在過去幾年間， 包括美國環(huán)保署(EPA)的能源之星計劃、歐盟委員會的行為準則( CoC ) 和加州能源委員會(CEC) 在內(nèi)的多家主要國際標準組織都已制定了新的外部電源效率要求。這些標準要求設(shè)計師必須以高精度來測試其產(chǎn)品的帶載模式效率和空載功耗。本文將介紹一種相對簡單的測量方法， 以確定外部電源對這些變化中的能效標準的合規(guī)性，同時還將提供一些有用的測試技巧。
基本要求
我們先介紹一下執(zhí)行這些測試所需的設(shè)備。要想準確測量出產(chǎn)品的效率，您需要用到以下四種工具：
1.一個瓦特表;
2.一個可程控交流電源;
3.一個電子負載;
4.兩個數(shù)字萬用表(其中一個必須為高精度電流表);
接下來，您需要遵循一些一般準則，才能獲得準確的測量結(jié)果。首先，由于電源的能效合規(guī)性測量是一種系統(tǒng)級測試，還要測量輸入電纜和輸出電纜中的功耗情況，因此必須確保測試所用的電纜與最終產(chǎn)品所用的電纜相同。其次，必須注意的是，這些測試需要在輸出線電壓和輸入線電壓變化期間保持長時間的溫度穩(wěn)定。因此，預(yù)計完成這些測試需要數(shù)小時的時間。最后，在您每次修改產(chǎn)品設(shè)計時，必須重復(fù)進行這些測試，以確保獲得準確的結(jié)果。
實現(xiàn)最高精度
這種測試要求同時測量外部電源的空載輸入功率和帶載模式效率。要計算效率， 必須同時測量輸入和輸出功率。測量輸入功率時，選擇恰當(dāng)?shù)墓╇婋娫粗陵P(guān)重要。如圖1中的圖形所示，來自墻壁電源插座和自耦變壓器的原始交流電導(dǎo)致了測量結(jié)果的不準確。為確保以精確的輸入電壓執(zhí)行測試，需要使用可程控交流電源。
圖2中的圖形表示的是來自可程控交流電源的輸出。注意，輸入的波形是真正的正弦波。
我們在進行此測量時需使用瓦特表，因為它可測量功率因數(shù)，也即電壓波形與電流波形之間相位角(cos)的余弦值，并考慮該因素的影響。必須注意的是，能效標準要求測量0.5W或更大的功率時，輸入功率測量的不確定度應(yīng)小于2%;測量0.5W以下的功率時，其不確定度應(yīng)為10mW。
可以對多家主要儀表廠商的瓦特表進行配置來滿足這些要求。由于瓦特表同時包含電流檢測元件和電壓檢測元件，可以將電壓檢測元件配置為位于輸入電流檢測元件之前，也可以配置為位于其后。有關(guān)如何配置儀表的信息通?？稍谄溆脩羰謨灾姓业?。進行低負載或空載測量時，可以通過將電壓檢測元件配置為位于電流檢測元件之前，來獲得更精確的測量結(jié)果。這樣可以防止來自電壓檢測元件的電流被電流檢測元件測量?？紤]到電壓檢測元件所消耗的電流通常大于230VAC下的10mW容許值，這種配置在滿足能效標準的低測量不確定度要求方面至關(guān)重要。
高功率應(yīng)用
進行較高功率設(shè)計時，需要解決不同的問題。在這些應(yīng)用中，電壓檢測元件的功率損耗非常小，可以將電壓檢測元件連接到電流檢測元件之后，使其靠近電壓輸入。這種方法可防止電流檢測元件上出現(xiàn)壓降以及瓦特表的內(nèi)部線路被錯誤地納入功率測量，從而導(dǎo)致所計算出的效率值偏低。將瓦特表設(shè)置為32(或64)次采樣的平均值后，可以獲得更穩(wěn)定的結(jié)果(圖3)。
測量輸出功率時需要使用兩個萬用表：一個用來測量輸出電壓，另一個用來測量輸出電流。用精度較高的萬用表來測量輸出電流。由于輸出功率是純粹的直流電功率，因此可通過輸出電壓乘以輸出電流計算得出。
為簡化確定電源規(guī)格是否符合全球性規(guī)范的工作， PowerIntegrations開發(fā)出了一款有用的能效合規(guī)性計算器?？蛰d和帶載模式效率的目標值可從每個電源的標稱額定值計算出來。該額定值只是電源外殼上標明的額定輸出值，表示電源在室溫和額定輸入電壓下的最小額定輸出功率。例如，標稱額定值為5V、350mA的恒壓恒流充電器最小可提供5V、350mA的電量。
只要輸入您的電源標稱輸出功率額定值，計算器就會自動告訴您與電源設(shè)計相關(guān)的能效標準的合規(guī)性目標值。接受通用輸入電壓的設(shè)計要求同時在115VAC、60Hz和230VAC、50Hz下進行測量。對于單路輸入設(shè)計，則應(yīng)在115VAC或230VAC的額定輸入電壓下進行測量。
現(xiàn)在，我們以一個額定值為通用輸入范圍的5 V、350 mA手機充電器為例來演示測試程序。首先，我們將進行一系列測試來測量該電源在115VAC、60 Hz下的帶載模式效率。帶載模式效率是在額定輸入線電壓和額定線電壓頻率下，在標稱額定值的25%、50%、75%和100%負載水平下測得的效率平均值。由于此充電器的標稱負載額定值為350 mA，因此必須測量在以下電流下的效率：滿載350mA、75%負載262 mA、50%負載175 mA，以及25%負載88mA。[!--empirenews.page--]
在開始測試前，需要讓電源預(yù)熱30 分鐘。在滿載下進行第一個測量前，需將電源連接到交流電源，然后施加60Hz、115VAC的輸入。將電源的負載逐步增大至滿載，至少預(yù)留30分鐘的時間讓電路達到熱平衡，并使輸入功率讀數(shù)穩(wěn)定。在記錄測量結(jié)果之前，確保沒有示波器探頭或其他儀表與電路相連。在有些情況下，可能需要手動設(shè)置瓦特表的電壓和/或電流量程，以免它自動更換量程，從而造成結(jié)果不穩(wěn)。同樣的測量儀表如果采用不同的量程，測量結(jié)果通常會出現(xiàn)不同的精度。通常，操作手冊中會指出可產(chǎn)生最高精度的量程。
當(dāng)電路達到熱平衡后，記錄瓦特表的初始功率讀數(shù)。等待五分鐘，記下第二個讀數(shù)。如果發(fā)現(xiàn)兩個讀數(shù)之間的差異小于5%，請記錄第二個讀數(shù)。如果其差異大于5%，則應(yīng)再等待五分鐘，繼續(xù)此操作，直到兩個連續(xù)讀數(shù)之間的差異處于5%以內(nèi)?；蛘撸梢允褂么蠖鄶?shù)瓦特表都具有的“積分模式”進行測量，具體操作方法將在下面介紹。
計算積分輸入功率
對于輸入功率隨時間變化的設(shè)計，在測量其輸入功率時，需要采取下列步驟：
1.將瓦特表設(shè)置為積分模式;
2.為瓦特表設(shè)置積分間隔，以捕獲可變輸入功率大約的一個完整周期;(持續(xù)時間越長，測量結(jié)果就越準確。我們建議在大部分應(yīng)用中都進行1分鐘的積分計算)
3.讀取瓦特表輸入功率讀數(shù)，單位為Whr;
4.用此數(shù)字除以積分間隔。確保調(diào)整時間單位，以便它們相互抵消。例如：輸入能量( W h r )/ 測量時間間隔(min)×60mins/1hr=輸入功率(W);在本例中，根據(jù)萬用表讀數(shù)，我們將輸出電流記錄為0.35A，將輸出電壓記錄為6.124V，從而得出輸出功率為2.14W。
效率計算如下：
滿載效率=Pout/Pin=2.14W/3.14W=68.2%
在進行下一個測量前，需將負載水平調(diào)整到75%，或為262mA。使用瓦特表計算平均值時，記得至少留出一分鐘的時間使讀數(shù)達到穩(wěn)定。然后從瓦特表記錄輸入功率。等待五分鐘，再次記錄，并利用<5%的差異規(guī)則來確定是使用該值，還是計算積分輸入功率。
在本例中，我們將輸出電流記錄為0.262A，將輸出電壓記錄為6.502V，從而得出輸出功率為1.704W。然后，效率計算如下：
75%負載下的效率=1.704W/2.42W=70.4%
然后，應(yīng)對50%和25%負載水平重復(fù)以上測量程序。
測量空載輸入功率
在測量空載輸入功率前，需斷開輸出負載和所有輸出萬用表與電源的連接。接下來，關(guān)斷交流輸入，將瓦特表配置為電壓檢測元件位于電流檢測元件之前。記下瓦特表的初始功率讀數(shù)，然后等待五分鐘，記下第二個讀數(shù)。如我們在前面的測試程序中所述，如果兩個讀數(shù)之間的差異小于5%，則記錄第二個讀數(shù)。如果差異大于5%，則必須計算輸入功率的積分，然后根據(jù)前述程序用這個結(jié)果除以積分的間隔時間。
現(xiàn)在就完成了115 VAC下的測試工作。接下來，必須重新連接負載和輸出萬用表，將輸入電壓升高到230VAC。在新的輸入電壓下，重復(fù)前面執(zhí)行的所有測試。記得先將瓦特表設(shè)置為相應(yīng)的功率量程。測試完成后，您應(yīng)該就有了一份完整的測試數(shù)據(jù)，匯總了在兩種輸入電壓下所有四個負載水平的測量結(jié)果。
然后，Power Integration的計算器將計算帶載模式效率，即在所有負載水平下效率的等加權(quán)平均值。在屏幕右側(cè)的字段中，可以看到許多行不同的能效標準。計算器將自動計算出帶載模式效率和空載輸入功率的合規(guī)要求，并將測試結(jié)果與標準要求進行比較。為簡化結(jié)果分析工作，它會將滿足要求的測試結(jié)果顯示為綠色，不滿足要求的測試結(jié)果顯示為紅色。
補充內(nèi)容1：
測試技巧：手動計算
如果您決定手動計算這些值，必須注意的是，這些標準的空載要求和帶載模式效率已四舍五入為兩位數(shù)。這一點看似微不足道，但它在標準合規(guī)性方面有著重要影響。下面是采用能源之星公式計算一個12V、1.1A電源的最低效率的示例：
補充內(nèi)容2：
測試技巧：更改輸入電壓
您是否要測量空載功耗并計劃在測試過程中更改輸入電壓?請始終在此轉(zhuǎn)變過程中對輸出施加滿載。原因何在?在空載模式下，輸入大容量電容需要較長的時間完成放電，如果輸入電壓從高壓降到低壓后，輸出沒有負載連接，則電容在從交流輸入吸取功率之前，將對直流總線電壓提供長時間支持。這反過來會造成電源的空載輸入功率在很長一段時間內(nèi)為0W。為避免此問題，應(yīng)先在開始測量之前使電源達到滿載，然后再斷開所有輸出負載。
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