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【閒聊】電源測試文閱讀小指南Part II

樓主 港都狼仔 trumpet
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Part II,新增測試設備、部分測試增加/修改說明

每次發表電源測試文後,很多網友都會詢問該如何看懂裡面的數據,或是分出好壞,也有多數網友表示看不太懂,這個問題困擾在下許久,這次提出一篇電源測試文閱讀小指南,希望能對閱讀電源測試文有所助益

在下的電源測試環境及主要測試設備如下:

▲GWinstek固緯PEL-2004A主機框加四部PEL-2040A電子負載模組,每個模組最大功率350W,透過群組組合方式連接待測電源+12V,最高可消耗1400W
▲Chroma 63030單機電子負載二部,每部最大功率300W,分別連接待測電源3.3V及5V,也可調配支援+12V負載
▲400W電子負載一部,用作彈性調配及充電器測試
▲HIOKI 3332 POWER HiTESTER(測量交流輸入電壓、電流、實功率、功率因數)
▲SANWA PC7000、SANWA PC5000、FLUKE 289數位電表(測量待測電源連接負載的輸出線組接頭上3.3V/5V/12V輸出電壓)
▲Tektronix TDS3014B數位示波器(測量漣波及動態負載各路電壓波形)

▼HIOKI 8808/8841 MEMORY HiCORDER資料記錄器,擷取待測電源Hold-up及Soft-Start記錄

▼FLIR E4改E8紅外線熱影像相機,拍攝待測電源紅外線熱影像

以上設備多是在下自費購入新品或二手品,HIOKI 8808/8841則是回收螢幕故障品並自行維修後加入測試

★80PLUS效率測試
這個測試就是在輸入115V環境,依照80PLUS測試報告中的各路電流設定,去測試電源在10%、20%、50%、100%下的實功率及功率因數,並算出轉換效率,是否符合白牌/銅牌/銀牌/金牌/白金/鈦金的認證需求

電源供應器於115V輸入下,各種80PLUS認證所要求的10%/20%/50%/100%輸出最低效率值。目前只有鈦金Titanium有看10%輸出的效率值,不同效率認證,對功率因數也有不同要求

電源供應器轉換效率越高,表示同樣的輸出瓦數,其交流輸入耗電量越小,多部電腦運作以及長時間使用下也會反映在電費的減少上;轉換效率高同時也代表電源運作時產出的廢熱量越低

功率因數(Power Factor,PF)包含電壓/電流波形相角差(Phase Angle)及總諧波失真率(Total Harmonic Distortion,THD%),與傳統電感性/電容性負載因電流波形落後/領先電壓波形不同,交換式電源供應器因為輸入端橋式整流器運作特性,會讓電流波形發生畸變,進而影響總諧波失真率THD%,而使功率因數降低

下圖左邊為未帶功率因數修正的交換式電源供應器輸入交流電壓及電流波形,綠色電壓波形為家用交流電正弦波,但紅色電流波形因整流器運作特性而畸變成尖波狀,電流波形失真率提高而使功率因數降低

下圖右邊為帶主動功率因數修正(Active Power Factor Correction,APFC)的交換式電源供應器輸入交流電壓及電流波形,APFC電路運作時會讓紅色電流波形趨近綠色電壓正弦波波形,降低電流波形失真以提高功率因數

當交換式電源供應器的功率因數較好時,不只交流輸入線電流可以降低,也表示不會因電流波形失真畸變,在電力線上產生諧波干擾影響其他家電產品

進行80PLUS效率測試同時,也會比較在不同電壓取樣點下,對整體效率數據的影響。當3.3V/5V/12V電壓取樣點是在電源輸出線組末端插頭,其電壓量測數據會比起從電源本體未使用插頭所測量的數值要偏低一些,主要原因就是電源本體內部配線方式、模組化連接器及輸出線組,會隨著輸出電流增加而使壓降增大,導致兩組電壓取樣點的數據有所差異,同時也可以從兩者電壓及效率數值差異,來得知此電源在內部配線、模組化連接器、輸出線組對輸出所產生的影響

效率測試記錄表如下圖:


★不同靜態負載百分比的3.3V/5V/12V輸出電壓變動及轉換效率測試
測試電源於不同靜態負載百分比的綜合輸出及純12V輸出下3.3V/5V/12V的電壓變動數據,可看出不同負載下電壓變化的趨勢及穩定性。正常各路電壓變動範圍不應超出正負百分之五(3.3V為3.135V至3.465V,5V為4.75V至5.25V,12V為11.4V至12.6V)

測試同時也會記錄當下輸出百分比的轉換效率,目前電源多採用DC-DC經12V轉換出3.3V/5V電壓,綜合測試下3.3V/5V電流在測試中段就會拉到其規格標示的總和功率滿載,因疊加DC-DC的效率損失,效率結果會偏低;純12V輸出測試因3.3V/5V空載,可直接表現出電源供應器內部12V功率級的轉換效率,效率結果會偏高,這是與80PLUS效率測試不同之處

這裡的測試電壓取樣點是在連接負載的輸出線組末端插頭上,所以包含了內部配線、模組化連接器、輸出線組所產生的壓降損失,較容易呈現出真實使用狀況

綜合輸出記錄表如下圖:

純12V輸出記錄表如下圖:

也可以從上面表格所記錄的3.3V/5V/12V電壓數值,計算出電壓偏移幅度及負載調整率的百分比,公式如下:

電壓偏移幅度百分比 = (電壓最大值-電壓標稱值) / 電壓標稱值 * 100%

負載調整率百分比 = (電壓最大值-電壓最小值) / 電壓標稱值 * 100%

舉例來說,上面綜合輸出表格3.3V(標稱值)於8%至99%輸出下,最大值為3.3263V,最小值為3.2814V,則電壓偏移幅度為0.79%,負載調整率為1.36%

★偏載測試
於12V維持空載(電流0)下,測試電源輸出3.3V滿載(輸出電流達到規格標示)、5V滿載(輸出電流達到規格標示)、3.3V/5V滿載(3.3V+5V總和功率達到規格標示)的各路電壓變動,正常各路電壓變動範圍不應超出正負百分之五(3.3V為3.135V至3.465V,5V為4.75V至5.25V,12V為11.4V至12.6V)

上面純12V輸出下所測得的各路電壓數據,因這時3.3V/5V空載,也能表現出12V偏載下的各路電壓變動

偏載測試記錄表如下圖:


★紅外線熱影像測試
透過紅外線熱影像相機,觀察電源於滿載輸出下,內部各部元件、外殼背面(有把熱導到外殼的機種)、模組化輸出插座部分(模組化的機種)的高溫點分布狀況。測試時會將電源原裝的風扇自外殼拆下,直接放置在內部元件上方,於開放的常溫環境(28℃)下開始進行綜合輸出及純12V輸出負載測試,在測試接近/達到100%輸出時(約開始測試一小時後)暫時將風扇掀開,拍攝紅外線影像後再放回去。測試進行中風扇仍會對元件進行散熱,不過因為沒有裝上部外殼,風扇氣流引導狀況會稍微不同於正常使用狀態

內部高溫點溫度越低,表示其熱量產出較少或經過適當散熱處理,對於高環境溫度及長時間運作下,元件較不易因為長時間高溫而影響其性能及耐久力

電源測試中,取下的風扇直接放在內部元件上方

電源內部熱影像如下圖:

模組化輸出插座熱影像如下圖:


★斷電維持時間(Hold-up time)測試
當電源供應器運作中斷電,內部儲能元件(電容)可以維持輸出一小段時間,此為斷電維持時間(Hold-up time)。當家用電源發生壓降/瞬斷、停電時UPS進行備用電源切換時,輸入交流電源會被切斷一小段時間再恢復供應,在斷電維持時間內電源供應器可維持各路電壓輸出,不讓電腦硬體發生重新啟動或是關機的現象
依照規範,交流輸入中斷後,電源供應器於全負載輸出狀態下各路輸出要能維持至少17ms,Power Good(PG)信號要能維持16ms,才會到達輸出驟降轉折點,過了驟降轉折點後,電腦硬體就會因電壓驟降而關閉或重新啟動。另外也要注意開始壓降點,部分電源在達到驟降轉折點前會先出現緩慢壓降的現象,若壓降幅度過大(降低超過5%,以12V來說就是低於11.4V),電腦硬體也可能會因為壓降幅度過大而出現重新啟動現象

測試方式,交流115V輸入下待測電源12V/5V/3.3V滿載輸出,將輸入交流斷電後,從交流電壓中斷處開始測量12V/5V/3.3V輸出至驟降轉折點的時間差

Hold-up time測試結果說明如下圖:


★軟啟動時間(Soft-start time)與電壓上升時間(Rise time)
電源供應器從通電到達全負載輸出這段時間,這段時間電源供應器因為內部電容充電,為了避免零件受到過大電流衝擊,各路輸出電壓會緩慢上升,所以交流通電一段時間後,各路輸出才會啟動。另外,從輸入零電壓通電直接全負載輸出,電源供應器不應出現故障或其他異常(例如炸機)
依照規範,各路輸出電壓從0上升至穩定值的上升時間(Rise time)應在0.2至20ms之間,一般來說12V的上升時間會較長,3.3V/5V上升時間會較短

測試方式,待測電源從交流115V通電處開始測量,到12V/5V/3.3V滿載輸出穩定值的時間差

Soft-start time/Rise time測試結果說明如下圖:


★空載漣波
主要是測試電源在空載狀態下3.3V/5V/12V輸出的低頻/高頻漣波,目前高效率電源多採諧振設計,因為諧振透過頻率調變(FM)來控制輸出功率,在空載/極輕載狀態下會超出頻率可調變範圍,這時候為了避免輸出超壓,諧振控制器會進入硬開關脈寬調變模式(Hard Switching PWM)或是跳週期/爆發(Skip/Burst)模式,其所採用的模式會反映在12V空載輸出漣波上,透過示波器觀察12V的空載漣波,可以了解到該電源在空載/極輕載狀況下所採取的處理方式

輸出的漣波越接近正常輸出狀態,表示空載/極輕載下對輸出影響越小

測試結果如下圖:


★綜合3.3V+5V+12V滿載漣波
漣波,就是一個附著於直流準位之上的交流成份雜訊,此交流成份包含週期性與隨機性之訊號,英文稱為PARD (Periodic And Random Deviation),由於交換式電源供應器採用高頻交換技術,搭配輸出濾波電路,可以將交流市電轉換成各元件所需的直流電壓,經交換式轉換後,會在直流成份中含有少許交流成份雜訊(漣波),若漣波過大將會干擾被供電的元件,可能使其產生誤動作或出現當機。依照規範,+3.3V/+5V/+12V的最大漣波Vp-p(峰值對峰值)不得超過50mV/50mV/120mV

進行綜合3.3V+5V+12V滿載漣波測試,會將電源拉到其規格標示的最大3.3V/5V總和功率,加上12V總輸出達到/接近電源規格標示的100%功率值(或當下測試設備能達到的最大值),並測試當下的+3.3V/+5V/+12V輸出低頻/高頻漣波。漣波電壓數值越小的,表示電源整體輸出電壓品質越好

測試結果如下圖:


★純12V滿載漣波
跟綜合3.3V+5V+12V滿載漣波不同之處,是3.3V/5V維持空載以排除3.3V/5V的DC-DC所產生的影響,只把12V負載消耗到電源供應器規格標示的100%功率值(或接近值),並測試當下的+3.3V/+5V/+12V輸出低頻/高頻漣波。漣波電壓數值越小的,表示電源整體輸出電壓品質越好

為何排除DC-DC的影響?因為DC-DC同樣採交換式電路設計,除本身輸出會產生交流成分雜訊(漣波)外,電路交換過程中也會對輸入端”注入”帶有交流成分雜訊(漣波),也就是會有額外的雜訊被注入12V迴路,所以採用DC-DC空載方式來降低其對12V輸出漣波的影響,以表現出12V功率級的漣波表現

測試結果如下圖:


★動態負載下各路電壓變動最大幅度、維持時間
上面的測試主要是針對電源供應器的”靜態負載”測試,也就是維持固定的電流消耗值,並得知當下的各路電壓以及轉換效率。動態負載測試主要測試電源在固定升降斜率及週期下進行輸出電流高低升降變化時,對輸出電壓所產生的變化及對其他輸出的影響,主要目的是測試該電源輸出暫態響應能力,用來模擬電腦元件實際使用中負載高低變動狀況

當負載電流(如下圖灰色線)在兩個電流值間快速變動時,因為電源供應器反應速度不夠快,所以電壓(如下圖紅色線)會出現瞬間往上/往下較大振幅的變動,所以會在最高/最低之間產生較大的Vp-p峰值對峰值數值(如下圖綠色箭頭標記),之後內部電路開始進行修正,修正的時間為高峰維持時間(如下圖藍色箭頭標記),同樣受到電源暫態響應速度影響,有些情形下會在修正過程中產生連續上下振盪的現象


各路動態負載參數設定:
3.3V與5V:電流值2為15A,電流值1為5A,上升/下降斜率為1A/微秒,週期1/2時間為500微秒
12V:電流值2為25A,電流值1為5A,上升/下降斜率為1A/微秒,週期1/2時間為500微秒

週期1/2為500微秒時會產生1kHz的動態電流,未來會計畫加入其他頻率的動態電流測試

測試結果如下圖:

藍色/紫色/綠色波型在上方黃色波型上升/下降交接處的擺盪幅度最小、擺盪次數越少、擺盪時間越短者,表示該電源的暫態響應越好。另外因為目前電源設計大多採12V功率級搭配DC-DC轉換出3.3V/5V,所以當其中一路進行動態負載測試時,其他輸出電壓也同樣會受到其影響而產生變動

簡單描述的小結論:
1.轉換效率越高越好(表示電源於同樣輸出下越省電,廢熱產生越少)
2.內部高溫點越少、溫度越低越好(表示高溫環境及長時間運作下,電源內元件耐久力較長)
3.各路電壓調整率/交叉調整率越低越好(表示輸出電壓穩定)
4.斷電維持時間(Hold-up time)較長的,較不怕電燈閃一下的供電瞬斷狀況或UPS切換延遲
5.從輸入零電壓通電直接全負載輸出,電源供應器不應出現故障或其他異常(例如炸機)
6.各路低頻/高頻漣波越小越好(表示電源輸出電壓帶有較少雜訊,品質佳)
7.動態負載下各路電壓變動幅度越小、次數越少、時間越短越好(表示電源電路暫態響應好)

以上的測試項目介紹,希望各位能更容易閱讀在下的電源測試文章
報告完畢,謝謝收看
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這也太專業

一班人用不到吧
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