測量開關電源轉換效率的兩種不同方法

目錄：

• 一、概述
• 1、所需設備
• 2、交流接通注意事項
• 二、檢測方法
• 1、瓦特表方法
• 2、萬用表方法
• 1)連接萬用表
• 2)測試程序
• 3)提高準確度
• 4)導通損耗對效率的影響、開關損耗對效率的影響

一、概述

本文將向大家介紹測量開關電源轉換效率的兩種不同方法。

第一種方法使用一個瓦特表和兩個萬用表;第二種方法介紹在沒有瓦特表的情況下如何進行測量，但不夠精確。

1、所需設備

1. 一個可程控交流電源供應器或一個自耦變壓器

2. 一個電子負載

3. 一個瓦特表和兩個數字萬用表(其中最好有一個高精度數字萬用表，用來測量電流)或者四個數字萬用表(其中，一個為真有效值、高精度萬用表，用來測量輸入電流;一個為高精度萬用表，用來測量輸出電流)

注釋：在使用萬用表時，需要根據要測量的電壓和電流值將萬用表設置在合適的量程內，這一點非常重要。

直流輸出功率僅等于電壓與電流的乘積，只需兩個萬用表即可測量出大小。我們將用一個高精度萬用表來測量輸出到負載的電流，用一個標準萬用表來測量電源的輸出電壓。由于交流系統(tǒng)中電壓與電流之間存在相位角，因此不能簡單地將RMS 輸入電壓與RMS 輸入電流相乘來計算輸入功率。只有電源消耗的有功功率(P)才是必須考慮的。而返回到電源的無功功率Q，則不應考慮進來。

瓦特表的優(yōu)點是可以準確測量輸入功率，原因在于它能自動校正功率因數。如果沒有瓦特表，則可使用兩個萬用表來測量輸入電壓和電流。但這種替代性方法與使用瓦特表相比，測量結果的準確性不高，并且還需要對待測電源進行斷路。

直接將電壓表跨接到電路板輸出端，并與電子負載連接。測量輸出端電壓時，會不計與負載相連的電纜上的壓降。在有些應用中，比如手機充電器或筆記本電腦適配器中，必須計算電纜中的損耗，此時需要從負載測量輸出電壓。然后將高精度電流表與負載串聯，測量輸出電流。

2、交流接通注意事項

若使用的器件采用開/關控制方案，在檢測輸入電壓下快速裝上電源，使輸出達到滿載，這時就可以測量出最差情況下的效率。不過，在大容量電容充電時，裝上電源會產生非常大的浪涌電流。若輸入電流表設置為低量程，這會導致其中的保險絲熔斷。

針對不同 SMPS控制方案的建議交流接通程序

若采用四個萬用表的方法，在低輸入電壓和最高負載下快速裝上電源后，首先應測量電源的浪涌電流。然后查閱萬用表的數據手冊，確認它是否能夠在高輸入電壓下承載如此高的峰值電流。對于所有其它控制方案，接通方法將不會影響效率的測量，建議在檢測時緩慢調高交流電壓，以便限制浪涌電流。

二、檢測方法

1、瓦特表方法

將瓦特表連接到電源輸入端，將顯示屏設置為平均模式，以便獲得較穩(wěn)定的讀數。接通交流輸入電壓，將它緩慢調高到所需的檢測電壓。將電源的負載增加到滿載。然后關斷電源，將它重新快速裝回，繼續(xù)完成測量。在本演示中，電源輸出端儀表的測量結果為4.97 V和4.005 V。電子負載的電壓讀數為4.48 V。這是由于輸出電纜和萬用表電壓檢測元件上出現了490 mV 的壓降，從而突現了測量電源輸出端電壓的重要性。因此，輸出功率 = 4.97 V*4.005 A = 19.90 W。

瓦特表讀數顯示輸入功率為25.76 W。因此，電源效率 = 輸出功率/輸入功率 = 19.90 W/25.76 W = 77.3%。

2、萬用表方法

使用萬用表時，可以在二極管整流器級將交流電轉換為直流電之后來測量輸入功率，從而避開功率因數的影響。為提高測量準確性，必須將直流總線級之前的元件中的損耗計算在內。二極管整流橋通常是輸入級中損耗最大的元件，因為在最差情況下每個二極管中的壓降可達到0.9 V。對于阻抗或壓降非常大且可測量的其它元件，使用這種方法也可以計算出其損耗大小。

1)連接萬用表

斷開整流橋與大容量電容C2 之間的直流總線。斷開大容量電容后面的直流總線后，需要用萬用表來測量電源的高頻開關電流，而萬用表無法對此進行準確測量。然后，焊接兩條可用來連接萬用表和電路的導線。連接一個真有效值、高精度萬用表組，測量斷路上的電流。使用另一個萬用表組測量電壓，將它分別連接到直流正極和大容量電容的負極。

2)測試程序

打開交流電源供應器，緩慢將電壓調高到所需的檢測電壓。將電源的負載增加到滿載。將輸入電流表設置到最高電流量程。然后切斷交流輸入電壓，重新快速裝上電源。在本演示中，電源仍提供4.97 V電壓，4.008 V電流和19.92 W輸出功率。在輸入端，直流總線電壓為151.6 V，輸入電流為0.166 A。輸入功率計算如下：

交流輸入損耗，現在必須將整流橋的功率損耗計算在內。

功率損耗估計值 = 最差情況下的二極管總壓降 輸入電流

= 1.8 V 0.166 A= 0.299 W

因此，總輸入功率 = 25.1656 W-0.299 W= 25.46 W

采用這種測量方法，可計算得出電源效率：= 78.2%

與使用瓦特表測量計算得出的77.3%比，可以看出用四個萬用表進行測量，最后的誤差為0.9%。

DC-DC電源效率計算=12.03*1.1/24.2*0.63=87%

3)提高準確度

可以通過調整輸入功率來提高這種測量方法的準確度，在計算時，除二極管整流橋的損耗外，還應將其他輸入級元件，如浪涌限制器、共模扼流圈和數字萬用表的電流檢測元件的損耗包括在內。要計算這些損耗，需要測量各元件在正常工作情況下的壓降，然后用該壓降值乘以測得的輸入電流。將這些損耗計算在內，將會增大總輸入功率并降低計算得出的效率。

不過，用這種方法測得的結果始終不會像用瓦特表測量輸入功率一樣準確。測量一系列輸入及輸出值，確定損耗原因電源效率與輸入電壓和輸出負載有關。評估電源時，通常需要在幾個不同的輸入電壓水平下測量效率，以便更好地判斷出電路中的損耗究竟在何處。把得出的結果繪制在圖表中，說明滿載條件下效率與輸入電壓的關系。

4)導通損耗對效率的影響、開關損耗對效率的影響

低輸入電壓下效率下降，這通常是由于電路中的阻性元件產生的導通損耗造成的。這些損耗之所以會在低輸入電壓下增加，是因為需要較高的電流來維持相同的輸出功率。而高輸入電壓下的效率下降，通常是由于開關損耗造成的。這些損耗來自寄生電容。在高輸入電壓下損耗增加，是因為寄生電容會在更高的電壓下充放電。確定損耗原因并采取糾正措施后，將會得到以下曲線圖。設計良好的電源的效率與輸入電壓的關系。