如何测试证明电源效率可以满足法规标准

在1990年代，专家计算得出，如果不努力提高效率并减少“空载”功耗，外部电源（用于为手机，游戏机和笔记本电脑等所有设备供电的电源）将占到令人震惊的30％不到20年的总能源消耗。功耗有所提高，但现在需要进行测试以证明电源可以满足规定。

当时，电源的效率可能低至50％，更糟糕的是，当关闭正在供电的设备时，它们仍会消耗相当多的功率。从1992年开始，美国环境保护局启动了包括能源之星计划在内的旨在提高能源效率的自愿计划。直到2004年，当加州能源委员会（CEC）采取行动时，各国政府才开始制定关于效率和空载功耗的强制性标准。

从那时起，围绕外部电源效率的全球监管环境迅速发展，在电子行业试图跟上动态监管环境的过程中，电子行业面临许多挑战和不确定性。不过，毫无疑问，这一努力是值得的。例如，EPA估计，在过去十年中实施的外部电源效率法规已将能源消耗减少了320亿千瓦，每年节省了25亿美元，并且每年减少了超过2400万吨的CO2排放量。

在美国，自能源部（DOE）发布于2016年2月生效的VI级标准以来，功率效率标准一直保持相对稳定。但是，从全球范围来看，情况更加暗淡。一旦现行的自愿行为守则（CoC）成为强制性规定，下一轮立法预计将来自欧洲。欧盟更严格的CoC版本5 Tier 2自愿标准原定于2018年1月生效，但最终实施被推迟了一两年。

无论标准是自愿性的还是强制性的，我们都不应以为当局放慢了监管进展的步伐。电源设计人员面临着艰巨的挑战，要不断提高效率，同时还要在各种输入和负载条件下保持规定的性能。除效率外，设计人员还必须遵守有关电流谐波，安全性和EMI / EMC的国际法规。

修改电源以满足更严格的标准（例如降低空载功耗）通常不是简单的组件更改。在这种情况下，例如，可能需要将控制IC更改为消耗较少功率的控制IC，并且可能需要实现诸如脉冲跳跃之类的节能技术。反过来，对原边电路的更改可能要求重新提交产品以更新各种安全认证。重新设计和重新认证过程都是昂贵的，这强调了在设计周期的早期就需要对合规性测试进行预合规性测试，以帮助减少第三方合规性实验室的重新运行。

测试方法概述

尽管即将出现更严格的标准，但DOE VI级使用的原理和基本方法可以适用于任何AC-DC电源，并且具有广泛的适用性。官方测试方法已在《美国联邦法规规则》第10篇第430部分B子部分的附录Z下发布，可从美国政府印刷局获得。

VI级测试要求在负载和空载条件下测试外部电源。在30分钟的预热时间之后，必须监视交流输入电源5分钟以检查设备的稳定性。功率电平漂移应在观测到的最大值的1％以内，并且必须在每种负载条件下进行5分钟的稳定性检查。在VI级下，必须按该特定顺序分别在降额负载（±2％）的100％，75％，50％，25％和0％下测试被测设备。对于您希望在市场上待用一段时间的电源，您还需要参考CoC版本5 Tier 2，它增加了在10％负载下进行测试的要求-在低负载条件下，许多类型的电源效率很低。

根据标准，功率效率是在每种负载条件下实时计算为输出有功功率与交流输入有功功率之比，并单独记录。另一方面，已消耗但未转换为输出功率的电源功率被计算为在每种负载条件下有功输出功率与有功交流输入功率之间的差，并再次单独报告。

请注意，空载功耗测试还必须符合加利福尼亚能源委员会发布的“计算单电压外部AC-DC和AC-AC电源的能效的测试方法”中指定的要求。

测试设备要求
电源效率测试的主要动力是功率分析仪，它可以测量AC-DC电源上的输入和输出功率，同时还可以进行效率测量。功率分析仪的要求由IEC 62301标准定义。通常，该标准要求设备在95％的置信度下，根据功率级别，其不确定度等级为1％或2％。

这些标准还定义了对有源或无源负载的要求，在测试效率时设置DUT的输出电流是必需的。电子负载虽然相对昂贵，但由于其多功能性和可编程性，可以提供比无源负载显着的优势，并且还可以帮助自动化效率测试，减少测试时间并最大程度地减少用户错误。无源负载和电子负载都需要在所有要求的输出电压下保持负载电流，精度为±0.5％。

除负载外，大多数情况下还需要交流电源，以进行符合法规标准的效率测试。来自交流壁式插座的输入电压不可靠，并且可能会因各种因素（例如一天中的时间，接线阻抗和负载变化）而有很大的变化。交流电子电源通过提供可追溯且可靠的电压输出来解决这些问题，该电压输出在要求的标准范围内具有校准的容差。大多数电子交流电源也允许进行编程，这使自动化效率测试变得容易，并减少了时间和用户错误。根据标准用于效率测试的交流电源要求输入电压和频率在规定值的±1％以内，要求输入电压的总谐波含量（THC）在≤2％之内，且不超过额定值。 13次谐波。

运行测试
此示例演示了一种使用功率分析仪，电子负载和效率测试软件对外部AC-DC电源进行效率测量的简单方法。图1显示了一个分线盒，它有助于使输入交流电连接安全，简单。

DUT上的AC输入通过接线盒连接到功率分析仪的通道1，该接线盒接入电流信号并测量输入端子上的电压。电子负载用于加载电源的DC输出（图1）。在功率分析仪的第二个通道上测量输出的直流电压和电流。

图1. AC-DC电源的效率测试设置。

建立连接后，可以将功率效率应用程序与功率分析仪结合使用，以配置和测量电源效率。然后将交流电源和电子负载分别设置为所需的电源和负载条件。

在进行测量之前，通过将负载值设置为100％额定电流来预热被测电源30分钟。在测试开始时仅需要一次预热时间。预热期过后，将对输入交流电源进行5分钟监控以确保稳定性。在此期间，输入功率必须保持在所观察到的最大值的1％以内。

一旦建立了稳定性，便会针对100％负载情况进行效率测量。在每次负载变化之间的5分钟稳定时间段之后，针对75％，50％，25％和0％的负载条件重复此过程。如果展望未来，您可能还希望以10％的水平进行测量。

功率分析软件应用程序通常允许您在执行效率测试时查看波形和谐波数据以及趋势图。图2显示了谐波条形图显示。由于波形是由谐波数据构成的，因此您将需要设置软件以捕获最大数量的谐波，以提高准确性。趋势图可用于分析一段时间内的稳定性和效率。

图2.由电源汲取的输入电流的谐波图显示了第43次谐波的增加。

测试待机功率

您必须测试电源的空载条件或备用电源。电源必须在效率标准中规定的空载功率限制内。图3中的测试集与用于效率测量的测试集相似，但是没有电子负载。

图3.空载或待机功率测试的测试设置使用接线盒和功率分析仪。

在最大负载电流低于1 A的情况下，您将需要使用1-A分流器以在低电流测量中获得更高的分辨率和更好的精度。在测量待机功率时，将功率分析仪的分流器连接到低电压端子的负载侧，如图4所示。

图4.对于低功率测量，在低电压端子和负载之间连接功率分析仪的电流分流器。

请注意，如图5所示，将电流分流器连接到低电压端子的源极侧会由于低电压测量中电压表阻抗两端的压降而引起严重误差。例如，从230 V供电时，电压表通道阻抗的1MΩ下降将为53 mW。当测量超过1 W的功率时，该值可能不是一个显着的值，但是当测量低于100 mW的功率时，可能会导致严重的误差。 。

图5.用于低功率测量的错误接线方法（对于高功率测量，OK）。

根据IEC 62301，运行备用电源测试的默认时间为15分钟，可能需要进行一些更改才能满足某些地区或本地要求。

电源上与效率，待机功率和其他与关键功率相关的测量均需要精密，精密的仪器，以确保电源符合其规格。通过正确组合功率分析仪，电子负载，交流电源和功率效率软件，电源设计人员面对不断提高的效率和更低的待机功耗要求的挑战，始终可以确信他们的设计将满足规格要求。

Josh Brown是泰克公司吉时利分部的高级应用工程师。

编辑：hfy