開關電源功能測試之基本項目

日期:2022-07-30 11:34
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摘要:
一、輸出電壓調整:
當制造開關電源時,**個測試步驟為將輸出電壓調整至規格范圍內。此步驟完成后才能確保后續的規格能夠符合。通常,當調整輸出電壓時,將輸入交流電壓設定為正常值(115Vac或230Vac),并且將輸出電流設定為正常值或滿載電流,然後以數字電壓表測量電源供應器的輸出電壓值并調整其電位器(VR)直到電壓讀值位於要求之范圍內。

二、電源調整率:
電源調整率的定義為電源供應器於輸入電壓變化時提供其穩定輸出電壓的能力。此項測試系用來驗證電源供應器在*惡劣之電源電壓環境下,如夏天之中午(因氣溫高,用電需求量*大)其電源電壓*低;又如冬天之晚上(因氣溫低,用電需求量*小)其電源電壓*高。在前述之兩個極端下驗證電源供應器之輸出電源之穩定度是否合乎需求之規格。

為**測量電源調整率,需要下列之設備:

·能提供可變電壓能力的電源,至少能提供待測電源供應器的*低到*高之輸入電壓范圍。
·一個均方根值交流電壓表來測量輸入電源電壓,眾多的數字功率計能**計量V A W PF。
·一個精密直流電壓表,具備至少高於待測物調整率十倍以上,一般應用5位以上高精度數字表。
·連接至待測物輸出的可變電子負載

*測試步驟如下:於待測電源供應器以正常輸入電壓及負載狀況下熱機穩定後,分別於低輸入電壓(Min),正常輸入電壓(Normal),及高輸入電壓(Max)下測量并記錄其輸出電壓值。

電源調整率通常以一正常之固定負載(NominalLoad)下,由輸入電壓變化所造成其輸出電壓偏差率(deviation)的百分比,如下列公式所示:

V0(max)-V0(min) / V0(normal)

電源調整率亦可用下列方式表示之:於輸入電壓變化下,其輸出電壓之偏差量須於規定之上下限范圍內,即輸出電壓之上下限優良值以內。
 
三、負載調整率:
負載調整率的定義為開關電源於輸出負載電流變化時,提供其穩定輸出電壓的能力。此項測試系用來驗證電源在*惡劣之負載環境下,如個人電腦內裝置*少之外設卡且硬盤均不動作(因負載*少,用電需求量*小)其負載電流*低和個人電腦內裝置*多之外設卡且硬盤在動作(因負載*多,用電需求量*大)其負載電流*高的兩個極端下驗證電源供應器之輸出電源之穩定度是否合乎需求之規格。

*所需的設備和連接與電源調整率相似,唯壹不同的是需要精密的電流表與待測電源供應器的輸出串聯。示:

測試步驟如下:於待測電源供應器以正常輸入電壓及負載狀況下熱機穩定後,測量正常負載下之輸出電壓值,再分別於輕載(Min)、重載(Max)負載下,測量并記錄其輸出電壓值(分別為Vmax與Vmin),負載調整率通常以正常之固定輸入電壓下,由負載電流變化所造成其輸出電壓偏差率的百分比,如下列公式所示:

V0(max)-V0(min) / V0(normal)
負載調整率亦可用下列方式表示:於輸出負載電流變化下,其輸出電壓之偏差量須於規定之上下限電壓范圍內,即輸出電壓之上下限優良值以內。
 
四、綜合調整率:
綜合調整率的定義為電源供應器於輸入電壓與輸出負載電流變化時,提供其穩定輸出電壓的能力。這是電源調整率與負載調整率的綜合,此項測試系為上述電源調整率與負載調整率的綜合,可提供對電源供應器於改變輸入電壓與負載狀況下更正確的性能驗證。綜合調整率用下列方式表示:於輸入電壓與輸出負載電流變化下,其輸出電壓之偏差量須於規定之上下限電壓范圍內(即輸出電壓之上下限優良值以內)或某一百分比界限內。

五、輸出雜訊(PARD):
輸出雜訊(PARD)系指於輸入電壓與輸出負載電流均不變的情況下,其平均直流輸出電壓上的周期性與隨機性偏差量的電壓值。輸出雜訊是表示在經過穩壓及濾波後的直流輸出電壓上所有不需要的交流和噪聲部份(包含低頻之50/60Hz電源倍頻信號、高於20KHz之高頻切換信號及其諧波,再與其他之隨機性信號所組成)),通常以mVp-p峰對峰值電壓為單位來表示。一般的開關電源的規格均以輸出直流輸出電壓的1%以內為輸出雜訊之規格,其頻寬為20Hz到20MHz(或其他更高之頻寬如100MHz等)。開關電源實際工作時*惡劣的狀況(如輸出負載電流*大、輸入電源電壓*低等),若電源供應器在惡劣環境狀況下,其輸出直流電壓加上雜訊後之輸出瞬時電壓,仍能夠維持穩定的輸出電壓不超過輸出高低電壓界限情形,否則將可能會導致電源電壓超過或低於邏輯電路(如TTL電路)之承受電源電壓而誤動作,進一步造成死機現象。

例如:5V輸出,其輸出雜訊要求為50mV以內(此時包含電源調整率、負載調整率、動態負載等其他所有變動,其輸出瞬時電壓應介於4.75V至5.25V之間,才不致引起TTL邏輯電路之誤動作)。在測量輸出雜訊時,電子負載的PARD必須比待測之電源供應器的PARD值為低,才不會影響輸出雜訊之測量。同時測量電路必須有良好的隔離處理及阻抗匹配,為避免導線上產生不必要的干擾、振鈴和駐波,一般都采用雙同軸電纜并以50Ω於其端點上,并使用差動式量測方法(可避免地回路之雜訊電流),來獲得正確的測量結果,日本計測KEISOKUGEIKEN的PARD 測試儀具備此種功能。
 
六、輸入功率與效率:
電源供應器的輸入功率之定義為以下之公式:
True Power = Pav (watt) = V1 Ai dt = Vrms x Arms x PowerFactor
即為對一周期內其輸入電壓與電流乘積之積分值,需注意的是Watt≠VrmsArms而是Watt=VrmsArmsxP.F.,其中P.F.為功率因素(PowerFactor),通常電源供應器的功率因素在0.6~0.7左右,而大功率之電源供應器具備功率因素校正器者,其功率因素通常大於0.95,當輸入電流波形與電壓波形完全相同時,功率因素為1,并依其不相同之程度,其功率因素為1~0之間。

七、電源供應器的效率之定義為:
ΣVoutxlout / True Power (watts)
即為輸出直流功率之總和與輸入功率之比值。通常個人電腦用電源供應器之效率為65%~80%左右。效率提供對電源供應器正確工作的驗證,若效率超過規定范圍,即表示設計或零件材料上有問題,效率太低時會導致散熱增加而影響其使用壽命。由於近年來對於環保及能源消耗愈來愈重視,如電腦能源之星「EnergyStar」對開關電源之要求:於交流輸入功率為30Wrms時,其效率需為60%以上(即此時直流輸出功率必須高於18W);又對於ATX架構開關電源於直流失能(DCDisable)狀態其輸入功率應不大於5W。因此交流功率測試儀表需要既**又范圍寬廣,才能合乎此項測試之需求。

八、動態負載或暫態負載
一個定電壓輸出的電源,於設計中具備反饋控制回路,能夠將其輸出電壓連續不斷地維持穩定的輸出電壓。由於實際上反饋控制回路有一定的頻寬,因此限制了電源供應器對負載電流變化時的反應。若控制回路輸入與輸出之相移於增益(UnityGain)為1時,超過180度,則電源供應器之輸出便會呈現不穩定、失控或振蕩之現象。實際上,電源供應器工作時的負載電流也是動態變化的,而不是始終維持不變(例如硬盤、軟驅、CPU或RAM動作等),因此動態負載測試對電源供應器而言是極為重要的。可編程序電子負載可用來模擬電源供應器實際工作時*惡劣的負載情況,如負載電流迅速上升、下降之斜率、周期等,若電源供應器在惡劣負載狀況下,仍能夠維持穩定的輸出電壓不產生過高激(Overshoot)或過低(Undershoot)情形,否則會導致電源之輸出電壓超過負載元件(如TTL電路其輸出瞬時電壓應介於4.75V至5.25V之間,才不致引起TTL邏輯電路之誤動作)之承受電源電壓而誤動作,進一步造成死機現象。

九、電源良好/失效時間(PowerGood、PowerFail或Pok)
電源良好信號,簡稱PGS(Power GoodSignal或PokHigh),是電源送往電腦系統的信號,當其輸出電壓穩定後,通知電腦系統,以便做開機程序之 C而電源失效信號(PowerFail或PokLow)是電源供應器表示其輸出電壓尚未達到或下降超過於一正常工作之情況。以上通常由一「PGS」或「Pok」信號之邏輯改變來表示,邏輯為「1或High」時,表示為電源良好(PowerGood),而邏輯為「0或Low」時,表示為電源失效(PowerFail),電源的電源良好(PowerGood)時間為從其輸出電壓穩定時起到PGS信號由0變為1的時間,一般值為100ms到2000ms之間。電源的電源失效(PowerFail)時間為從PGS信號由由1變為0的時間起到其輸出電壓低於穩壓范圍的時間,一般值為1ms以上。日本計測KEISOKUGEIKEN的電子負載可直接測量電源良好與電源失效時間,并可設定上下限,做為是否合格的判別。

 
十、啟動時間(Set-UpTime)與保持時間(Hold-UpTime)
啟動時間為電源供應器從輸入接上電源起到其輸出電壓上升到穩壓范圍內為止的時間,以一輸出為5V的電源供應器為例,啟動時間為從電源開機起到輸出電壓達到4.75V為止的時間。

保持時間為電源供應器從輸入切斷電源起到其輸出電壓下降到穩壓范圍外為止的時間,以一輸出為5V的電源供應器為例,保持時間為從關機起到輸出電壓低於4.75V為止的時間,一般值為17ms或20ms以上,以避免電力公司供電中於少了半周或一周之狀況下而受影響。

十一、其他
·PowerUpdelay:+5/3.3V 的上升時間(由10%上升到90%電壓之時間)
·Remote ON/OFF Control:遙控「開」或「關」之控制
·Fan Speed Control/Monitor:散熱風扇之轉速「控制」及「監視」
 
十二、保護功能測試
過電壓保護(OVP)測試
當電源供應器的輸出電壓超過其*大的限定電壓時,會將其輸出關閉(Shutdown)以避免損壞負載之電路元件,稱為過電壓保護。過電壓保護測試系用來驗證電源供應器當出現上述異常狀況時(當電源供應器內部之回授控制電路或零件損壞時,有可能產生異常之輸出高電壓),能否正確地反應。過電壓保護功能對於一些對電壓敏感的負載特別重要,如CPU、記憶體、邏輯電路等,因為這些貴重元件若因工作電壓太高,超過其額定值時,會導致長久性的損壞,因而損失慘重。電源供應器於過電壓情形發生時,其輸出電壓波形如圖7所示。
 
短路保護測試
當電源供應器的輸出短路時,則電源供應器應該限制其輸出電流或關閉其輸出,以避免損壞。短路保護測試是驗證當輸出短路時(可能是配線連接錯誤,或使用電源之元件或零組件故障短路所致),電源供應器能否正確地反應。

過電流保護OCP測試
當電源供應器的輸出電流超過額定時,則電源供應器應該限制其輸出電流或關閉其輸出,以避免負載電流過大而損壞。又若電源供應器之內部零件損壞而造成較正常大的負載電流時,則電源供應器也應該關閉或限制其輸出,以避免損壞或發生危險。過電流保護測試是驗證當上述任一種狀況發生時,電源供應器能否正確地反應。

 
過功率保護OPP測試
當電源的輸出功率(可為單一輸出或多組輸出)超過額定時,則電源應該限制其輸出功率或關閉其輸出,以避免負載功率過大而損壞或發生危險。又若電源內部零件損壞而造成較正常大的負載功率時,則電源也應該關閉或限制其輸出,以避免損壞。過功率保護測試是驗證當上述任一種狀況發生時,電源能否正確地反應。本項測試通常包含兩組或數組輸出功率之功率限制保護,因此較上述單一輸出之保護測試(OVP、OCP、Short等)稍具變化
 

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