测试电源的效率，以符合法规标准
文章作者:Josh Brown
当我们寻求减少电力消耗时，我们必须遵守标准。关键是进行电压和电流测量，计算功率，并最小化谐波。
在20世纪90年代，专家们计算出，如果不努力提高效率和减少“空载”电力消耗，外部电源——用于为从手机到游戏机和笔记本电脑等各种设备供电的电源——将在不到20年的时间里占总能源消耗的30%，令人震惊。电力抽取已经改善，但现在需要测试以证明电源可以满足规定。
当时，电力供应的效率可能低至50%，更糟糕的是，当他们正在供电的设备关闭时，他们仍然会消耗相当多的电力。从1992年开始，美国环境保护署启动了自愿项目，以提高能源效率，包括“能源之星”项目。直到2004年，加州能源委员会(CEC)参与进来，政府才开始为效率和空载电力抽取制定强制性标准。
从那时起，围绕外部电源效率的全球监管环境迅速演变，电子行业面临着许多挑战和不确定性，因为它试图跟上一个动态的监管环境。不过，毫无疑问，这些努力是值得的。例如，美国环保署估计，过去10年实施的外部供电效率规定已减少了320亿千瓦的能源消耗，每年节省25亿美元，并减少了CO2每年的排放量超过2400万吨。
在美国，自2016年2月能源部(DOE)发布第六级能效标准以来，能效标准一直保持相对稳定。然而，放眼全球，情况就不那么明朗了。一旦目前的自愿行为准则(CoC)成为强制性的，下一轮立法预计将来自欧洲。欧盟更严格的CoC Version 5 Tier 2自愿标准本应在2018年1月生效，但最终的实施被推迟了一两年。
无论这些标准是自愿的还是强制性的，我们都不应该认为当局正在放慢监管进展的步伐。电源设计人员面临着不断提高效率的挑战，同时在一系列输入和负载条件下仍然保持指定的性能。除了效率之外，设计人员还必须应对当前谐波、安全以及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，并且可能需要实施诸如脉冲跳跃之类的节能技术。反过来，一次侧电路的变更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的成本都很高，强调了在设计周期早期对法规遵从性测试进行预遵从性测试的必要性，以帮助减少第三方遵从性实验室的重新运行。
试验方法概述
虽然即将出台更严格的标准，但DOE Level VI所采用的原理和基本方法可以适用于任何交直流电源，具有广泛的适用性。官方测试方法发布在美国联邦法规第10条，附录Z的Subpart B的430部分，可从美国政府印刷局．
六级测试要求外部电源在负载和空载条件下进行测试。预热30分钟后，需要监控交流输入电源5分钟，检查设备是否稳定。功率电平漂移应该在观测到的最大值的1%以内，并且必须在每个负载条件下进行5分钟的稳定性检查。在VI级下，被测设备必须按特定顺序在100%、75%、50%、25%和降负荷的0%(±2%)下进行测试。对于你希望在市场上销售一段时间的电源，你还需要参考CoC版本5 Tier 2，它增加了在10%负载下测试的要求，这是一种低负载条件，许多类型的电源都明显效率低下。
根据该标准，在每个负载条件下，功率效率以输出有功功率与交流输入有功功率的百分比实时计算，并分别记录。另一方面，电源消耗但未转换为输出功率的功率，计算为各负载条件下有功输出功率与有功交流输入功率之差，并分别报告。
请注意，空载功耗测试还必须符合加州能源委员会公布的《单电压外置交直流和交交电源能效计算试验方法》的要求。
测试设备需求
电源效率测试的主要工作设备是功率分析仪，它测量交直流电源的输入和输出功率，同时进行效率测量。功率分析仪的要求由IEC 62301标准定义。一般来说，该标准要求设备在95%的置信水平上，根据功率水平的不确定度为1%或2%。
该标准还定义了主动或无源负载的要求，要求在测试效率时设置被测设备的输出电流。电子负载虽然相对昂贵，但由于其通用性和可编程性，可以比无源负载提供显著的好处，还可以帮助自动化效率测试，减少测试时间和最大限度地减少用户错误。无源负载和电子负载都需要保持负载电流在所有需要的输出电压下，精度为±0.5%。
除了负载之外，在大多数情况下还需要交流电源来进行效率测试，以达到监管标准。从墙上的交流插座的输入电压是不可靠的，可以有很大的变化，基于各种因素，如时间，接线阻抗，负载变化。电子交流电源解决了这些问题，提供可跟踪和可靠的电压输出，在要求的标准内具有校准公差。大多数电子交流电源也允许编程，这使得自动化效率测试很容易，减少时间和用户错误。每个标准中用于效率测试的交流电源的输入电压和频率要求在设定值的±1%以内，输入电压的总谐波含量(THC)要求≤2%，直到并包括第13次谐波。
[继续阅读EDN US:运行测试］
乔什·布朗是Tektronix Keithley部门的高级应用工程师。
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