一種非靜態負載下功耗測量及功耗計算方法分析

賀春生，朱余浩，侯永

（深圳市共進電子股份有限公司，廣東深圳，518000）

0 引言

隨著目前開關電源在電子設備使用越來越廣泛，而每種電子設備在工作時段會產生瞬時負載變化，非靜態工作模式就產生了。

而開關電源的在非靜態模式下的功率測量是一個難點，對于開關電源設計之初基于靜態模式設計，開關電源功率測量也是依據靜態模式測量的，開關電源應用到實際的非靜態環境下，對于開關電源的功率測量就是一個判定難點。

特推出目前的驗證方法，模擬非靜態模式下開關電源的測量功率方案，和選擇靜態模式下開關電源的設計方案進行對比，來確定開關電源的實際應用功率值。

1 理論分析

實際項目應用測量過程中測試發現開關電源輸出端功耗（DC POWER）大于輸入端（AC POWER）功耗或效率會達到95%以上等異常測量數據，功率測量過程中計算功耗的測試方法依據靜態模式P=V(rms)*A(rms),靜態模式P=V(rms)*A(rms)測試方法是否滿足非靜態模式下計算，需要用以下測量數據論證。

后續驗證步驟我們將用模擬測試：靜態模式和非靜態模式

2 功率測量

如圖1所示，開關電源輸出負載模式可以用電子負載模擬靜態和非靜態兩種測試模式，而輸出功率的測量用示波器讀取。

圖1 功率框架測試圖

為了證實一種數據測試有效性及測量的正確性，必須采取數據采樣比對和驗證

2.1 靜態負載測試

（1）取靜態電流下的三個測試值：12V/0.5A；12V/1A；12V/1.5A

（2）靜態電流測試分析

當電流為靜態情況下測試時，所以無論是RMS值計算功率或者MEAN值計算功率，測試結果幾乎無誤差，非常的接近，可以理解為靜態電流下，RMS值和MEAN值功率基本相等的。

2.2 動態負載測試

（1）取動態負載下兩組動態測試數據

演唱者對民族聲樂作品進行二次創作時，難免要理解其情感內涵。除了明確創作背景、作者意圖、情感之外，還要對民族聲樂作品的旋律和節奏等進行領悟。通過該種方法，深化演唱者對民族聲樂作品的理解，達到良好的演唱及表達效果。倘若僅關注聲樂技巧，將很難傳達聲樂作品情感。只有對民族聲樂作品進行充分理解之后，才能使情感表現更加真實[4]。 例如，《烏蘇里船歌》《大頂子山呦高又高》等，特點在于質樸、豪爽、豁達，突出東北民歌的俏、浪、趣等，依托科學的發聲方法和獨特的顫音、滑音等潤腔技巧，在情、字、聲、味等方面實現了統一，個人歌唱風格十分獨特，彰顯了東北民歌風格。

（2）動態電流測試分析

從數據上可以分析出，當負載電流工作處于非靜態工作狀態時，用RMS值計算出的功耗會出現很大的偏差，導致效率會出現大于100%的情況，從而失去了能量守恒轉換的原則，用RMS值作為輸出功耗計算已經失去意義，而MEAN值功耗是否滿足真實的計算要求呢？

（3）MEAN值功耗計算

MEAN值功耗計算效率與靜態下效率接近，而測試功耗值也滿足能量轉換守恒原則，所以可以證明MEAN值比較接近真實的功耗值。從以上DC功耗的測試結論上，可以證明無論是靜態負載還是動態負載，MEAN值功耗法作為功耗計算是比較可靠的。

僅取一套設備去驗證DC MEAN值功耗和AC 功耗值的準確度，令人無法說服，到底是否是測試設備問題導致的嗎？下一步就要引入業界一直都在使用的功率分析儀（POWER Analyzer）

2.3 功率分析儀測試

需要驗證數字示波器計算的DC功率值有效參數，此次引進一個專業測量功耗的設備《KEYSIGHT Technologies POWER Analyzer Modle PA2203A》，POWER Analyzer設備用途是AC功耗和DC功耗同步測量。

圖2 系統測試框架圖

（1）電源12V/2A進行測試---靜態負載測試

（2）電源12V/2A進行測試---動態負載測試

總結：（1）靜態負載測試項和（2）動態負載測試項數據驗證：靜態負載下功率分析儀的讀取DC功耗值與示波器測試的RMS功耗值或MEAN功耗值測試的值非常接近，從而證明兩臺設備在功率計算上大約是一致的；動態負載下功率分析儀的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，從而又從另一方面驗證RMS功耗值作為功耗測試值存在巨大誤差性；

3 解讀RMS與MEAN值算法總結

RMS：真有效值及稱有效值或均方根值

MEAN：校準到有效值的整流平均值也稱校正平均值

在示波器計算采集數據過程中，采集的功率/電壓/電流采用RMS值或者MEAN值，是要從電路特性中查看三種條件。

（1）假設是電阻負載(R是常量),在直流分量上假設疊加一個正弦分量，平均功率應該如下

（2）當負載源是嚴格恒流源的時候或者恒壓源的時候才可以取平均值

（3）當電壓源或電流源和負載阻抗失去穩定性關系，在計算功率上完全是錯亂的，無法用所有設備去計算，失去計算意義，所以不再討論范疇。

條件1：設定在阻抗成穩定狀態下測量，U2/R或I2/R，計算電壓或電流均取RMS微積分計算取值，例如AC功耗測試上和DC靜態功耗測試上，所取功耗測試方法沒有任何問題的；

條件2:設定阻抗處于周期性變化狀態，而電壓或者電流處于穩定狀態，計算電流或者電壓采用微積分MEAN取值，例如電壓穩定下，電流采用動態變化而形成的計算方法是MEAN算法；

運用不同線路設計是采用RMS算功率或MEAN算功率，目前我們需要舉一個簡單發計算題來證明。

證明題：

設計一個10Ω的電阻，如果使用100VDC電壓50%開關周期供電（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穩定性算法P=UI產生500W所需要的電壓是U=500W/10A=50V，50V就是直流電壓，是100V開關線路用的平均值（MEAN值）

所以設計線路不一樣，導致產生的測試結果有差異，而論證的結果需要實際測試數據來證明。