開(kāi)關(guān)電源轉換效率的測量方法

　　所需設備

　　1. 一個(gè)可程控交流電源供應器或一個(gè)自耦變壓器

　　2. 一個(gè)電子負載

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

　　注釋?zhuān)涸谑褂萌f(wàn)用表時(shí)，您需要根據要測量的電壓和電流值將萬(wàn)用表設置在合適的量程內，這一點(diǎn)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(gè)萬(wàn)用表即可測量出大小。我們將用一個(gè)高精度萬(wàn)用表來(lái)測量輸出到負載的電流，用一個(gè)標準萬(wàn)用表來(lái)測量電源的輸出電壓。由于交流系統中電壓與電流之間存在相位角，因此不能簡(jiǎn)單地將RMS 輸入電壓與RMS 輸入電流相乘來(lái)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(wú)功功率Q,則不應考慮進(jìn)來(lái)。

　　瓦特表的優(yōu)點(diǎn)是可以準確測量輸入功率，原因在于它能自動(dòng)校正功率因數。如果沒(méi)有瓦特表，則可使用兩個(gè)萬(wàn)用表來(lái)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(jìn)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(shí)，會(huì )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(shí)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(lián)，測量輸出電流。

　　交流接通注意事項

　　如果使用的器件采用開(kāi)/關(guān)控制方案，在檢測輸入電壓下快速裝上電源，使輸出達到滿(mǎn)載，這時(shí)就可以測量出最差情況下的效率。不過(guò)，在大容量電容充電時(shí)，裝上電源會(huì )產(chǎn)生非常大的浪涌電流。如果輸入電流表設置為低量程，這會(huì )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

　　如果采用四個(gè)萬(wàn)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(wàn)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(huì )影響效率的測量，建議在檢測時(shí)緩慢調高交流電壓，以便限制浪涌電流。

　　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。將您電源的負載增加到滿(mǎn)載。然后關(guān)斷電源，將它重新快速裝回，繼續完成測量。在本演示中，電源輸出端儀表的測量結果為4.97 伏和4.005 安。電子負載的電壓讀數為4.48 伏。這是由于輸出電纜和萬(wàn)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 瓦。瓦特表讀數顯示輸入功率為25.76 瓦。因此，電源效率 = 19.90 瓦/25.76 瓦 = 77.3%.

　　萬(wàn)用表方法

　　使用萬(wàn)用表時(shí)，可以在二極管整流器級將交流電轉換為直流電之后來(lái)測量輸入功率，從而避開(kāi)功率因數的影響。為提高測量準確性，必須將直流總線(xiàn)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(gè)二極管中的壓降可達到0.9伏。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。

　　連接萬(wàn)用表

　　斷開(kāi)整流橋與大容量電容C2 之間的直流總線(xiàn)。斷開(kāi)大容量電容后面的直流總線(xiàn)后，需要用萬(wàn)用表來(lái)測量電源的高頻開(kāi)關(guān)電流，而萬(wàn)用表無(wú)法對此進(jìn)行準確測量。然后，焊接兩條可用來(lái)連接萬(wàn)用表和電路的導線(xiàn)。連接一個(gè)真有效值、高精度萬(wàn)用表組，測量斷路上的電流。使用另一個(gè)萬(wàn)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。

　　測試程序

　　打開(kāi)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(mǎn)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 伏電壓，4.008 安電流和19.92 瓦輸出功率。在輸入端，直流總線(xiàn)電壓為151.6 伏，輸入電流為0.166 安。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%相比，我們可以看出，用四個(gè)萬(wàn)用表進(jìn)行測量，最后的誤差為0.9%.

　　提高準確度

　　我們可以通過(guò)調整輸入功率來(lái)提高這種測量方法的準確度，在計算時(shí)，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(wàn)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(huì )增大總輸入功率并降低計算得出的效率。

　　不過(guò)，用這種方法測得的結果始終不會(huì )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(guān)。*估電源時(shí)，通常需要在幾個(gè)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(shuō)明滿(mǎn)載條件下效率與輸入電壓的關(guān)系。

　　導通損耗對效率的影響 開(kāi)關(guān)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(chǎn)生的導通損耗造成的。這些損耗之所以會(huì )在低輸入電壓下增加，是因為需要較高的電流來(lái)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(kāi)關(guān)損耗造成的。這些損耗來(lái)自寄生電容。在高輸入電壓下?lián)p耗增加，是因為寄生電容會(huì )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(huì )得到以下曲線(xiàn)圖。設計良好的電源的效率與輸入電壓的關(guān)系。