環(huán)境溫度對開關(guān)電源適配器溫升的影響及規(guī)律探究

1   探究背景及試驗(yàn)流程

GB 4943.1-2011《信息技術(shù)設(shè)備安全第1 部分：通用要求》標(biāo)準(zhǔn)第1.4.12 條款“溫度測量條件”中，對相關(guān)電氣元件的溫度限值作出了明確規(guī)定：對于非溫度依賴型設(shè)備相關(guān)元件的最高溫度（T）不得超過溫度限值（Tmax+Tamb-Tma）^[1-2]。其中，Tmax 為規(guī)定的符合試驗(yàn)要求的最高溫度；Tamb 為試驗(yàn)期間的環(huán)境溫度；Tma 為制造廠商技術(shù)規(guī)范允許使用的最高環(huán)境溫度或35 ℃（兩者中取較高者）^[1]。

從溫度限值（Tmax+Tamb-Tma）^[1-2] 計(jì)算公式中可以看出，Tamb 屬于不可確定的變量（實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度會受到所處地理位置、氣候條件、天氣情況及溫度調(diào)節(jié)裝置等影響），在不同試驗(yàn)環(huán)境溫度下，溫度限值不同。假設(shè)Tamb 升高ΔTamb，溫度限值也相應(yīng)的增加ΔTamb，那么元器件發(fā)熱穩(wěn)定后T 是否也增加ΔTamb 呢？在海量的開關(guān)電源適配器溫度試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Tamb 升高ΔTamb，經(jīng)過一段時(shí)間元器件發(fā)熱穩(wěn)定后，元件的最高溫度T 并不是升高ΔTamb，而是小于ΔTamb，即ΔT ＜ ΔTamb。

筆者為了探究兩者間可能存在的某種規(guī)律，對隨機(jī)選取的一系列電源適配器進(jìn)行溫度試驗(yàn)。探究流程如圖1。

圖1 探究流程

2   試驗(yàn)前準(zhǔn)備

2.1 選取樣品

隨機(jī)抽取若干開關(guān)電源適配器，樣品編號及輸出規(guī)格如下。

2.2 測試環(huán)境搭建

測試環(huán)境如圖2 所示，用一塊不透風(fēng)的布將一個足夠大的試驗(yàn)箱（長× 寬× 高=4.5 m×2.1 m×2.7 m）分隔成兩個空間，其中開關(guān)電源所在空間風(fēng)速與室內(nèi)風(fēng)速相近，約為0~0.2 m/s。

圖2 測試環(huán)境

2.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)電壓：90 V/50 Hz，264 V/50 Hz；試驗(yàn)箱溫度設(shè)定：15 ℃開始試驗(yàn)，每隔5 ℃試驗(yàn)一次，依據(jù)樣品預(yù)期的最高環(huán)境溫度設(shè)定試驗(yàn)箱內(nèi)最高的試驗(yàn)溫度；

試驗(yàn)箱濕度設(shè)定： 所有試驗(yàn)濕度均設(shè)定為55%RH；

輸出負(fù)載：使用穩(wěn)定性好的精密電阻作為負(fù)載，依據(jù)額度輸出規(guī)格連接對應(yīng)大小的電阻；當(dāng)試驗(yàn)箱內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定值并穩(wěn)定不少于1 h 后開始接通電源進(jìn)行試驗(yàn)，待開關(guān)電源適配器發(fā)熱穩(wěn)定后結(jié)束試驗(yàn)。在進(jìn)行下一輪試驗(yàn)前，開關(guān)電源適配器元器件溫度需恢復(fù)到初始狀態(tài)。

溫度監(jiān)測點(diǎn)：由于內(nèi)部元件發(fā)熱明顯，且為了不對內(nèi)部元件的散熱造成太大影響，本探究對內(nèi)部具有代表性的三個元器件的溫度進(jìn)行監(jiān)測。三個元器件分別為：初級電解電容、變壓器繞組、印制板。

3   試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理及分析

3.1 各樣品溫度實(shí)測值

3.2 環(huán)境溫度差及對應(yīng)的溫度監(jiān)測點(diǎn)溫度差

依據(jù)3.1 中的溫度數(shù)值分別計(jì)算環(huán)境溫度差和溫度監(jiān)測點(diǎn)溫度差。

3.3 計(jì)算ΔT/ ΔTamb的比值γ

依據(jù)3.2 中的數(shù)據(jù)計(jì)算ΔT/ ΔTamb 的比值γ，數(shù)值保留3 位有效數(shù)字。

3.4 統(tǒng)計(jì)分析γ值的規(guī)律

從3.3 所得的γ 值可以看出γ 值的分布區(qū)間在[0.6，1]，且試驗(yàn)電壓對γ 值的影響不大。綜合統(tǒng)計(jì)90 V 和264 V試驗(yàn)電壓下不同元器件不同γ 值出現(xiàn)的個數(shù)，分別見圖3，圖4，圖5。

從圖3、圖4、圖5 數(shù)據(jù)中可以看出不同元件對應(yīng)的γ 值均主要分布區(qū)間為[0.75，0.90]。綜合統(tǒng)計(jì)所有元器件γ 值共198 組數(shù)據(jù)，其中分布在[0.75，0.90] 的γ 值有170 組數(shù)據(jù)，占了總數(shù)的85.86%。從統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)中分析得出ΔT/ ΔTamb 的比值γ 大概率區(qū)間為[0.75，0.90]。

4   結(jié)語

經(jīng)過多組試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)處理分析， 當(dāng)Tamb 升高ΔTamb，經(jīng)過一段時(shí)間元器件發(fā)熱穩(wěn)定后，元件的最高溫度T 并不是升高ΔTamb，而是小于ΔTamb，且ΔT/ ΔTamb的比值γ 大概率區(qū)間為[0.75，0.90]。當(dāng)Tamb 升高ΔTamb時(shí)，應(yīng)用γ 值去修正元件最高溫度即T 升高γ×ΔTamb，再用（T+γ×ΔTamb）與溫度限值[Tmax-Tma+(Tamb+ΔTamb）]進(jìn)行比較。

筆者建議：

1) 若γ=0.75，計(jì)算所得的元件最高溫度依然超過溫度限值，則應(yīng)要求企業(yè)整改；

2) 若γ=0.9，計(jì)算所得的元件最高溫度小于溫度限值但在2 ℃ ^[3] 范圍內(nèi)，考慮到不確定度的影響，應(yīng)建議企業(yè)整改；

3) 若γ=0.9，計(jì)算所得的元件最高溫度小于溫度限值且超過2 ℃ ^[3]，則可以認(rèn)為符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

在日常的開關(guān)電源適配器溫升試驗(yàn)中，若常溫下試驗(yàn)所得的元器件的最高溫度處于溫度限值的臨界值時(shí)，可通過此規(guī)律推算出相對準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果，而不需要花費(fèi)大量時(shí)間和資源成本去重新評估測試，也能有效地解決和回應(yīng)企業(yè)的疑議。如有需要，對于其他電子產(chǎn)品的溫升試驗(yàn)結(jié)果也可參考上述得出的γ 值，進(jìn)行相對更準(zhǔn)確的判定。

最后，由于試驗(yàn)條件的限制，本論文得出的結(jié)論具有一定的局限性，對于監(jiān)督抽查或類似性質(zhì)的檢測任務(wù)，依然需要在符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)條件下開展進(jìn)一步的試驗(yàn)，以便取得更有說服力的試驗(yàn)結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局、中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB 4943.1-2011《信息技術(shù)設(shè)備 安全 第1部分：通用要求》[S].2011.

[2] IEC 60950-1:2005,MOD《Information technology equipment-Safety-Part 1:General requirements》[S].

[3] IEC GUIDE 115(Edition 1.0) 《Application of uncertainty of measurement to conformity assessment activities in the electrotechnical sector》[S].

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年2月期）