克服待机电源预一致性测试挑战

世界各地的监管机构已经开始注意到插入墙壁插座的电子产品待机功率缓慢的问题。国际电工委员会 (IEC) 等委员会已采取积极措施发布标准，例如 IEC62301，指定家用电器的待机功率限制。类似的标准或其衍生品在世界各地实施。

传统上，对此类标准的合规性测试是在设计周期结束时进行的，但如果设计未能通过合规性测试，情况就会迅速改变——电路板轮换和重新测试会变得既昂贵又耗时。避免此类情况表明需要在设计周期的早期进行预一致性测试。

待机功率测量挑战

查看随时间记录的电源输入侧低待机功率的示例（图 1），可以立即看出功率非常失真、峰值和不规则。它也非常低。例如，如果您在欧洲使用 230 V 输入测量 10 mW 的待机功率，您的电流可能低至 40 µA。对于 5 mW，电流低至 20 µA。

图 1：低待机功率测量通常是尖峰且不规则的。

低电流会导致许多问题。波形高度失真，因为在低负载下运行的电源通常会消耗非正弦波、峰值因数非常高的电流。功率因数很低，因为电流可能主要是通过电源的 EMC 滤波器的容性电流。如果电源处于突发或打嗝模式以最小化输入功率，则功率消耗也可能是不规则的。

在测量待机功率时，波峰因数（即峰值除以 rms 值）通常非常高。要了解原因，请考虑典型 AC-DC 电源转换器的前端（图 2）。在大多数情况下，输入整流器后接一个旁路电容器，旨在消除输入电压纹波并为下一个转换级提供相当稳定的直流电。只有当旁路电容电压低于输入交流电压峰值时，输入电流才会流动。流入电路的电流量和时间取决于电容器值和总负载电流。这会导致输入侧出现窄而尖的电流。PFC 电路可以设计为在满载时减轻这种影响，但不幸的是，大多数 PFC 电路在空载时不活跃。

图 2：在典型 AC-DC 电源转换器的前端阶段，电容器在确定波峰因数方面起着关键作用。

在处理此类信号时，另一个需要牢记的重要问题是功率因数。传统上，功率因数定义为：PF = cos Φ，其中 Φ 是峰值电压和电流之间的角度差。在这种情况下，非正弦电流与电压一致，但 VA（电压电流乘积或视在功率）远高于实际有功功率或实际功率。这意味着，出于所有实际目的，功率因数应定义为：

PF =有功功率（W）                视在功率（VA）

IEC 62301 测试

最新的待机电源 IEC 62301 第 2 版标准认识到测试待机电源所涉及的挑战，将其考虑在内并推荐测试方法。

大多数实验室的墙壁插座电压质量可能不是很好，并且在大多数情况下，由于电压谐波含量或超出限制的波峰因数，可能导致 IEC 备用电源测试失败。因此，强烈建议使用具有规定容差的交流电源，即使是用于预一致性测试。电压源的电压和频率输出应在 1% 以内，总谐波含量应低于 2%，直至 13 次。电压峰值因数​​应在 1.34 和 1.49 之间。

测量不确定性基于要测量的功率水平以及波形的失真和相移。为了同时考虑失真和相移，IEC 62301 将最大电流比或 MCR 定义为：

MCR =   波峰因数                  功率因数

使用标准中提供的流程图确定所需的不确定性水平。这定义了测量设备所需的最低精度和噪声水平。功率分析仪所需的精度在 1 mW 时约为 2%，在 0.5 W 时约为 4%。一些标准（如能源之星）要求更高，在 0.5 W 时要求精度为 2%。这意味着您的功率分析仪应该最小瓦特精度为 2% 或更高，分辨率为 10 mW 或更高。应该注意的是，由于存在如此多的可变性，因此需要在测试运行时实时计算不确定性，然后将其包含在报告中。

直接抄表和平均抄表测试方法实际上都已过时，最新规范要求采用抽样测试方法。测量的稳定性是通过所有功率测量的最小二乘线性回归确定的。当直线回归的斜率小于 10 mW/h（输入功率 ≤ 1 W）或小于功率的 1%（如果功率大于 1 W）时，则建立稳定性。

测试设置对于低功率测量至关重要。在使用功率分析仪的典型设置中（图 3），分线盒通过提供两个端子来在电源侧和负载侧之间切换，有助于实现安全和轻松的连接。

图 3：在这个使用 Tektronix PA1000 或 PA3000 功率分析仪的 IEC 62301 测试设置中，使用分线盒非常有益且安全！

有两种方法可以连接电压和电流通道以测量功率。一种方法是负载上的电压测量值比电流更准确，另一种方法是负载上的电流比电压更准确。连接选择取决于负载电流是否非常低，或者电压通道阻抗上的功率消耗是否将是测量的总功率的重要部分。通过将电流测量移至负载侧，流过电压通道的电流将被忽略（图 4，右）。

图 4：正确连接对于低功率测量至关重要。

另一方面，如果负载电流较高，则物理分流器上消耗的功率可能高到足以在功率读数中产生错误。为防止这种情况发生，功率分析仪电流分流器被设置为通过将其移向源侧（图 4，左）来忽略其上的压降。在使用泰克 PA1000 或 PA3000 功率分析仪进行测试设置的情况下（图 3），电压通道上的阻抗为 1 MΩ，1-A 分流器上的阻抗为 600 mΩ。尽管这些值可能因不同的功率测量设备而异，但大多数都非常相似。

考虑到阻抗值，当从 230 V 供电时，电压表通道的压降为 53 mW。在测量数百瓦的功率时，这不是一个重要的数字，但当功率低至 30 mW 时，这可以导致非常严重的错误。

同样，100 uA 电流的分流器上的功耗仅为 60 uW。但在 1A 电流下，压降可高达 600 mW。这种跨测量通道的下降会显着影响读数并产生错误的结果。因此，在进行连接时应小心谨慎，尤其是在测量非常低的功率值时。同样，分线盒通过提供两个不同的端子来在电源侧和负载侧之间进行切换来提供帮助。  

审核编辑：汤梓红