电源提示：控制测量电源效率的误差

在电源中进行出色的效率测量需要许多因素，但我们这里主要关注温度稳定性。其他问题包括测量和分流器的质量和校准。由于效率需要两次电压和两次电流测量，因此使用的电压和电流表的误差可能会叠加。借助最好的手持式仪表（每个约 400 美元）和勤奋的校准，这种“叠加”可以将总体误差限制在 1% 左右。使用更高质量的台式仪器和经过良好校准的分流器，该误差可以减少到 0.1% 左右。

铜和硅的电阻率每 25 ° C 增加约 10%。传导损耗与电阻率成正比，占大多数电源总损耗的一半以上。如果您可以在材料加热之前进行测量，您可以获得更好的效率读数。但是好到什么程度呢？

图 1： CSD86350Q5D中的标准化功率损耗与温度的关系

图 1 显示了CSD86350Q5D中损耗与温度的关系图，该功率级类似于我在下面测试的电源中使用的功率级。每升高 25 ° C，损失增加约 5-6%。对于具有组合 DC、AC 和磁芯损耗的电感器，存在类似的损耗与温度关系。对于效率约为 90% 的电源，这 5-6% 的损耗增加对应于效率降低约 0.5%。

我们的电源设计服务团队拥有一个自动电源效率测试仪，该测试仪使用一个可编程电源、一个可编程负载、四个高精度仪表 (Agilent 34401A)、两个校准分流器和一个 LabVIEW 程序来步进电源负载并收集数据。我担心的一个问题是，在电源有机会稳定在给定负载之前收集数据，从而给出错误的效率读数。我决定对设置进行一些测试，并改变顺序和延迟，看看实际引入了多少错误。

我在 6 英寸 x 6 英寸板上使用了对流冷却（无风扇）12V 至 1.2V TIDA-00324设计，在 90A 时具有 50 ° C 的稳态最大温升，以用作接近“最坏情况” ” 的情况，因此过早的读数会导致错误的更高效率。这是因为较大的电路板比较小的电路板具有更大的热时间常数，并且对流冷却电源比强制风冷电源需要更长的时间来稳定。此外，最终温升越大，稳定所需的时间越长，出错的可能性也越大。在额定满载时上升超过 50 ° C 的设计通常被认为是不可靠的。

我最初进行了三个运行。第一个是电源在满负载下运行直到稳定，数据以 5A 的增量从满载的 90A 逐步下降到空载，读数之间的间隔为 96 秒。这个测试在稳定后需要30分钟，是最“保守”的方法；有错误（如果有）是效率读数太低。

第二次运行是我们设置的典型运行，其中冷电源在空载时启动，并以 5A 的增量逐步加载至 90A。读数之间的唯一延迟是程序的测量延迟，每个读数大约需要 6 秒。这种延迟，加上获得大量读数的愿望，将真正显着减少错误。

第三次运行是为了最大限度地提高“作弊”或在满负载时测量效率，其中冷电源在满负载时启动（我进行了初始读数），然后以 5A 的增量降低负载。

这是结果。稍后我将讨论图 2 中引用的“10 分钟规则”图。

图 2： PMP10393中的效率与负载，无风扇，四种测量方法

正如预期的那样，最大负载时的错误最大，典型情况下效率报告高 0.3%，而我试图“作弊”最多的情况下效率报告高 0.6%。当达到稳定状态和获得 0.6% 的高效率读数时，我还拍摄了电路板的热图像。

大约有29 ° C的差异。稳态效率降低 0.6% 对应于损耗增加 7.3%。这与每 25 ° C损失增加 5-6% 一致。

典型测量方法中的 0.3% 误差必须与测量中的其他可能误差进行比较。如果仪表是手持式的并且会导致大约 1% 的总体误差，那么这 0.3% 不是主要问题。然而，与高档台式仪器的 0.1% 误差相比，这 0.3% 绝对是显着的。

大约需要 20 分钟才能完全稳定，然后慢慢降低负载将给出最可靠的测量结果。我观察到，如果电源在满负载下稳定运行 4-5 分钟，效率读数将在 0.1% 以内最终 90.12% 的值。在线性加速到满负载期间，平均负载大约是满负载的二分之一，我推断通过在这 5 分钟内将加速扩展两次，总共 10 分钟，将产生大致相同的精度。

然后我回到了典型设置，其中冷电源在空载时启动，并以 5A 的增量逐步加载到 90A，但每次读数增加了 25 秒的测量延迟，以便在 10 分钟后获得完整的 90A 负载。在 10 分钟后均匀分布测量以达到满负荷，这就是我所说的“10 分钟规则” 图 2 中的 10 分钟规则图就是这种方法的结果。最大误差小于 0.14%，小于单个 Fluke 87V 仪表电流测量的校准误差。

使用风扇，我将最大负载增加到 120A，以在满负载的稳定状态下获得相同的 50 ° C 上升。在这里，我能够实施“5 分钟规则”，在 5 分钟而不是 10 分钟内以 5A 的增量从空载上升到 120A 满载。5 分钟结束时 120A 效率读数的误差为 0.13%（88.34% 与 88.21% 的稳态效率）。因此，强制通风应用中的 5 分钟规则将产生与没有风扇应用中的 10 分钟规则相似的精度。

因为我在 6 英寸 x 6 英寸板上进行了测试，稳态下最大满载温升为 50 ° C，所以我希望具有较小板和较低最大温升的设计具有较小的误差，使用相同的无风扇应用的 10 分钟规则和强制通风应用的 5 分钟规则。

总之，在自动效率测试仪设置上运行电源，因为它们通常在负载从零逐渐增加到满负载的情况下运行，但会增加延迟，以在风扇冷却电源的情况下进行 5 分钟的总体测试，在 10 分钟的情况下进行测试在没有风扇的情况下，由于温度稳定，误差将减少到 0.1% 或更低。