 87V 儀表電流測量的校準誤差。

使用風扇，我將最大負載增加到 120A，以在滿負載的穩(wěn)定狀態(tài)下獲得相同的 50 ° C 上升。在這里，我能夠?qū)嵤? 分鐘規(guī)則”，在 5 分鐘而不是 10 分鐘內(nèi)以 5A 的增量從空載上升到 120A 滿載。5 分鐘結(jié)束時 120A 效率讀數(shù)的誤差為 0.13%（88.34% 與 88.21% 的穩(wěn)態(tài)效率）。因此，強制通風應(yīng)用中的 5 分鐘規(guī)則將產(chǎn)生與沒有風扇應(yīng)用中的 10 分鐘規(guī)則相似的精度。

因為我在 6 英寸 x 6 英寸板上進行了測試，穩(wěn)態(tài)下最大滿載溫升為 50 ° C，所以我希望具有較小板和較低最大溫升的設(shè)計具有較小的誤差，使用相同的無風扇應(yīng)用的 10 分鐘規(guī)則和強制通風應(yīng)用的 5 分鐘規(guī)則。

總之，在自動效率測試儀設(shè)置上運行電源，因為它們通常在負載從零逐漸增加到滿負載的情況下運行，但會增加延遲，以在風扇冷卻電源的情況下進行 5 分鐘的總體測試，在 10 分鐘的情況下進行測試在沒有風扇的情況下，由于溫度穩(wěn)定，誤差將減少到 0.1% 或更低。