精確測(cè)量并改進(jìn)設(shè)備的低功率

　　全球的工程師和科學(xué)家正在為迎接能源保護(hù)的挑戰(zhàn)而努力，其中之一就是“一瓦倡議”行動(dòng)，該項(xiàng)工作極大地阻止了由于“電流吸血鬼”而造成的損失，它在全球數(shù)十億設(shè)備上浪費(fèi)了大量能源。另外一項(xiàng)行動(dòng)是“能源之星”認(rèn)證。其目標(biāo)是促進(jìn)這些設(shè)備的效率優(yōu)于法律要求的指標(biāo)。然而，工程師在修正設(shè)計(jì)問(wèn)題以改善效率之前，必須先采用一種方法來(lái)精確測(cè)量和描述問(wèn)題。由于能源保護(hù)是一項(xiàng)持續(xù)的戰(zhàn)斗，工程師和科學(xué)家們需要有不同的方法來(lái)處理變化的新需求。

　　一個(gè)很好的例子是插在墻上插座的交流電源適配器。這些用電設(shè)備外部的變壓器為數(shù)十億的設(shè)備提供從交流電源到直流電源的轉(zhuǎn)換。它們也同樣消耗功率，因而被稱(chēng)為“電流吸血鬼”，即使是與它們相連的設(shè)備被斷開(kāi)也同樣會(huì)吸收電流，這是因?yàn)樽儔浩鞅旧淼穆╇娏鲗?dǎo)致了持續(xù)的交流電流損耗。更大的設(shè)備通常使用內(nèi)部的變壓器，但它們同樣具有在工作效率低和在待機(jī)模式下浪費(fèi)能源的問(wèn)題。研究表明，家用電能的 10 ％被這樣浪費(fèi)掉。

　　待機(jī)狀態(tài)功率測(cè)量案例考慮測(cè)量一種用于新型移動(dòng)電話的交流電源適配器待機(jī)性能的簡(jiǎn)單案例。測(cè)量吸收電流能量損耗的通常方法是簡(jiǎn)單地用數(shù)字萬(wàn)用表 (DMM) 測(cè)量交流吸入電流，再與電源的均方根電壓相乘。然而，這一假設(shè)要求電路是阻性，并且功率輸入是純正弦曲線。輸入電壓或吸入電流的波形改變，以及輸入電壓和消耗電流之間的相位不同，都有可能在計(jì)算吸收功率時(shí)產(chǎn)生非常大的差異。

　　功率損耗的更精確描述可以通過(guò)測(cè)量設(shè)備的真實(shí)功率，或“近似功率”獲得，這種測(cè)量必須考慮信號(hào)的波形和相位。分析真實(shí)功率的方法之一是使用兩臺(tái)同步的 PXI － 4071 FlexDMM 設(shè)備，每臺(tái)都具有采集電壓和電流波形速率高達(dá) 1 ． 8Ms ／ s 的能力，并提供標(biāo)準(zhǔn) DMM 的讀數(shù)方式。

　　圖 1 是兩臺(tái) FlexDMM 測(cè)量的電壓和電流波形圖，這個(gè)結(jié)果是按時(shí)間均分的對(duì)真實(shí)功率的測(cè)量。一臺(tái)設(shè)備測(cè)量加到交流適配器上的電壓，另一臺(tái)則串聯(lián)在交流適配器上用于測(cè)量電流。在這種情況下，被測(cè)適配器所消耗的真實(shí)功率是 1 ． 89W ，這好于其他設(shè)備，但非常明顯還沒(méi)有達(dá)到被稱(chēng)為“一瓦倡議”的性能指標(biāo)。

　　精確進(jìn)行工作狀態(tài)下的測(cè)量．

　　我們考慮如何測(cè)量被測(cè)設(shè)備工作狀態(tài)效率的時(shí)候，就需要具有同時(shí)測(cè)量真實(shí)的交流輸入功率和直流輸出功率的能力。這種負(fù)載測(cè)試應(yīng)該在不同輸出負(fù)載級(jí)別上分別進(jìn)行。通常，工程師可以通過(guò)使用一個(gè)簡(jiǎn)單的可變電阻負(fù)載來(lái)完成這樣的測(cè)量。還有一種方法，它可以增加靈活性，就是在適配器的直流輸出端使用一個(gè)源測(cè)量單元 (SMU) ， SMU 具有吸入四象限輸出電流的能力。

　　這種方法可以集成進(jìn)采用型號(hào)為 PXI_4130 的功率 SMlU 作為測(cè)量?jī)x器的 PXI 系統(tǒng)中，并提供固定的負(fù)載電流。為了獲得功率值，相同的 SMU 可以用于測(cè)量直流電壓輸出和電流輸出，而且，也可以和真實(shí)功率測(cè)量進(jìn)行比較來(lái)確定在不同負(fù)載級(jí)別下的轉(zhuǎn)換效率。為了得到更加詳細(xì)的特性。工程師可以在一定范圍內(nèi)掃描 SMU 的吸入電流，如從空載到最大負(fù)載。

　　當(dāng)然，功率的損耗不僅僅限于交流適配器。許多設(shè)備在不活動(dòng)狀態(tài)或關(guān)閉時(shí)都有漏電流，并消耗功率。為了測(cè)量這種情況下的功率消耗，工程師可以使用由兩臺(tái) DMM 和一臺(tái) SMU 組成的相同 PXI 測(cè)試系統(tǒng)，如圖 2 所示，來(lái)測(cè)量設(shè)備在各種工作狀態(tài)下的功率消耗。在這種方案中，輸入交流電源被斷開(kāi)， PXI-4130 SMU 用來(lái)給被測(cè)設(shè)備提供直流電源。工程師可以設(shè)置被測(cè)設(shè)備的工作條件為活動(dòng)狀態(tài)、低功耗狀態(tài)和休眠狀態(tài)，并測(cè)量動(dòng)態(tài)電流和漏電流，分辨率低至納安級(jí)別。

　　對(duì)于更嚴(yán)格的低功耗測(cè)量，有些設(shè)備可以通過(guò)內(nèi)部獨(dú)立電路的使能設(shè)置進(jìn)入到各種休眠狀態(tài)。通過(guò)持續(xù)監(jiān)視這些被使能單元所消耗的電流，就有可能分析是否某一個(gè)單元有缺陷，并因此獲得該設(shè)備更詳細(xì)的性能分析結(jié)果。此外． PXI SMU 也可以給被測(cè)設(shè)備提供電源和測(cè)量該設(shè)備消耗的電流，附帶的數(shù)字接口模塊可以用來(lái)配置儀器進(jìn)入到合適的工作狀態(tài)。基于 PXI 的解決方案具有提供易于同步多個(gè)高壓波形采集模塊的能力，同時(shí)，通過(guò)增加各種標(biāo)準(zhǔn)模塊儀器到系統(tǒng)中，又能滿足其他測(cè)試需求。例如，通過(guò)增加一個(gè) SMU ，就可以測(cè)量變壓器效率與負(fù)載關(guān)系，以及設(shè)備在不同工作狀態(tài)下的功率消耗。這套系統(tǒng)也可以用于評(píng)估移動(dòng)設(shè)備的音頻、視頻，或射頻功率，用來(lái)確定在不同使用模式下功率消耗與設(shè)備性能之間的關(guān)系。由于工程師可以從一個(gè)獨(dú)立的 PXI 控制器來(lái)控制系統(tǒng)中的所有儀器，所以他們就可以進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量和分析，并以統(tǒng)一的編程環(huán)境，如 LabbVIEW 來(lái)顯示結(jié)果。