简要介绍电源效率测试
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效率是电源测试中十分常见的测试项,高效的电源表现是众多厂家一直追求的目标。在芯片的规格书中,一般会提供几种常见输入输出应用下的效率曲线。当我们实际的应用范围与规格书上不同,或者在demo板的基础上我们进行了其他改动时,就需要重新进行效率测试。本文就来讲一讲如何进行效率测试以及一些注意事项。
1. 电源效率的定义:
Pout为输出功率:
Pout = Vo * Io
Pin为输入功率:
Pin = Vin * Iin
这里Iin是电源的平均输入电流或者直流电流。
理想状态下:η=1,即完美的,转换效率是100%,但是现实往往距离理想很远。
损耗的能量,都去哪里了?——热!
我们会越来越关注电源的效率:
1、很多设备,都是电池供电,提高效率有效提升待机时间:手机、对讲机、特斯拉汽车。
2、大功率设备,例如:服务器、显卡,有效节能会给运营者带来极大的成本优化。
3、效率低下的电源,带来很高的温升。在高温的环境下,会影响整个系统的可靠性。按照一般经验10℃的温升,会增加失效率加倍。
对于电源工程师来说:提高电源效率,降低电源温升,是重要工作之一。所以我们要准确测试我们设计的电源的效率,来评估我们的电源设计的水平。
2. 四表法
最常见的效率测量方式是四表法,即用四个万用表来测得以上四个参数。常见的万用表都是同时具有电流档和电压档的。
连接示意图如下:
tips:
使用电流档时,需将万用表串联在电路中,注意电流流向;使用电压档时,则是并联,注意正负极。
使用电流档时,一开始要用安培档,若是显示位数不够精确时,再更换至毫安档进行测试。用毫安档进行测试的情况下,调高负载电流时,要注意是否超过毫安档量程(一般在400mA)。若是不小心超过量程,会导致万用表内保险丝烧毁,更换保险丝后,才能继续使用毫安档进行测试。
两个电压表都接在板端,且连接线尽量短。不要接在电源端和负载端去读取数据,这样会较多地计入连接线上的产生的损耗,影响测试结果。
若想用电子负载直接读取输出部分的数据,可以用圆环连接线,圆环端直接焊在demo板上,另一端连接至电子负载。这样测试产生的损耗比直接用夹子连接产生的少。但一般还是会比用万用表测得的效率低些。
若是遇到超过万用表量程的情况,可以用电子负载读数,也可以用量程范围较大的功率计直接测量输出功率。
3. 测试步骤
以简单的BUCK电路为例,效率测试的步骤大致如下:
(1 确定需要测试的条件:输入输出电压以及输出电流。在轻载电流部分,需要多取几个点;重载部分,取点间隔可以稍大。例如,Iout=0-6A,测试点可取:0A, 0.1A, 0.3A, 0.5A, 0.8A, 1A, 1.5A, 2A, 2.5A, 3A, 3.5A, 4A, 4.5A, 5A, 5.5A, 6A。
(2 确认测试板在测试条件下工作正常,输入输出电压正确,观察SW波形,在轻载和重载时SW波形都正常,无啸叫和异常发热。
(3 断电,按照上述示意图,将四个万用表接入电路,电流表置于安培档位。连接完成后,重新上电。
(4 上电后,即可按照测试条件,慢慢调整负载电流,需要等万用表上数值稳定后,再记录测试数据。输入电压可能会随着负载电流的上升有所下降,低于测试条件。此时,需要适当抬高输入电压,尽量保持测试输入电压的万用表上的数据与测试条件一致。
4. 报告形式
除了将测试到的Vin Vout Iin Iout 填入表格,得到相应的计算结果。为了更直观地表现结果并与其他芯片做对比,一般会画出效率曲线。
如下图,是MP4581在Vin=24V/36V/48V, Vout=12V, Iout=1mA-800mA情况下测得的效率结果:
一般DCDC电源的效率在轻载时较低,最高效率点出现在较重载的时候。效率曲线较为平滑,如果画出的效率曲线出现突然上冲或者下落的点,可以重新测试那一点的效率,确认数据的正确性。
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