常見問題

電源供應器之功能及保護測試

直流電源供應器為將交流電源轉換成所需直流V/A/W規格的裝置。一個良好的電源供應器必須可靠、符合所有功能規格、保護特性、安全規範及電磁相容能力等。本文係討論電源供應器之功能規格及保護特性之測試為主,電源供應器之設計、製造及品質驗証等測試需要精巧的電子設備,電源供應器不同的組成結構和輸出之組合,亦需要具彈性多樣化的測試儀器才能符合眾多不同規格之需求。
博計的 3300 係列機框,3310/3320 系列電子負載模組如3600A電源供應器全自動測試器提供了可程式化、易操作性、可靠的測試結果,有效率及用最低的測試成本達到最高的測試品質。 
當驗証電源供應器的品質時,下列為一般的功能性測試項目,茲分別詳細說明如下:

◎ 功能測試

輸出電壓調整 
電源調整率
負載調整率
綜合調整率 
輸出漣波及雜訊
輸入功率及效率 
動態負載或暫態負載
電源良好/失效(Power Good/Fail)信號
起動(Set-Up)及保持(Hold-Up)時間

◎ 保護動作測試

過電壓保護(OVP) 
過電流保護(OCP)
短路保護

1.1.輸出電壓調整

於製造交換式電源供應器時,第一個測試步驟為將輸出電壓調整至規格範圍內。此步驟完成後才能確保後繼的規格能夠符合。通常,做輸出電壓調整時,將輸入交流電壓設定為正常值(115Vac或230Vac),並且將輸出電流設定為正常值或滿載電流,然後以數位電壓錶測量電源供應器的輸出電壓值並調整其電位器(VR)直到電壓讀值位於要求之範圍內。

1.2.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。為精確測量電源調整率,需要下列之設備:

A.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最低到最高之輸入電壓範圍。 
B.一個均方根值交流電壓錶來測量輸入電源電壓。
C.一個精密直流電壓錶,具備至少高於待測物調整率十倍以上。 
D.連接至待測物輸出的可變負載。 通常測試設備之連接如下圖所示

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,分別於Min(低),Normal(通常),和Max(高)輸入電壓下測量並記錄其輸出電壓值。電源調整率通常以一正常之固定負載 (Nominal Load)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:

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範圍內。

1.3.負載調整率 負載調整率的定義為電源供應器於輸出負載電流變化時,提供其穩定輸出電壓的能力。

所需的設備和連接與電源調整率相似,唯一不同的是需要精密的電流錶與待測電源供應器的輸出串聯。如下圖所示:

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,再分別於低(Min)、高(Max)負載下,測量並記錄其輸出電壓值(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:

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範圍內。

1.4.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証。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範圍內。

1.5.輸出雜訊(PARD)

輸出雜訊(PARD)係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週期性與隨機性偏差量的電壓值。通常以 mVp-p峰對峰值電壓來表示,又一般的交換式電源供應器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。例如5V輸出,其輸出雜訊要求為50mV以內。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及雜訊部份。



在測量輸出雜訊時,電子負載必須具備較待測電源供應器為低的 PARD值,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振鈴和駐波。一般都採用雙同軸電纜並以 50Ω 於其端點上。 博計的 3310 / 3320 系列與3600A之電子負載具備低 PARD值,又 4030 雜訊電錶 3600A均可一次測量4輸出之雜訊值。

1.6.輸入功率與效率

1.6.1.電源供應器的輸入功率之定義為以下之公式

即為對一週期內其輸入電壓與電流乘積之積分值,需注意的是 而是其中P.F.為功率因素 (Power Factor),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,並依其不相同之程度,其功率因素為1~0之間。

1.6.2.電源供應器的效率之定義為:

即為輸出直流功率之總和與輸入功率之比值。通常 PC 用電源供應器之效率為60%~70%左右。效率提供對電源供應器正確工作的驗証,若效率超過規定範圍,即表示設計或零件材料上有問題出現,效率太低時,會導致散熱增加而影響其使用壽命。 
測試時可使用 4010 / 4011來量測待測電源供應器的輸入功率與功率因素;使用3310 / 3320系列負載模擬並測量其每個輸出電壓、電流與功率 經計算後便可得出效率。
當使用 3600A 時,能夠測量輸入及輸出功率並自動計算出效率,並可設定上下限,做合格與否的判別。

1.7.動態負載或暫態負載 
一個定電壓輸出的電源供應器,於設計中具備回授控制迴路,能夠將其輸出電壓連繼不斷地維持穩定的輸出電壓。由於實際上回授控制迴路有一定的頻寬,因此限制了電源供應器對負載電流變化時的反應。若控制迴路輸入與輸出之相移於增益(UNITY GAIN)為1時超180度時電源供應器便會呈現不穩定、失控及振盪之現象。實際工作時的負載電流也是動態變化的而不是始終維持不變 (例如硬碟、軟碟、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。電子負載可用來模擬電源供應器實際工作時最惡劣的負載情況,如負載電流迅速上升、下降之斜率、週期等,若電源供應器在惡列負載狀況下,仍能夠維持穩定的輸出電壓不產上過高(OVERSHOOT)或過低(UNDERSHOOT)情形則通過此項測試。


 

博計的3310系列電子負載能夠模擬各種高/低負載週期,上升/下降電流斜率及高 /低負載電流,能夠測試出電源供應器對動態負載下的反應能力。

1.8.電源良好/失效信號 (POWER GOOD, POWERFAIL) 
電源良好信號,簡稱PGS(POWER GOOD SIGNAL),是電源供應器送往電腦系統的信號,當其輸出電壓穩定後,通知電腦系統,以便做開機之程序。而電源失效信號 (POWER FAIL) 是電源供應器表示其輸出電壓尚未達到或下降超過於--特定之情況。以上通常由 -PGS信號來表示,由邏輯之改變來表示,邏輯為 "0"或 "High" 時表示電源良好 (Power Good),而邏輯為"0" 或"Low" 時,表示為電源失效 (Power Fail),請參考下列時序圖:



電源供應器的電源良好時間為從輸出電壓穩定時到 PGS 信號由 "0" 變為"1" 的時間,一般值為 100ms 到 2000ms 之間,電源供應器的電源失效時間為從 PGS 信號由"1" 變為 "0" 時到輸出電壓低於穩壓範圍的時間,一般值為1ms以上。博計的3600A可直接測量 POWER GOOD 及 POWER FAIL 的時間。

1.9啟動時間 (SET-UP TIME) 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範圍內為止的時間,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範圍外為止的時間,以一輸出為5V的電源供應器為例,保持時間為從開機起到輸出電壓低於 4.75V為止的時間,一般值為17ms以上。啟動時間與保持時間的時序如下圖所示:

博計的3600A具備測試啟動時間與保持時間之能力。並可設定上下限範圍,做檢測時,能判別合格與否。

2.保護測試

2.1.過電壓保護(OVP)測試

當電源供應器的輸出電壓超過其最大的限定電壓時,會將其輸出能力關閉SHUTDOWN,稱為過電壓保護。 
過電壓保護測試係用來驗証電源供應器當出現上述異常狀況時,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、記憶体、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,會導致永久性的損壞,因而損失慘重。電源供應器於OVP情形發生時,其輸出電壓波形如下圖所示:

博計的3600A配合選用配備5030時,可直接對電源供應器模擬OVP發生狀況,進而測試電源供應器的反應是為將其輸出關閉,同時可設定上下限範圍,於檢測時,能判別合格與否。

2.2.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其輸出,以避免損壞。過電流保護測試是驗証當上述任一種狀況發生時電源供應器能否正確地反應。博計的 3600A能夠模擬並測試電源供應器之輸出過電流狀況,測試時,負載電流能夠預先設定的負載電流值開始上升,直到電源供應器的輸出電壓低於所設定的臨界電壓值為止。

2.3.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官關閉其輸出,以避免損壞,短路保護測試是驗証當輸出短路時,電源供應器能否正確地反應。

博計的3600A及3310/3320系列電子負載均有短路測試鍵可模擬短路負載,可以直接測量其短路時之輸出電壓及電流。

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