定义电源效率:
Pout输出功率:
Pout = Vo X Io
Pin输入功率:
Pin = Vin X Iin
这里Iin是电源的平均输入电流或直流电流。
理想状态:η=1.即完美,转换效率为100%,但现实往往远离理想。
能量损失在哪里?
我们将越来越关注电源的效率:
1.很多设备都是电池供电,提高效率,有效提高待机时间:手机、对讲机、特斯拉汽车。
2.服务器、显卡等大功率设备,有效节能,会给运营商带来很大的成本优化。
3.低效电源带来高温升高。在高温环境下,会影响整个系统的可靠性。根据一般经验10℃温升会加倍失效率。
对于电源工程师来说,提高电源效率,降低电源温升是一项重要工作。因此,我们应该准确测试我们设计的电源效率,以评估我们的电源设计水平。
由于二次电源相对简单,我们在这里描述了一次电源的测量方法。二次电源可以参考一次电源或选择四个万用表。
直流输出功率仅等于电压和电流的乘积,只有两个万用表可以测量。我们将使用高精度 用标准万用表测量输出到负载的电流,测量输出电压。由于交流系统中电压和电流之间存在相位角,因此不能简单地使用 RMS 输入电压与 RMS 输入电流 相乘计算输入功率。只有电源消耗的有功功率(P)必须考虑。返回电源的无功功率 Q 不要考虑。
瓦特表的优点是输入功率可以准确测量,因为它可以自动校正功率因数。如果没有瓦特表, 输入电压和电流可以用两个万用表来测量。然而,与使用瓦特表相比,这种替代方法准确。
英文名称为功率表wattmeter,它也被称为瓦特表,是一种用于测量有功功率值的仪器,包括有功功率、无功功率和视觉功率。主要应用于电力、电气测量和测量等领域。如果根据测试系统中的功率计连接模式进行分类,则有终端和通过模式。
功率表主要由功率传感器和功率指示器两部分组成。功率传感器又称功率计探头,通过能量将高频电信号转换为可直接检测的电信号。信号放大、包括信号放大、变换和显示。显示器直接显示功率值。电缆连接到功率传感器和功率指示器之间。为了满足不同频率、不同功率电平和不同传输线路结构的需要,一个功率计应配备多个不同功能的功率表探头。
通过功率表:利用定向耦合器、耦合环、探针等耦合装置,按一定比例从传输功率中耦合部分功率,输入功率计测量,传输总功率等于功率表指示值乘以比例系数。
热变电阻功率表:主要采用热变电阻作为功率传感元件,热变电阻值的温度系数较大。被测信号的功率被热变电阻吸收后产生热量,使其自身温度升高,电阻值发生显著变化。
典型的热效应功率表:该功率表主要利用隔热负载吸收高频信号功率,提高负载温度,然后利用热电偶元件测量负载温度变化,根据产生的热量计算高频功率值。
1. 可程控交流电源或自耦变压器
2. 电子负载
3. 一个瓦特表和两个数字万用表(最好有一个高精度数字万用表测量电流)或四个数字万用表(其中一个是测量输入电流的真实有效值和高精度万用表;一个是测量输出电流的高精度万用表)
注:在使用万用表时,您需要根据要测量的电压和电流值将万用表设置在适当的范围内,这一点非常重要。
将电压表直接连接到电路板输出端,并连接到电子负载。在测量输出端电压时,与负载相连的电缆上的压降将被忽略。在一些应用程序中,如手机充电器或笔记本电脑适配器,必须计算电缆中的损失,然后从负载中测量输出电压。然后将高精度电流表与负载串联,测量输出电流。
如果使用的器件采用开/关控制方案,在检测输入电压下快速装上电源,使输出达到满载,这时就可以测量出最差情况下的效率。不过,在大容量电容充电时,装上电源会产生非常大的浪涌电流。如果输入电流表设置为低量程,这会导致其中的保险丝熔断。
如果采用四个万用表的方法,在低输入电压和最高负载下快速安装电源,应首先测量电源的浪涌电流。然后查看万用表的数据手册,确认它是否能在高输入电压下承载如此高的峰值电流。
1)调整输入电压为额定电压,输出负载为半载和满载,记录功率计显示的输入功率Pi;
2)记录电压表示数UO和电流表示数IO;
3)用万用表交流电压档测量输入电压Vi ,用交流电流档测量输入电流ii;
4)按下式计算效率和功率因数:
效率=直流输出功率/交流输入功率
=[(U0×I0)/Pi]×100%
功率因数=输入功率/输入视功率
= Pi /(Vi×ii)
UO…输出电压值(V〕
IO…额定负载电流和半载电流(A)
Pi …整流设备交流输入功率(W)
Vi …交流输入电压 (V)
ii … 交流输入电流 (A)
5. 判定标准:
一次电源的输出效率和功率因数应符合其标称值。
6. 注意事项:
若为多路输出,应按以下公式计算效率:若为多路输出,应按以下公式计算效率:
效率=直流输出功率/交流输入功率
={(UO1×IO1+UO2×IO2 +……+UON×ION〕/ Pi}×100%
7.测试时注意电压输出的实际值:
电源输出端仪表的测量结果为 4.97 伏和 4.005安全。电子负载的电压读数为 4.48 伏特。这是因为输出电缆和万用表电压检测元件出现了 490 mV 压降突出了测量电源输出端电压的重要性。
因此,输出功率 = 4.97 V x 4.005 A = 19.90 瓦特表读数显示输入功率 25.76瓦。 = 19.90 瓦/25.76 瓦 = 77.3%。
使用万用表时,在二极管整流器级将交流电转换为直流电后,可以测量输入功率,避免功率因数的影响。
二极管整流桥通常是输入级损耗最大的部件,因为每个二极管的压降可以在最坏的情况下达到 0.9伏。这种方法还可以计算其他阻抗或压降非常大且可测量的元件的损耗。
连接万用表(测试输入电流的有效值)
断开整流桥和大容量电容器 C2 直流总线之间。大容量电容器后面的直流总线断开后,需要用万用表测量电源的高频开关电流,万用表无法准确测量。
然后,焊接两条可以连接万用表和电路的电线。连接一个真正有效的高精度万用表组,测量断路上的电流。用另一个万用表组测量电压,分别连接到直流正极和大容量电容器的负极。
当用万用表测量时,输出功率测试方法没有改变:电源仍然提供 4.97 伏电压,4.008 安电流和 19.92 瓦输出功率。
直流总线电压在输入端为151.6 输入电流为伏 0.166 安。输入功率计算如下:
Vin X Iin = 151.6 0.166 = 25.1656 W
目前,必须计算整流桥的功率损失:
估计功率损失 = 最差情况下的二极管总压降 输入电流
= 1.8V X 0.166 A
= 0.299 W
因此,总输入功率 = 25.1656 W 0.299 W= 25.46 W
19.92 W/25.46 W= 78.2%
与使用瓦特表测量计算得出的 77.3%相比,我们可以看出,用四个万用表进行测量,最后的误差为 0.9%。
提高准确度
我们可以通过调整输入功率来提高这种测量方法的准确度,在计算时,除二极管整流桥的损耗外,还应将其他输入级元件,如浪涌限制器、共模扼流圈和数字万用表的电流检测元件的损耗包括在内。要计算这些损耗,需要测量各元件在正常工作情况下的压降,然后用该压降值乘以测得的输入电流。将这些损耗计算在内,将会增大总输入功率并降低计算得出的效率。不过,用这种方法测得的结果始终不会像用瓦特表测量输入功率一样准确。
测量一系列输入及输出值,确定损耗原因
电源效率与输入电压和输出负载有关。评估电源时,通常需要在几个不同的输入电压水平下测量效率,以便更好地判断出电路中的损耗究竟在何处。把得出的结果绘制在图表中,说明满载条件下效率与输入电压的关系。
低输入电压下效率下降,这通常是由于电路中的阻性元件产生的导通损耗造成的。这些损耗之所以会在低输入电压下增加,是因为需要较高的电流来维持相同的输出功率。而高输入电压下的效率下降,通常是由于开关损耗造成的。这些损耗来自寄生电容。在高输入电压下损耗增加,是因为寄生电容会在更高的电压下充放电。确定损耗原因并采取纠正措施后,将会得到以下曲线图。