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PC电源技术的发展及应用

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电源

PC电源技术的发展及应用

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开关电源的测试
良½的开关电源必须符合所有功½规格、保护特性、安全规范(如 UL、CSA、VDE、DEMKO、SEMKO,长城
等等之耐压、抗燃、漏电流、接地等安全规格)、电磁兼容½力(如 FCC、CE 等之传导与幅射干扰)、可靠性(如
老化寿½测试)、及其他之特定需求等。
开关电源包括下列之型式:
·AC-DC:如个人用、家用、办公室用、工业用(电脑、周边、传真机、充电器)
·DC-DC:如可携带式产品(移动电话、笔计本电脑、摄½机,通信交换机二次电源)
·DC-AC:如½用½换器(12V½115/230V) 、通信交换机振铃信号电源
·AC-AC:如交流电源变压器、变频器、UPS 不间断电源
开关电源的设计、制造及品质管理等测试需要精密的电子仪器设备来模拟电源供应器实际工½时之各项特性(亦
即为各项规格),并验证½否通过。开关电源有许多不同的组成结构(单输出、多输出、及正负极性等)和输出电
压、电流、功率之组合,因此需要具弹性多样化的测试仪器才½符合众多不同规格之需求。
电气性½(Electrical Specifications)测试
½验证电源供应器的品质时,下列为一般的功½性测试项目,详细说明如下:
一、功½(Functions)测试:
·输出电压调整(Hold-on Voltage Adjust)
·电源调整率(Line Regulation)
·负½½调整率(Load Regulation)
·综合调整率(Conmine Regulation)
·输出涟波及杂讯(Output Ripple & Noise, RARD)
·输入功率及效率(Input Power, Efficiency)
·动态负½½或暂态负½½(Dynamic or Transient Response)
·电源良½/失效(Power Good/Fail)时间
·起动(Set-Up)及保持(Hold-Up)时间
常规功½
(Functions)
测试
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A.
输出电压调整:
½制造开关电源时,第一个测试步骤为将输出电压调整至规格范围内。此步骤完成后才½确保后
续的规格½够符合。 通常,½调整输出电压时,将输入交流电压设定为正常值(115Vac 或
230Vac),
并且将输出电流设定为正常值或满½½电流,然后以数字电压表测量电源供应器的输出电压值并调整其
电½器(VR)直到电压读值½于要求之范围内。
B.
电源调整率:
电源调整率的定义为电源供应器于输入电压变化时提供其稳定输出电压的½力。此项测试系用来验
证电源供应器在最恶劣之电源电压环境下,如夏天之中午(因气温高,用电需求量最大)其电源电压最
½;又如冬天之晚上(因气温½,用电需求量最小)其电源电压最高。在前述之两个极端下验证电源供
应器之输出电源之稳定度是否合乎需求之规格。
为精确测量电源调整率,需要下列之设备:
·½提供可变电压½力的电源,至少½提供待测电源供应器的最½到最高之输入电压范围,
(KIKUSU
I PCR
系列电源½提供
0--300VAC 5-1000Hz
的稳定交流电源,0---400V
DC
的直流电源)
·一个均方根值交流电压表来测量输入电源电压,众多的数字功率计½精确计量
V A W PF。
·一个精密直流电压表,具备至少高于待测物调整率十倍以上,一般应用
5
½以上高精度数字表。
·连接至待测物输出的可变电子负½½。
*
测试步骤如下:于待测电源供应器以正常输入电压及负½½状况下热机稳定后,分别于½输入电压(M
in),正常输入电压(Normal),及高输入电压(Max)下测量并记½其输出电压值。
电源调整率通常以一正常之固定负½½(Nominal
Load)下,由输入电压变化所造成其输出电压偏差率(de
viation)的百分比,如下列公式所示:
V0(max)-V0(min) / V0(normal)
电源调整率亦可用下列方式表示之:于输入电压变化下,其输出电压之偏差量须于规定之上下限范围
内,即输出电压之上下限绝对值以内。
C.
负½½调整率:
负½½调整率的定义为开关电源于输出负½½电流变化时,提供其稳定输出电压的½力。此项测试系用
来验证电源在最恶劣之负½½环境下,如个人电脑内装½最少之外设卡且硬盘均不动½(因负½½最少,用
电需求量最小)其负½½电流最½和个人电脑内装½最多之外设卡且硬盘在动½(因负½½最多,用电需求
量最大)其负½½电流最高的两个极端下验证电源供应器之输出电源之稳定度是否合乎需求之规格。
*
所需的设备和连接与电源调整率相似,唯一不同的是需要精密的电流表与待测电源供应器的输出串
联。示:
测试步骤如下:于待测电源供应器以正常输入电压及负½½状况下热机稳定后,测量正常负½½下之输出
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电压值,再分别于½½½(Min)、重½½(Max)负½½下,测量并记½其输出电压值(分别为
Vmax
Vmin),
负½½调整率通常以正常之固定输入电压下,由负½½电流变化所造成其输出电压偏差率的百分比,如下
列公式所示:
V0(max)-V0(min) / V0(normal)
负½½调整率亦可用下列方式表示:于输出负½½电流变化下,其输出电压之偏差量须于规定之上下限电
压范围内,即输出电压之上下限绝对值以内。
D.
综合调整率:
综合调整率的定义为电源供应器于输入电压与输出负½½电流变化时,提供其稳定输出电压的½力。
这是电源调整率与负½½调整率的综合,此项测试系为上述电源调整率与负½½调整率的综合,可提供对
电源供应器于改变输入电压与负½½状况下更正确的性½验证。 综合调整率用下列方式表示:于输入电
压与输出负½½电流变化下,
其输出电压之偏差量须于规定之上下限电压范围内(即输出电压之上下限绝
对值以内)或某一百分比界限内。
E.
输出杂讯(PARD):
输出杂讯(PARD)系指于输入电压与输出负½½电流均不变的情况下,
其平均直流输出电压上的周期性
与随机性偏差量的电压值。输出杂讯是表示在经过稳压及滤波后的直流输出电压上所有不需要的交流
和噪声部½(包含½频之
50/60Hz
电源倍频信号、高于
20 KHz
之高频切换信号及其谐波,再与其它之
随机性信号所组成)),通常以
mVp-p
峰对峰值电压为单½来表示。 一般的开关电源的规格均以输出直
流输出电压的
1%以内为输出杂讯之规格,
其频½为
20Hz
20MHz(或其它更高之频½如 100MHz
等)。
开关电源实际工½时最恶劣的状况(如输出负½½电流最大、输入电源电压最½等),若电源供应器在恶
劣环境状况下,其输出直流电压加上杂讯后之输出瞬时电压,仍½够维持稳定的输出电压不超过输出
高½电压界限情½,否则将可½会导致电源电压超过或½于逻辑电路(如
TTL
电路)之承受电源电压而
误动½,进一步造成死机现象。
例如
5V
输出,其输出杂讯要求为
50mV
以内(此时包含电源调整率、负½½调整率、动态负½½等其它所
有变动,其输出瞬时电压应介于
4.75V
5.25V
之间,才不致引起
TTL
逻辑电路之误动½)。在测量
输出杂讯时,电子负½½的
PARD
必须比待测之电源供应器的
PARD
值为½,才不会½响输出杂讯之测
量。同时测量电路必须有良½的隔离处理及阻抗匹配,为避免导线上产生不必要的干扰、振铃和驻波,
一般½采用双同½电缆并以
50Ω于其端点上,并½用差动式量测方法(可避免地回路之杂讯电流),来
获得正确的测量结果,日本计测
KEISOKU GEIKEN
PARD
测试仪具备此种功½。
F.
输入功率与效率:
电源供应器的输入功率之定义为以下之公式:
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True Power = Pav(watt) = V1 Ai dt = Vrms x Arms x Power Factor
即为对一周期内其输入电压与电流乘积之积分值,
需注意的是
Watt≠VrmsArms
而是
Watt=VrmsArmsxP.
F.,其中 P.F.为功率因素(Power Factor),通常电源供应器的功率因素在 0.6½0.7
左右,而大功率之电
源供应器具备功率因素校正器者,
其功率因素通常大于
0.95,½输入电流波½与电压波½完全相同时,
功率因素为
1,并依其不相同之程度,其功率因素为 1½0
之间。
电源供应器的效率之定义为:
ΣVout
x lout / True Power (watts)
即为输出直流功率之总和与输入功率之比值。通常个人电脑用电源供应器之效率为
65%½80%左右。
效率提供对电源供应器正确工½的验证,若效率超过规定范围,即表示设计或零件材料上有问题,效
率太½时会导致散热增加而½响其½用寿½。 由于近年来对于环保及½源消耗愈来愈重视,如电脑½
源之星「Energy
Star」对开关电源之要求:于交流输入功率为 30Wrms
时,其效率需为
60%以上(即此
时直流输出功率必须高于
18W);
又对于
ATX
架构开关电源于直流失½(DC
Disable)状态其输入功率应
不大于
5W。因此交流功率测试仪表需要既精确又范围½广,才½合乎此项测试之需求。
G.
动态负½½或暂态负½½
一个定电压输出的电源,于设计中具备反馈控制回路,½够将其输出电压连续不断地维持稳定的输
出电压。由于实际上反馈控制回路有一定的频½,因此限制了电源供应器对负½½电流变化时的反应。
若控制回路输入与输出之相移于增益(Unity
Gain)为 1
时,超过
180
度,则电源供应器之输出便会呈现
不稳定、失控或振荡之现象。实际上,电源供应器工½时的负½½电流也是动态变化的,而不是始终维
持不变(例如硬盘、½驱、CPU 或
RAM
动½等),因此动态负½½测试对电源供应器而言是极为重要的。
可编程序电子负½½可用来模拟电源供应器实际工½时最恶劣的负½½情况,如负½½电流迅速上升、下降
之斜率、周期等,若电源供应器在恶劣负½½状况下,仍½够维持稳定的输出电压不产生过高激(Oversh
oot)或过½(Undershoot)情½,否则会导致电源之输出电压超过负½½组件(如 TTL
电路其输出瞬时电压
应介于
4.75V
5.25V
之间,才不致引起
TTL
逻辑电路之误动½)之承受电源电压而误动½,进一步
造成死机现象。
H.
电源良½/失效时间(Power
Good、Power Fail
Pok)
电源良½信号,简称
PGS(Power Good Signal
Pok High),是电源送往电脑系统的信号,½其输
出电压稳定后,通知电脑系统,以便做开机程序之
C
而电源失效信号(Power
Fail
Pok Low)是电源
供应器表示其输出电压尚未达到或下降超过于一正常工½之情况。 以上通常由一「PGS」或「Pok」
信号之逻辑改变来表示,逻辑为「1 或
High」时,表示为电源良½(Power Good),而逻辑为「0
Lo
w」时,表示为电源失效(Power Fail),请叁考图 5
之时序图:
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电源的电源良½(Power
Good)时间为从其输出电压稳定时起到 PGS
信号由
0
变为
1
的时间,一般值为
100ms
2
000ms
之间。 电源的电源失效(Power
Fail)时间为从 PGS
信号由由
1
变为
0
的时间起到其输出电压½于稳压范围
的时间,一般值为
1ms
以上。日本计测
KEISOKU GEIKEN
的电子负½½可直接测量电源良½与电源失效时间,并
可设定上下限,做为是否合格的判别。
I.
启动时间(Set-Up
Time)与保持时间(Hold-Up Time)
启动时间为电源供应器从输入接上电源起到其输出电压上升到稳压范围内为止的时间,
以一输出为
5V
的电源
供应器为例,启动时间为从电源开机起到输出电压达到
4.75V
为止的时间。
保持时间为电源供应器从输入切断电源起到其输出电压下降到稳压范围外为止的时间,
以一输出为
5V
的电源
供应器为例,保持时间为从关机起到输出电压½于
4.75V
为止的时间,一般值为
17ms
20ms
以上,以避免电力
公司供电中于少了半周或一周之状况下而受½响。
启动时间与保持时间的时序如图
6
所示。
I.
其它
·Power
Up delay:+5/3.3V
的上升时间(由
10%上升到 90%电压之时间)
·Remote
ON/OFF Control:遥控「开」或「关」之控制
·Fan
Speed Control/Monitor:散热风扇之½速「控制」及「监视」
二、保护动½(Protections)测试:
·过电压保护(OVP, Over Voltage Protection)
·短路保护(Short)
·过电流保护(OCP, Over Current Protection)
·过功率保护(OPP, Over Power Protection)
保护功½测试
A.
过电压保护(OVP)测试
½电源供应器的输出电压超过其最大的限定电压时,
会将其输出关闭(Shutdown)以避免损坏负½½之
电路组件,称为过电压保护。过电压保护测试系用来验证电源供应器½出现上述异常状况时(½电源供
应器内部之回授控制电路或零件损坏时,有可½产生异常之输出高电压),½否正确地反应。 过电压
保护功½对于一些对电压敏感的负½½特别重要,如
CPU、记忆½、逻辑电路等,因为这些贵重组件若
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