電源測量參數(shù)分析——艾德克斯IT9121功率表的應(yīng)用

 電源作為各種電子產(chǎn)品的必備零部件，在整機(jī)中所起的作用非常重要，它相當(dāng)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(shè)計(jì)、制造及品質(zhì)管理等過程需要進(jìn)行電磁性能、穩(wěn)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(guān)電源。現(xiàn)階段應(yīng)用最廣泛的是開關(guān)電源(SMPS)，可以說已經(jīng)成為了數(shù)字計(jì)算、聯(lián)網(wǎng)和通信等系統(tǒng)中的主導(dǎo)結(jié)構(gòu)。一個(gè)開關(guān)電源的性能或故障可能會(huì)影響昂貴的大型系統(tǒng)的命運(yùn)。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(chǎn)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(shè)備，可以測量功率、效率、電壓、電流等各種典型參數(shù)。

一.功率的測量

電源設(shè)計(jì)人員努力改善設(shè)計(jì)效率，同時(shí)在一個(gè)輸入范圍和負(fù)載條件上保持規(guī)定的性能，以滿足國際安全和EMC 法規(guī)。而功率表是用來進(jìn)行下面這些參數(shù)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(shù)

- 確認(rèn)功率因數(shù)校正電路的操作

3、待機(jī)功率

- 包括滿足能源之星和 IEC62310-3­

- 負(fù)載和工頻法規(guī)

- EN610003-2 等法規(guī)規(guī)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(duì)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(huì)吸收失真的非線性電流。許多交流電壓表和電流表會(huì)對(duì)波形平均值做出響應(yīng)，盡管在有效值(RMS)下校準(zhǔn)，但它們只對(duì)純正弦波才是準(zhǔn)確的。而實(shí)際上，電源輸出的波形都不可能完全達(dá)到理想狀態(tài)(如下圖電壓真實(shí)波形所示)，因此這種方法的測量值會(huì)存在一定誤差。

圖1 電壓真實(shí)波形

艾德克斯IT9121功率表可以使用100KHz高頻采樣進(jìn)行真正RMS測量，通過獲得多個(gè)電壓和電流波形周期中大量的瞬時(shí)電壓和電流樣點(diǎn)，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(shí)RMS值，這種測量方法是比較專業(yè)的。

三.輸入、輸出功率的測量

采樣非線性電流和電壓后進(jìn)行平均值計(jì)算，提供有效功率或等效直流加熱效應(yīng)。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(duì)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(guān)加熱效應(yīng)，如下圖所示，可以最好地描述RMS值的計(jì)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(guān)參數(shù)。

視在功率的計(jì)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(shù)，并測量獨(dú)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(diǎn)，即使在非常低的功率因數(shù)時(shí)，IT9121仍能保持高準(zhǔn)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(shù))的測試

艾德克斯IT9121功率表可以測量峰值因數(shù)的動(dòng)態(tài)輸入能力高達(dá)300(峰值/最小RMS值)，而對(duì)理想的正弦波形來說，峰值=RMS*√2。IT9121的這一特性對(duì)檢驗(yàn)開關(guān)電源至關(guān)重要。

許多使用交流電的現(xiàn)代電子設(shè)備都會(huì)從電網(wǎng)中吸收非理想正弦波的電流波形，包括電源、燈光調(diào)節(jié)裝置、熒光燈等，這些電子設(shè)備的電源表現(xiàn)的電流波峰因數(shù)通常約為4，最高可達(dá)10。因此，利用功率表測量CF值時(shí)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(guān)式波形(如下圖3所示典型的開關(guān)電源電流電壓波形)。

圖3 典型開關(guān)式電源的電流和電壓波形

五.THD(總諧波失真)的測試

在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，任何在電網(wǎng)中使用的電源都會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成一定的諧波污染，尤其是開關(guān)電源大量應(yīng)用于各種電子設(shè)備，如果產(chǎn)生的諧波污染較大，就會(huì)對(duì)電網(wǎng)環(huán)境及其他用電器造成不良影響。因此國際上對(duì)于開關(guān)電源的諧波污染給出了明確指標(biāo)。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(jìn)行單次諧波的分析，對(duì)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(chǎn)生諧波的原因，工程師才能夠優(yōu)化設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品的THD達(dá)標(biāo)。

以通信系統(tǒng)中經(jīng)常使用到的UPS電源為例，由于內(nèi)部非線性元器件的存在，UPS電源工作過程中會(huì)產(chǎn)生大量諧波成分，干擾通信系統(tǒng)的運(yùn)行。如果負(fù)載引起電流波形失真，那么除知道波峰因數(shù)外，還應(yīng)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(chǔ)成分外加供電頻率整數(shù)倍的頻率上的一串諧波成分組成。

艾德克斯功率表可以設(shè)置THD運(yùn)算的最大分析次數(shù) (DC-50次)與總諧波失真(THD) 測量帶寬為100kHz，可實(shí)現(xiàn)高速機(jī)動(dòng)態(tài)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(jié)果分析更加一目了然。如圖4/5所示。

圖4 IT9121測量開關(guān)電源諧波分量柱狀圖截屏 圖5 IT9121測量開關(guān)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(shù)和相位。

六.待機(jī)功率的測試

待機(jī)功率是負(fù)載沒有執(zhí)行全部功能時(shí)電源吸收的功率，從節(jié)約能源的角度出發(fā)，待機(jī)功率應(yīng)當(dāng)?shù)陀谝欢ㄖ笜?biāo)。比如ENERGY STAR®計(jì)劃的設(shè)計(jì)就是為了通過極優(yōu)的能源效率幫助節(jié)約能源，保護(hù)氣候，要滿足ENERGY STAR®的要求，就需要測量待機(jī)、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(jī)、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(duì)功率和能耗(瓦時(shí)，Wh)的準(zhǔn)確測量。同時(shí)測量功率、功率因數(shù)、總諧波失真和諧波，符合ENERGY STAR的要求。IT9121功率表可以連續(xù)對(duì)功率采樣，以便不會(huì)漏掉任何功率。對(duì)電流積分和有功功率積分執(zhí)行長達(dá)1萬小時(shí)(約1 年)的可靠測量，標(biāo)配的外圍USB存儲(chǔ)接口，可以將長時(shí)間記錄的測試數(shù)據(jù)導(dǎo)出，便于后續(xù)研究分析。附帶的IT9000軟件可捕獲數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)無縫分析和報(bào)告。將量程設(shè)為5mA時(shí)，IT9121可以在最高100μW的分辨率下執(zhí)行測量。

艾德克斯IT9121功率表

使用能夠分析復(fù)雜波形、并擁有高帶寬精度的功率表，對(duì)設(shè)計(jì)人員、生產(chǎn)和質(zhì)量保證至關(guān)重要。艾德克斯IT9121功率表在測試電源時(shí)具有各種測試優(yōu)勢，比如測試精度高達(dá)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(shù)顯示方式以及支持電流傳感器應(yīng)用于工業(yè)測量等，可以幫助工程師按照電源性能測試標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行符合性測試，不僅可以系統(tǒng)全面的分析電源性能，更可以加快和增強(qiáng)現(xiàn)代電源的測試和開發(fā)工作。