今天，我们将重点关注电源效率、待机功耗以及静态和动态输出调节测试的各个方面。我们的小组成员是：Bill Griffith (BG)，Keysight Technologies 电源产品营销部；Johnnie Hancock (JH)，Keysight Technologies 示波器产品经理；泰克电源产品和营销经理 Yogesh Pai (YP)。
JS：测量电源效率和待机功率有哪些挑战？
BG & JH：测量待机功耗的最大挑战之一是找到一种电流探头，其灵敏度足以测量微安范围内的低电平待机电流，同时还具有测量更高电平唤醒电流的动态范围。通过将 Keysight N2820A 高灵敏度交流/直流电流探头连接到 InfiniiVision 或 Infiniium 示波器，您可以监测一个通道上低电平待机电流的动态变化。同时，在示波器的另一个通道上观察唤醒电流和稳态电流的动态。下图显示了设计用于测量空闲和更高唤醒电流的双通道示波器探头。
设计用于捕获动态电流的双通道示波器探头。（图片：是德科技）
下面的屏幕图像显示了以 2 mA/div 缩放的通道 1（黄色轨迹）上的高灵敏度电流测量，同时还测量了以 20 mA/div 缩放的通道 2（绿色轨迹）上更大的电流唤醒尖峰分区 两个通道都需要捕获电流的动态范围，因为通道 2 捕获峰值电流，通道 1 捕获待机电流。
通道 2（绿色）捕获较高电流尖峰，通道 1（黄色）捕获低电流。（图片：是德科技)
YP：电源设计人员试图提高其设计的效率，同时在一定范围的输入和负载条件下保持指定的性能，同时还要遵守关于效率、待机功率、电流谐波和 EMC 的苛刻国际法规。泰克提供不同的解决方案和仪器来支持这些关键测量。
效率计算为特定负载条件下输出功率与交流输入功率的比率。这表示为百分比值。在常规电源转换器中，更大的挑战是由于封装在小尺寸内的高密度电子设备而无法访问探测点。对于较新的设计，多输出非常普遍，因为测量每个输出的效率和总系统效率变得更加重要。
另一个挑战是电源设计的拓扑结构以及不同应用使用何种负载。设计应该能够在负载条件变化的情况下保持稳定的效率，这需要良好的反馈电路设计。空载状态下的功耗测试一般称为待机功耗。所有电源都需要针对空载条件（待机功率）进行测试，并在效率标准（称为 IEC 62301）中公布的规定空载功率限制范围内。
在测试效率时，需要有源或无源负载来设置 DUT 的输出电流。由于电子负载的多功能性和可编程性，它们可以提供优于无源负载的显着优势。Keithley 2380 系列电子负载具有 0.05% 的读数精度、0.1mV/0.01mA 电压和电流分辨率，为 AC-DC 效率测试应用提供完美的解决方案。高精度保证了 AC-DC 电源上所有所需电压输出的准确加载。共有 3 种型号：200W、250W 和 750W，可在不同功率级别测试各种 AC-DC 电源。除了效率标准要求的恒流 (CC) 模式外，2380 系列电子负载还支持恒压 (CV)、恒阻 (CR)、和恒定功率 (CP) 模式来测试 DUT 上的各种负载配置。2380 系列电子负载通过使用“列表”模式使自动化效率测试变得容易，允许用户针对特定的开启和关闭时间使用各种负载电流对负载进行编程。
Keithley 2380 系列电子负载具有 0.05% 的读数精度、0.1mV/0.01mA 电压和用于 ac/dc 效率测试的电流分辨率。
对于三相电机和驱动器，测量电气效率的挑战在于范围内模拟通道数量的可用性，可用通道最多为 8 个。这意味着无法设置和测量需要 12 个通道的 3V3I 接线。另一种方式是2V2I接线方式。这将使用线到线电压探测和两瓦表法，非常适合测量驱动器输入/输出效率，因为这需要八个模拟输入通道。
电源的效率、待机功率和所有其他与电源相关的关键测量，需要复杂和准确的仪器来确保电源符合其规格
总之，电源设计人员始终面临着提高效率和降低待机功率要求的挑战。功率转换器的效率随着执行的功率测量的准确性而增加。否则，如果小功率损耗是由于高效转换中的功率损耗，或者是测量误差引起的，将无法测量。
JS：Titanium 级别的效率和 10% 负载下的效率测量有多重要？
YP： Titanium 级别的效率与实现电源设计的最高效率有关。目前有很多关于宽带隙材料如何实现钛级效率的工作和研究，包括 GaN MOSFET 的实验。
达到钛级非常重要，因为这有助于设计尺寸更小的电源，因此我们可以获得更紧凑的设计、更快的排序时间（例如开启时间和关闭时间）以及非常小的散热器。所有这些因素都有助于降低整体系统成本和更多的电子产品。
BG & JH： 80+ 认证有助于数据中心降低成本，因为他们为低效付出了两倍的代价。低效电源将能量转化为热量，这需要额外的能量来保持数据中心凉爽。典型的钛金级电源具有更复杂的设计，以确保在广泛的功率级别范围内的效率。
对于大多数应用，最大的效率来自于选择合适尺寸的电源。使用合适尺寸的电源可以减少过多的热量并降低噪音，因为他们使用较小的风扇。多输出电源可以为您的设备供电并确定每个电压轨的最大功率。最后，请记住获取电源样本，因为它们的调节可能会根据电流消耗而变化，并且因设备而异。下图显示转换器的输出电压根据电流下降两伏。其他电源设计可能具有更好的调节，但您需要做出权衡。图 3 中的图表是使用 Keysight EL30000 系列台式电子负载制作的，使用输入 LIST 可以简化在多个电流水平下测试一批转换器的过程。
AC/DC转换器的输出电压随电流变化。（图片：是德科技）
JS：遥感或“自适应/快速充电”如何影响电源效率？
BG & JH：自适应电源可以在多种工作电压下保持高效。最重要的优势之一是布线。USB 电缆使用具有高电阻的细线并将电流转化为热量。使用更高的电压可以减少电线中对更高电流的需求。3000 mAh (3 Ah) 电池在新手机中并不少见。更高的电压是必要的，因为电缆根本无法处理高充电电流。
YP：快速充电会大大缩短电池的使用寿命。系统的每分钟充电效率可能无法处理高速充电，因为它取决于所用电池的类型。快速充电是由于产生低热量的低内阻而发生的，因此可以获得更高的热效率。它还取决于用户执行的不同充电模式。
当电池使用快速充电器充电时，它在 75% 的充电水平后压力最大。这是当电池吸收高压电流的效率不如电池从零充电到 50% 时。锂离子电池在初始阶段有效吸收电荷，并在 70-80% 的电荷水平后开始下降。
大多数电池通常使用放电和充电循环进行测试。电池的放电特性提供了电池容量和寿命的重要指标。在生产测试中，通常会运行放电/充电循环以验证电池质量并确保其不会短路。像 Keithley 的 2460 和 2461 大电流图形源测量单元 (SMU) 这样的仪器消除了对单独的可编程电源、电子负载、电压表和电流表的需要。由于 SMU 可以提供和测量电流和电压，因此循环测试只需要一台仪器，从而减少了所需的机架空间并最大程度地缩短了编程时间。SMU 还可用于为产品中使用的电池创建模型。
Keithley 2281S 电池模拟器使用户能够测量电池寿命以及 DUT 在电池放电不同阶段的性能。2281S 可以轻松模拟所需的任何类型的电池，因此可以在任何电池状态下以高重复性高效地测试原型设备，并有效地估计电池寿命。
Keithley 2281S 电池模拟器。（图片：泰克）
JS：影响静态和动态输出调节测试的因素有哪些？
BG & JH：大多数物联网设备使用较小的空闲电流和较大的活动状态电流来动态拉动电流以提高效率。Keysight 的新型 EL30000 系列台式直流电子负载包括一个 LIST 模式，可以应用动态负载来模拟 IoT 设备。动态负载可以表征充电器和电池。最好将电池化学成分与应用相匹配。例如，含镁的锂离子电池（LMO、NMC）往往具有较低的内阻并能承受电动工具中常见的较高突发电流。
YP：有许多不同种类和尺寸的电源，从传统的线性类型到高效开关模式电源。所有人都面临着复杂、动态的运营环境。设备负载和需求可以从一个瞬间到下一个瞬间发生巨大变化。
稳压器必须保证其输出、电压或电流满足某些静态和动态要求，这些要求可能会根据应用类型而改变。需要不同的测试来测量提供电压或电流调节的电源板的整体静态和动态性能。
动态调节条件是电源在受到重大干扰后恢复到稳定运行状态的能力。对于静态调节部分，它可以在小的扰动后恢复到稳定状态，因为监控这两个参数很重要。动态负载变化可以使输出电容快速放电，导致输出电压超出静态调节范围。即使负载消耗的电流在电源的额定电流范围内，输出电压也可能会有一些下降。这种压降由电压反馈分压器检测到，这反过来会导致通过电源反馈电路的电压环路增加输出电压，并将其恢复到静态电压调节规格范围内的水平。
这些是在设计调节期间可能产生影响的一些因素。设计人员可以使用示波器观察连接负载的开启时间和关闭时间，以及由负载和线路变化引起的输出过冲和下冲浪涌；这些在负载瞬态测试中很常见。
接下来，我们将重点关注功率因数校正、漏电流和电磁合规性保证测试。JS：测量功率因数时常犯的错误有哪些？
YP：当电源设计人员对输入分析进行电能质量和谐波测量时，最重要的参数之一是功率因数，通常称为 PF。功率因数是有功功率与视在功率之比，其中视在功率是均方根电压和电流的乘积。查看功率因数的另一种方法是电压和电流之间相位差的余弦。PF 低的耗能设备比 PF 高的设备消耗的电流大。功率分析需要电压和电流信号。同样重要的是要注意，非常小的时间差异会导致测量中的重大错误。
适当的垂直动态范围在测量中也很重要。泰克的 MSO 5/6 系列示波器在 HiRes 模式下提供高达 15 位的 ADC 分辨率，减少了测量误差。另一个常见的错误来源是电压和电流探测期间的直流偏移。用户需要在进行测量之前补偿所有这些误差。
泰克的 MSO 5/6 系列示波器在 HiRes 模式下提供高达 15 位的 ADC 分辨率。（图片：泰克）
总之，工程师尝试设计具有高 PF 的电路板，然后测量功率因数和谐波含量以验证其设计。这意味着他们无法承受在验证过程中出现测量误差。
BG & JH：下图显示了从开关电源汲取的电压和电流。电流的高峰值导致高波峰因数，使其成为难以测量的复杂波形。是德科技的交流电源可同时对电压和电流进行数字化。计算确定有功功率、视在功率和功率因数。
为开关电源供电的电压和电流，蓝色测量使用 CWA。（图片：是德科技）
PA2201A 等专用交流电源分析仪通过连续波形分析 (CWA) 和数字滤波提供更高的精度。该分析仪实时显示电压、电流和功率波形，使用户能够看到滤波器的效果以及使用 CWA 在多个周期内测量的一致测量结果。功率分析仪还提供谐波分析，可进一步深入了解复杂波形。
准确检测电流也具有挑战性，因为分流器和变压器会导致额外的负载误差。零通量传感器可以在几乎没有或没有干扰的情况下表征通过电线的电流。
JS：漏电流测试什么时候重要，挑战是什么？
BG & JH：当电池供电的设备关闭时，小电流会耗尽电池，导致客户不满。电池寿命和便利性（例如即时启动和始终连接）之间的权衡通常很棘手。消费者可以根据自己的需要配置更复杂的设备。创建角色和测试不同的使用模型并了解当前的使用情况会很有帮助。一次性设备可以很简单并且可以长时间运行。轮胎中的 TPMS 传感器可以使用长达十年。带有内置数据记录器的电源可以测量一段时间内的电流使用情况。
YP：泄漏电流可以作为电源设计中导体绝缘有效性的指标。在使用带滤波器的电子设备的电路中可能存在高水平的泄漏电流，并可能导致电压干扰设备的正常运行。这个问题在电源中很常见。挑战在于找到泄漏源，这需要专门的仪器和设置来执行此操作。通过使用低电流泄漏电流钳进行有条不紊的测量，可以定位泄漏电流源。
JS：哪些因素决定了何时应在内部完成 EMC 合规性以及何时应由外部实验室执行？
BG & JH：注册实验室完全符合 EMC 标准既费时又费钱。预一致性测试降低了项目进度和预算的风险。对于交流到直流转换器，排放测试比敏感性测试更复杂。关于发射测试，辐射发射比传导测试（扼流圈）更难解决，通常可以处理传导发射。必须对排放进行预合规测试。等到项目的最后一刻才进行 EMI 测试是延迟引入的一个秘诀。是德科技使用 X 系列频谱分析仪和 N6141C EMI 测量应用软件进行预一致性测试。预一致性测试可以更早发现问题并提供最具成本效益的解决方案。是德科技提供免费的列出各种标准以及测试方法的应用说明。是德科技还在多个地点提供 EMC 测试服务。
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