一種非靜態(tài)負(fù)載下功耗測(cè)量及功耗計(jì)算方法分析

賀春生，朱余浩，侯永

（深圳市共進(jìn)電子股份有限公司，廣東深圳，518000）

0 引言

隨著目前開(kāi)關(guān)電源在電子設(shè)備使用越來(lái)越廣泛，而每種電子設(shè)備在工作時(shí)段會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)負(fù)載變化，非靜態(tài)工作模式就產(chǎn)生了。

而開(kāi)關(guān)電源的在非靜態(tài)模式下的功率測(cè)量是一個(gè)難點(diǎn)，對(duì)于開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)之初基于靜態(tài)模式設(shè)計(jì)，開(kāi)關(guān)電源功率測(cè)量也是依據(jù)靜態(tài)模式測(cè)量的，開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用到實(shí)際的非靜態(tài)環(huán)境下，對(duì)于開(kāi)關(guān)電源的功率測(cè)量就是一個(gè)判定難點(diǎn)。

特推出目前的驗(yàn)證方法，模擬非靜態(tài)模式下開(kāi)關(guān)電源的測(cè)量功率方案，和選擇靜態(tài)模式下開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比，來(lái)確定開(kāi)關(guān)電源的實(shí)際應(yīng)用功率值。

1 理論分析

實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用測(cè)量過(guò)程中測(cè)試發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源輸出端功耗（DC POWER）大于輸入端（AC POWER）功耗或效率會(huì)達(dá)到95%以上等異常測(cè)量數(shù)據(jù)，功率測(cè)量過(guò)程中計(jì)算功耗的測(cè)試方法依據(jù)靜態(tài)模式P=V(rms)*A(rms),靜態(tài)模式P=V(rms)*A(rms)測(cè)試方法是否滿(mǎn)足非靜態(tài)模式下計(jì)算，需要用以下測(cè)量數(shù)據(jù)論證。

后續(xù)驗(yàn)證步驟我們將用模擬測(cè)試：靜態(tài)模式和非靜態(tài)模式

2 功率測(cè)量

如圖1所示，開(kāi)關(guān)電源輸出負(fù)載模式可以用電子負(fù)載模擬靜態(tài)和非靜態(tài)兩種測(cè)試模式，而輸出功率的測(cè)量用示波器讀取。

圖1 功率框架測(cè)試圖

為了證實(shí)一種數(shù)據(jù)測(cè)試有效性及測(cè)量的正確性，必須采取數(shù)據(jù)采樣比對(duì)和驗(yàn)證

2.1 靜態(tài)負(fù)載測(cè)試

（1）取靜態(tài)電流下的三個(gè)測(cè)試值：12V/0.5A；12V/1A；12V/1.5A

（2）靜態(tài)電流測(cè)試分析

當(dāng)電流為靜態(tài)情況下測(cè)試時(shí)，所以無(wú)論是RMS值計(jì)算功率或者M(jìn)EAN值計(jì)算功率，測(cè)試結(jié)果幾乎無(wú)誤差，非常的接近，可以理解為靜態(tài)電流下，RMS值和MEAN值功率基本相等的。

2.2 動(dòng)態(tài)負(fù)載測(cè)試

（1）取動(dòng)態(tài)負(fù)載下兩組動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)

演唱者對(duì)民族聲樂(lè)作品進(jìn)行二次創(chuàng)作時(shí)，難免要理解其情感內(nèi)涵。除了明確創(chuàng)作背景、作者意圖、情感之外，還要對(duì)民族聲樂(lè)作品的旋律和節(jié)奏等進(jìn)行領(lǐng)悟。通過(guò)該種方法，深化演唱者對(duì)民族聲樂(lè)作品的理解，達(dá)到良好的演唱及表達(dá)效果。倘若僅關(guān)注聲樂(lè)技巧，將很難傳達(dá)聲樂(lè)作品情感。只有對(duì)民族聲樂(lè)作品進(jìn)行充分理解之后，才能使情感表現(xiàn)更加真實(shí)[4]。 例如，《烏蘇里船歌》《大頂子山呦高又高》等，特點(diǎn)在于質(zhì)樸、豪爽、豁達(dá)，突出東北民歌的俏、浪、趣等，依托科學(xué)的發(fā)聲方法和獨(dú)特的顫音、滑音等潤(rùn)腔技巧，在情、字、聲、味等方面實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一，個(gè)人歌唱風(fēng)格十分獨(dú)特，彰顯了東北民歌風(fēng)格。

（2）動(dòng)態(tài)電流測(cè)試分析

從數(shù)據(jù)上可以分析出，當(dāng)負(fù)載電流工作處于非靜態(tài)工作狀態(tài)時(shí)，用RMS值計(jì)算出的功耗會(huì)出現(xiàn)很大的偏差，導(dǎo)致效率會(huì)出現(xiàn)大于100%的情況，從而失去了能量守恒轉(zhuǎn)換的原則，用RMS值作為輸出功耗計(jì)算已經(jīng)失去意義，而MEAN值功耗是否滿(mǎn)足真實(shí)的計(jì)算要求呢？

（3）MEAN值功耗計(jì)算

MEAN值功耗計(jì)算效率與靜態(tài)下效率接近，而測(cè)試功耗值也滿(mǎn)足能量轉(zhuǎn)換守恒原則，所以可以證明MEAN值比較接近真實(shí)的功耗值。從以上DC功耗的測(cè)試結(jié)論上，可以證明無(wú)論是靜態(tài)負(fù)載還是動(dòng)態(tài)負(fù)載，MEAN值功耗法作為功耗計(jì)算是比較可靠的。

僅取一套設(shè)備去驗(yàn)證DC MEAN值功耗和AC 功耗值的準(zhǔn)確度，令人無(wú)法說(shuō)服，到底是否是測(cè)試設(shè)備問(wèn)題導(dǎo)致的嗎？下一步就要引入業(yè)界一直都在使用的功率分析儀（POWER Analyzer）

2.3 功率分析儀測(cè)試

需要驗(yàn)證數(shù)字示波器計(jì)算的DC功率值有效參數(shù)，此次引進(jìn)一個(gè)專(zhuān)業(yè)測(cè)量功耗的設(shè)備《KEYSIGHT Technologies POWER Analyzer Modle PA2203A》，POWER Analyzer設(shè)備用途是AC功耗和DC功耗同步測(cè)量。

圖2 系統(tǒng)測(cè)試框架圖

（1）電源12V/2A進(jìn)行測(cè)試---靜態(tài)負(fù)載測(cè)試

（2）電源12V/2A進(jìn)行測(cè)試---動(dòng)態(tài)負(fù)載測(cè)試

總結(jié)：（1）靜態(tài)負(fù)載測(cè)試項(xiàng)和（2）動(dòng)態(tài)負(fù)載測(cè)試項(xiàng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證：靜態(tài)負(fù)載下功率分析儀的讀取DC功耗值與示波器測(cè)試的RMS功耗值或MEAN功耗值測(cè)試的值非常接近，從而證明兩臺(tái)設(shè)備在功率計(jì)算上大約是一致的；動(dòng)態(tài)負(fù)載下功率分析儀的DC功耗值與示波器采樣的Mean值功耗值也是非常接近，而與RMS功耗值差異較遠(yuǎn)，從而又從另一方面驗(yàn)證RMS功耗值作為功耗測(cè)試值存在巨大誤差性；

3 解讀RMS與MEAN值算法總結(jié)

RMS：真有效值及稱(chēng)有效值或均方根值

MEAN：校準(zhǔn)到有效值的整流平均值也稱(chēng)校正平均值

在示波器計(jì)算采集數(shù)據(jù)過(guò)程中，采集的功率/電壓/電流采用RMS值或者M(jìn)EAN值，是要從電路特性中查看三種條件。

（1）假設(shè)是電阻負(fù)載(R是常量),在直流分量上假設(shè)疊加一個(gè)正弦分量，平均功率應(yīng)該如下

（2）當(dāng)負(fù)載源是嚴(yán)格恒流源的時(shí)候或者恒壓源的時(shí)候才可以取平均值

（3）當(dāng)電壓源或電流源和負(fù)載阻抗失去穩(wěn)定性關(guān)系，在計(jì)算功率上完全是錯(cuò)亂的，無(wú)法用所有設(shè)備去計(jì)算，失去計(jì)算意義，所以不再討論范疇。

條件1：設(shè)定在阻抗成穩(wěn)定狀態(tài)下測(cè)量，U2/R或I2/R，計(jì)算電壓或電流均取RMS微積分計(jì)算取值，例如AC功耗測(cè)試上和DC靜態(tài)功耗測(cè)試上，所取功耗測(cè)試方法沒(méi)有任何問(wèn)題的；

條件2:設(shè)定阻抗處于周期性變化狀態(tài)，而電壓或者電流處于穩(wěn)定狀態(tài)，計(jì)算電流或者電壓采用微積分MEAN取值，例如電壓穩(wěn)定下，電流采用動(dòng)態(tài)變化而形成的計(jì)算方法是MEAN算法；

運(yùn)用不同線(xiàn)路設(shè)計(jì)是采用RMS算功率或MEAN算功率，目前我們需要舉一個(gè)簡(jiǎn)單發(fā)計(jì)算題來(lái)證明。

證明題：

設(shè)計(jì)一個(gè)10Ω的電阻，如果使用100VDC電壓50%開(kāi)關(guān)周期供電（模擬電壓變化，電流變化），電流為I=U/R=100V/10Ω=10A，電阻所消耗的功率為P=100V*10A/2=500W；

如果采用電流-I穩(wěn)定性算法P=UI產(chǎn)生500W所需要的電壓是U=500W/10A=50V，50V就是直流電壓，是100V開(kāi)關(guān)線(xiàn)路用的平均值（MEAN值）

所以設(shè)計(jì)線(xiàn)路不一樣，導(dǎo)致產(chǎn)生的測(cè)試結(jié)果有差異，而論證的結(jié)果需要實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)證明。