如何进行电源效率测试 有哪些注意事项

电源/新能源

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描述

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。欢迎指正与补充。

1. 测量值

根据效率的计算公式可知

电源电路

在测效率时,需要测得Vin、Vout、Iin、Iout这四个值(或者Pout和Pin),进行计算,即可得到最终结果。

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各参数。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:

电源电路

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:

电源电路

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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。

效率测试得到的结果有时并不尽如人意,当效率没有达到预期值时,可以用哪些方法来进行优化呢?此处列出以下几种,以供参考,也欢迎补充和指正。

1. 更换器件

在基础的DCDC电路中(此处依旧以BUCK 电路为例),有不少器件上都会产生损耗,从而影响效率:

a. 电感DCR :指的是电感的直流电阻(即线圈的电阻),可将其与普通电阻一样视为耗能元件,在流过电流时,会产生损耗。故选择DCR更小的电感,可以达到减小损耗,提升效率的效果。

b. 电容ESR :由于所有的器件都不是理想元件,实际的电容都具有寄生参数ESR(等效串联电阻)。当电流流过,ESR越大,则电阻损耗的功率越大,不仅会对效率有影响,还会影响电容寿命。故降低电容ESR也可以达到提高效率的效果。也可以采用多个电容并联的方式来降低ESR。

c. MOSFET :目前常用的同步DCDC变换器中,都有MOSFET的存在。Rdson指的是晶体管的导通阻抗(可在器件规格书上找到),这一规格直接决定了MOSFET的功率效率。小的Rdson 值有利于减小器件导通期间产生的损耗。

除了导通损耗,会影响效率的还有器件的开关损耗。开关损耗的产生来自于器件开关瞬间,其电流与电压曲线的交叠面积(如下图)。故提高MOS管的开关速度和驱动速度也能提高效率。

电源电路

如今,由于对高集成度的追求,很多的电源芯片都将开关管集成在了芯片内部,此时就不存在对MOS管单独选型的问题,而是对电源芯片的直接选择。

2. 降频

开关损耗的降低,不仅可以通过提高开关管的速度,也可以通过降频来达到。轻载时,开关损耗几乎不变,由于输出功率较低,所以效率下降很多。

电源输出轻载电流时,工作在PFM(pulse-frequency modulation)模式;在输出重载时,工作在PWM(pulse-width modulation)模式。

审核编辑:汤梓红

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