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電源效率的定義：

 

 

Pout是輸出功率：

 

Pout = Vo X Io

 

Pin是輸入功率：

 

Pin = Vin X Iin

 

這里Iin是電源的平均輸入電流或者直流電流。

 

理想狀態(tài)下：η=1，即完美的，轉(zhuǎn)換效率是100%，但是現(xiàn)實(shí)往往距離理想很遠(yuǎn)。

 

損耗的能量，都去哪里了？——熱！

 

我們會(huì)越來(lái)越關(guān)注電源的效率：

 

1、很多設(shè)備，都是電池供電，提高效率有效提升待機(jī)時(shí)間：手機(jī)、對(duì)講機(jī)、特斯拉汽車(chē)。

 

2、大功率設(shè)備，例如：服務(wù)器、顯卡，有效節(jié)能會(huì)給運(yùn)營(yíng)者帶來(lái)極大的成本優(yōu)化。

 

3、效率低下的電源，帶來(lái)很高的溫升。在高溫的環(huán)境下，會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。按照一般經(jīng)驗(yàn)10℃的溫升，會(huì)增加失效率加倍。

 

對(duì)于電源工程師來(lái)說(shuō)：提高電源效率，降低電源溫升，是重要工作之一。所以我們要準(zhǔn)確測(cè)試我們?cè)O(shè)計(jì)的電源的效率，來(lái)評(píng)估我們的電源設(shè)計(jì)的水平。

 

由于二次電源相對(duì)一次電源比較簡(jiǎn)單，所以我們這里描述一次電源的測(cè)量方法。二次電源參考一次電源，或者選擇四個(gè)萬(wàn)用表的方法，都可以進(jìn)行測(cè)量。

 

一次電源的測(cè)試方法：

 

        直流輸出功率僅等于電壓與電流的乘積，只需兩個(gè)萬(wàn)用表即可測(cè)量出大小。我們將用一個(gè)高精度 萬(wàn)用表來(lái)測(cè)量輸出到負(fù)載的電流，用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)萬(wàn)用表來(lái)測(cè)量電源的輸出電壓。由于交流系統(tǒng)中電壓與電流之間存在相位角，因此不能簡(jiǎn)單地將 RMS 輸入電壓與 RMS 輸入電流 相乘來(lái)計(jì)算輸入功率。只有電源消耗的有功功率(P)才是必須考慮的。而返回到電源的無(wú)功功率 Q 則不應(yīng)考慮進(jìn)來(lái)。

 

 

瓦特表的優(yōu)點(diǎn)是可以準(zhǔn)確測(cè)量輸入功率，原因在于它能自動(dòng)校正功率因數(shù)。如果沒(méi)有瓦特表，則 可使用兩個(gè)萬(wàn)用表來(lái)測(cè)量輸入電壓和電流。但這種替代性方法與使用瓦特表相比，測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性不高。

 

關(guān)于瓦特表（功率表）

 

     功率表，英文名稱(chēng)為wattmeter，也被稱(chēng)為瓦特表，它是一種用來(lái)測(cè)量有功功率值的儀表，電功率包括有功功率、無(wú)功功率和視在功率。主要應(yīng)用與電力、電測(cè)與計(jì)量等領(lǐng)域。若按功率計(jì)在測(cè)試系統(tǒng)中的連接方式進(jìn)行分類(lèi)的話(huà)，有終端式和通過(guò)式兩種。

 

 

功率表原理及構(gòu)成

 

　　功率表主要由功率傳感器和功率指示器兩部分組成。功率傳感器也稱(chēng)功率計(jì)探頭，它把高頻電信號(hào)通過(guò)能量轉(zhuǎn)換為可以直接檢測(cè)的電信號(hào)。功率指示器包括信號(hào)放大、變換和顯示器。顯示器直接顯示功率值。功率傳感器和功率指示器之間用電纜連接。為了適應(yīng)不同頻率、不同功率電平和不同傳輸線結(jié)構(gòu)的需要，一臺(tái)功率計(jì)要配若干個(gè)不同功能的功率表探頭。

 

功率表原理

　　通過(guò)式功率表：它是利用某種耦合裝置，如定向耦合器、耦合環(huán)、探針等從傳輸?shù)墓β手邪匆欢ǖ谋壤詈铣鲆徊糠止β?，送入功率?jì)度量，傳輸?shù)目偣β实扔诠β时碇甘局党艘员壤禂?shù)。

 

　　測(cè)熱電阻型功率表：它主要是使用熱變電阻做功率傳感元件，熱變電阻值的溫度系數(shù)較大。被測(cè)信號(hào)的功率被熱變電阻吸收后產(chǎn)生熱量，使其自身溫度升高，電阻值發(fā)生顯著變化，利用電阻電橋測(cè)量電阻值的變化，顯示功率值。

 

　　量熱式功率計(jì)典型的熱效應(yīng)功率表：這類(lèi)功率表主要是利用隔熱負(fù)載吸收高頻信號(hào)功率，使負(fù)載的溫度升高，再利用熱電偶元件測(cè)量負(fù)載的溫度變化量，根據(jù)產(chǎn)生的熱量計(jì)算高頻功率值。

 

功率測(cè)試需要設(shè)備：

 

1.  一個(gè)可程控交流電源供應(yīng)器或一個(gè)自耦變壓器

 

2.  一個(gè)電子負(fù)載

 

3.  一個(gè)瓦特表和兩個(gè)數(shù)字萬(wàn)用表（其中最好有一個(gè)高精度數(shù)字萬(wàn)用表，用來(lái)測(cè)量電流）或者四個(gè)數(shù)字萬(wàn)用表（其中，一個(gè)為真有效值、高精度萬(wàn)用表，用來(lái)測(cè)量輸入電流；一個(gè)為高精度萬(wàn)用表，用來(lái)測(cè)量輸出電流）

 

注釋?zhuān)涸谑褂萌f(wàn)用表時(shí)，您需要根據(jù)要測(cè)量的電壓和電流值將萬(wàn)用表設(shè)置在合適的量程內(nèi)，這一點(diǎn)非常重要。

 

 

連接輸出萬(wàn)用表

 

直接將電壓表跨接到電路板輸出端，并與電子負(fù)載連接。測(cè)量輸出端電壓時(shí)，會(huì)不計(jì)與負(fù)載相連的電纜上的壓降。在有些應(yīng)用中，比如手機(jī)充電器或筆記本電腦適配器中，必須計(jì)算電纜中的損耗，此時(shí)需要從負(fù)載測(cè)量輸出電壓。然后將高精度電流表與負(fù)載串聯(lián)，測(cè)量輸出電流。

 

交流接通注意事項(xiàng)

 

如果使用的器件采用開(kāi)/關(guān)控制方案，在檢測(cè)輸入電壓下快速裝上電源，使輸出達(dá)到滿(mǎn)載，這時(shí)就可以測(cè)量出最差情況下的效率。不過(guò)，在大容量電容充電時(shí)，裝上電源會(huì)產(chǎn)生非常大的浪涌電流。如果輸入電流表設(shè)置為低量程，這會(huì)導(dǎo)致其中的保險(xiǎn)絲熔斷。

 

如果采用四個(gè)萬(wàn)用表的方法，在低輸入電壓和最高負(fù)載下快速裝上電源后，首先應(yīng)測(cè)量電源的浪涌電流。然后查閱萬(wàn)用表的數(shù)據(jù)手冊(cè)，確認(rèn)它是否能夠在高輸入電壓下承載如此高的峰值電流。

 

使用瓦特表的測(cè)量方法

 

 

1）調(diào)節(jié)輸入電壓為額定電壓，輸出負(fù)載為半載和滿(mǎn)載，記錄功率計(jì)顯示的輸入功率Pi；

 

2）記錄電壓表示數(shù)UO和電流表示數(shù)IO；

 

3）在輸入端用萬(wàn)用表交流電壓檔測(cè)得輸入電壓Vi ，用交流電流檔測(cè)得輸入電流ii；

 

4）按下式計(jì)算效率和功率因數(shù)：

 

效率＝直流輸出功率/交流輸入有功功率

 

 ＝[(U0×I0)/Pi]×100％

 

 功率因數(shù)＝輸入有功功率/輸入視在功率

 

 ＝ Pi /（Vi×ii）

 

 UO…輸出電壓值（V〕   

 

  IO…額定負(fù)載電流和半載電流（A）

 

Pi …整流設(shè)備交流輸入功率（W）

 

 Vi …交流輸入電壓 (V)

 

  ii …   交流輸入電流  (A)

 

5. 判定標(biāo)準(zhǔn)：

 

額定輸入額定輸出情況下，一次電源的輸出效率和功率因數(shù)應(yīng)符合其標(biāo)稱(chēng)值。

 

6. 注意事項(xiàng)：

 

若為多路輸出，應(yīng)按以下公式進(jìn)行效率計(jì)算：若為多路輸出，應(yīng)按以下公式進(jìn)行效率計(jì)算：

 

 效率＝直流輸出功率/交流輸入有功功率

 

＝{（UO1×IO1＋UO2×IO2 ＋……＋UON×ION〕/ Pi}×100％

 

7、測(cè)試時(shí)注意電壓輸出的實(shí)際值：

 

電源輸出端儀表的測(cè)量結(jié)果為 4.97 伏和 4.005安。電子負(fù)載的電壓讀數(shù)為 4.48 伏。這是由于輸出電纜和萬(wàn)用表電壓檢測(cè)元件上出現(xiàn)了 490 mV 的壓降，從而突現(xiàn)了測(cè)量電源輸出端電壓的重要性。

 

因此，輸出功率 = 4.97 V x 4.005 A = 19.90 瓦。瓦特表讀數(shù)顯示輸入功率為 25.76瓦。因此，電源效率 = 19.90 瓦/25.76 瓦 = 77.3%。

 

萬(wàn)用表方法(在沒(méi)有瓦特表的情況下，選擇)

 

使用萬(wàn)用表時(shí)，可以在二極管整流器級(jí)將交流電轉(zhuǎn)換為直流電之后來(lái)測(cè)量輸入功率，從而避開(kāi)功率因數(shù)的影響。為提高測(cè)量準(zhǔn)確性，必須將直流總線級(jí)之前的元件中的損耗計(jì)算在內(nèi)。

 

二極管整流橋通常是輸入級(jí)中損耗最大的元件，因?yàn)樵谧畈钋闆r下每個(gè)二極管中的壓降可達(dá)到 0.9伏。對(duì)于阻抗或壓降非常大且可測(cè)量的其它元件，使用這種方法也可以計(jì)算出其損耗大小。

 

 

連接萬(wàn)用表(測(cè)試輸入電流的有效值)

 

斷開(kāi)整流橋與大容量電容 C2 之間的直流總線。斷開(kāi)大容量電容后面的直流總線后，需要用萬(wàn)用表來(lái)測(cè)量電源的高頻開(kāi)關(guān)電流，而萬(wàn)用表無(wú)法對(duì)此進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。

 

然后，焊接兩條可用來(lái)連接萬(wàn)用表和電路的導(dǎo)線。連接一個(gè)真有效值、高精度萬(wàn)用表組，測(cè)量斷路上的電流。使用另一個(gè)萬(wàn)用表組測(cè)量電壓，將它分別連接到直流正極和大容量電容的負(fù)極。

 

用萬(wàn)用表測(cè)量時(shí)，輸出功率測(cè)試方法沒(méi)有變化：電源仍提供 4.97 伏電壓，4.008 安電流和 19.92 瓦輸出功率。

 

在輸入端，直流總線電壓為151.6 伏，輸入電流為 0.166 安。輸入功率計(jì)算如下：

 

Vin  X  Iin = 151.6 0.166 = 25.1656 W

 

現(xiàn)在，必須將整流橋的功率損耗計(jì)算在內(nèi)：

 

功率損耗估計(jì)值  = 最差情況下的二極管總壓降 輸入電流

 

                           = 1.8V X 0.166 A

 

                           = 0.299 W

 

因此，總輸入功率 = 25.1656 W + 0.299 W= 25.46 W

 

采用這種測(cè)量方法，可計(jì)算得出電源效率：

 

19.92 W/25.46 W= 78.2%

 

與使用瓦特表測(cè)量計(jì)算得出的 77.3%相比，我們可以看出，用四個(gè)萬(wàn)用表進(jìn)行測(cè)量，最后的誤差為 0.9%。

 

提高準(zhǔn)確度

 

我們可以通過(guò)調(diào)整輸入功率來(lái)提高這種測(cè)量方法的準(zhǔn)確度，在計(jì)算時(shí)，除二極管整流橋的損耗外，還應(yīng)將其他輸入級(jí)元件，如浪涌限制器、共模扼流圈和數(shù)字萬(wàn)用表的電流檢測(cè)元件的損耗包括在內(nèi)。要計(jì)算這些損耗，需要測(cè)量各元件在正常工作情況下的壓降，然后用該壓降值乘以測(cè)得的輸入電流。將這些損耗計(jì)算在內(nèi)，將會(huì)增大總輸入功率并降低計(jì)算得出的效率。不過(guò)，用這種方法測(cè)得的結(jié)果始終不會(huì)像用瓦特表測(cè)量輸入功率一樣準(zhǔn)確。

 

測(cè)量一系列輸入及輸出值，確定損耗原因

 

電源效率與輸入電壓和輸出負(fù)載有關(guān)。評(píng)估電源時(shí)，通常需要在幾個(gè)不同的輸入電壓水平下測(cè)量效率，以便更好地判斷出電路中的損耗究竟在何處。把得出的結(jié)果繪制在圖表中，說(shuō)明滿(mǎn)載條件下效率與輸入電壓的關(guān)系。

 

 

低輸入電壓下效率下降，這通常是由于電路中的阻性元件產(chǎn)生的導(dǎo)通損耗造成的。這些損耗之所以會(huì)在低輸入電壓下增加，是因?yàn)樾枰^高的電流來(lái)維持相同的輸出功率。而高輸入電壓下的效率下降，通常是由于開(kāi)關(guān)損耗造成的。這些損耗來(lái)自寄生電容。在高輸入電壓下?lián)p耗增加，是因?yàn)榧纳娙輹?huì)在更高的電壓下充放電。確定損耗原因并采取糾正措施后，將會(huì)得到以下曲線圖。