开关电源转换效率的测量方法

    本文将向大家介绍测量开关电源转换效率的两种不同方法。第一种方法使用一个瓦特表和两个万用表；第二种方法介绍在没有瓦特表的情况下如何进行测量，但不够精确。

    所需设备

    1. 一个可程控交流电源供应器或一个自耦变压器

    2. 一个电子负载

    3. 一个瓦特表和两个数字万用表（其中最好有一个高精度数字万用表，用来测量电流）或者四个数字万用表（其中，一个为真有效值、高精度万用表，用来测量输入电流；一个为高精度万用表，用来测量输出电流）

    注释：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合适的量程内，这一点非常重要。

    直流输出功率仅等于电压与电流的乘积，只需两个万用表即可测量出大小。我们将用一个高精度万用表来测量输出到负载的电流，用一个标准万用表来测量电源的输出电压。由于交流系统中电压与电流之间存在相位角，因此不能简单地将RMS 输入电压与RMS 输入电流相乘来计算输入功率。只有电源消耗的有功功率（P）才是必须考虑的。而返回到电源的无功功率Q,则不应考虑进来。

    瓦特表的优点是可以准确测量输入功率，原因在于它能自动校正功率因数。如果没有瓦特表，则可使用两个万用表来测量输入电压和电流。但这种替代性方法与使用瓦特表相比，测量结果的准确性不高，并且还需要对待测电源进行断路。

    直接将电压表跨接到电路板输出端，并与电子负载连接。测量输出端电压时，会不计与负载相连的电缆上的压降。在有些应用中，比如手机充电器或笔记本电脑适配器中，必须计算电缆中的损耗，此时需要从负载测量输出电压。然后将高精度电流表与负载串联，测量输出电流。

    交流接通注意事项

    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。

    针对不同 SMPS控制方案的建议交流接通程序

    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装上电源后，首先应测量电源的浪涌电流。然后查阅万用表的数据手册，确认它是否能够在高输入电压下承载如此高的峰值电流。对于所有其它控制方案，接通方法将不会影响效率的测量，建议在检测时缓慢调高交流电压，以便限制浪涌电流。

    瓦特表方法

    将瓦特表连接到电源输入端，将显示屏设置为平均模式，以便获得较稳定的读数。接通交流输入电压，将它缓慢调高到所需的检测电压。将您电源的负载增加到满载。然后关断电源，将它重新快速装回，继续完成测量。在本演示中，电源输出端仪表的测量结果为4.97 伏和4.005 安。电子负载的电压读数为4.48 伏。这是由于输出电缆和万用表电压检测元件上出现了490 mV 的压降，从而突现了测量电源输出端电压的重要性。因此，输出功率 = 4.97 V 4.005 A = 19.90 瓦。瓦特表读数显示输入功率为25.76 瓦。因此，电源效率 = 19.90 瓦/25.76 瓦 = 77.3%.

    万用表方法

    使用万用表时，可以在二极管整流器级将交流电转换为直流电之后来测量输入功率，从而避开功率因数的影响。为提高测量准确性，必须将直流总线级之前的元件中的损耗计算在内。二极管整流桥通常是输入级中损耗最大的元件，因为在最差情况下每个二极管中的压降可达到0.9伏。对于阻抗或压降非常大且可测量的其它元件，使用这种方法也可以计算出其损耗大小。

    连接万用表

    断开整流桥与大容量电容C2 之间的直流总线。断开大容量电容后面的直流总线后，需要用万用表来测量电源的高频开关电流，而万用表无法对此进行准确测量。然后，焊接两条可用来连接万用表和电路的导线。连接一个真有效值、高精度万用表组，测量断路上的电流。使用另一个万用表组测量电压，将它分别连接到直流正极和大容量电容的负极。

    测试程序

    打开交流电源供应器，缓慢将电压调高到所需的检测电压。将电源的负载增加到满载。将输入电流表设置到最高电流量程。然后切断交流输入电压，重新快速装上电源。在本演示中，电源仍提供4.97 伏电压，4.008 安电流和19.92 瓦输出功率。在输入端，直流总线电压为151.6 伏，输入电流为0.166 安。输入功率计算如下：交流输入损耗

    现在，必须将整流桥的功率损耗计算在内：

    功率损耗估计值 = 最差情况下的二极管总压降 输入电流

    = 1.8 V 0.166 A

    = 0.299 W

    因此，总输入功率 = 25.1656 W + 0.299 W

    = 25.46 W

    采用这种测量方法，可计算得出电源效率：= 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。*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。

    导通损耗对效率的影响 开关损耗对效率的影响

    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。设计良好的电源的效率与输入电压的关系。

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