精确测量并改进设备的低效率以保护能源

全球的工程师和科学家正在为迎接能源保护的挑战而努力，其中之一就是“一瓦倡议”行动，该项工作极大地阻止了由于“电流吸血鬼”而造成的损失，它在全球数十亿设备上浪费了大量能源。另外一项行动是“能源之星”认证，其目标是促进这些设备的效率优于法律要求的指标。

然而，工程师在修正设计问题以改善效率之前，必须先采用一种方法来精确测量和描述问题。由于能源保护是一项持续的战斗，工程师和科学家们需要有不同的方法来处理变化的新需求。

一个很好的例子是插在墙上插座的交流电源适配器。这些用电设备外部的变压器为数十亿的设备提供从交流电源到直流电源的转换。它们也同样消耗功率，因而被称为“电流吸血鬼”，即使是与它们相连的设备被断开也同样会吸收电流，这是因为变压器本身的漏电流导致了持续的交流电流损耗。

更大的设备通常使用内部的变压器，但它们同样具有在工作效率低和在待机模式下浪费能源的问题。研究表明，家用电能的10%被这样浪费掉。

1 待机状态功率测量案例

考虑测量一种用于新型移动电话的交流电源适配器待机性能的简单案例。测量吸收电流能量损耗的通常方法是简单地用数字万用表（DMM）测量交流吸入电流，再与电源的均方根电压相乘。

然而，这一假设要求电路是阻性，并且功率输入是纯正弦曲线。输入电压或吸入电流的波形改变，以及输入电压和消耗电流之间的相位不同，都有可能在计算吸收功率时产生非常大的差异。

图1 测量真实功率需要了解信号幅度、波形和相位方面的知识

功率损耗的更精确描述可以通过测量设备的真实功率，或“近似功率”获得，这种测量必须考虑信号的波形和相位。分析真实功率的方法之一是使用两台同步的PXI-4071 FlexDMM设备，每台都具有采集电压和电流波形速率高达1.8Ms/s的能力，并提供标准DMM的读数方式。

图1是两台FlexDMM测量的电压和电流波形图，这个结果是按时间均分的对真实功率的测量。一台设备测量加到交流适配器上的电压，另一台则串联在交流适配器上用于测量电流。在这种情况下，被测适配器所消耗的真实功率是1.89W，这好于其他设备，但非常明显还没有达到被称为“一瓦倡议”的性能指标。

2 精确进行工作状态下的测量

我们考虑如何测量被测设备工作状态效率的时候，就需要具有同时测量真实的交流输入功率和直流输出功率的能力。这种负载测试应该在不同输出负载级别上分别进行。

通常，工程师可以通过使用一个简单的可变电阻负载来完成这样的测量。还有一种方法，它可以增加灵活性，就是在适配器的直流输出端使用一个源测量单元（SMU），SMU具有吸入四象限输出电流的能力。

这种方法可以集成进采用型号为PXI-4130的功率SMU作为测量仪器的PXI系统中，并提供固定的负载电流。为了获得功率值，相同的SMU可以用于测量直流电压输出和电流输出，而且，也可以和真实功率测量进行比较来确定在不同负载级别下的转换效率。为了得到更加详细的特性，工程师可以在一定范围内扫描SMU的吸入电流，如从空载到最大负载。

图2 通用的PXI测试系统有助于产品实际能量效率的测量

当然，功率的损耗不仅仅限于交流适配器。许多设备在不活动状态或关闭时都有漏电流，并消耗功率。为了测量这种情况下的功率消耗，工程师可以使用由两台DMM和一台SMU组成的相同PXI测试系统，如图2所示，来测量设备在各种工作状态下的功率消耗。

在这种方案中，输入交流电源被断开，PXI-4130 SMU用来给被测设备提供直流电源。工程师可以设置被测设备的工作条件为活动状态、低功耗状态和休眠状态，并测量动态电流和漏电流，分辨率低至纳安级别。

对于更严格的低功耗测量，有些设备可以通过内部独立电路的使能设置进入到各种休眠状态。通过持续监视这些被使能单元所消耗的电流，就有可能分析是否某一个单元有缺陷，并因此获得该设备更详细的性能分析结果。此外，PXI SMU也可以给被测设备提供电源和测量该设备消耗的电流，附带的数字接口模块可以用来配置仪器进入到合适的工作状态。

基于PXI的解决方案具有提供易于同步多个高压波形采集模块的能力，同时，通过增加各种标准模块仪器到系统中，又能满足其他测试需求。例如，通过增加一个SMU，就可以测量变压器效率与负载关系，以及设备在不同工作状态下的功率消耗。这套系统也可以用于评估移动设备的音频、视频，或射频功率，用来确定在不同使用模式下功率消耗与设备性能之间的关系。由于工程师可以从一个独立的PXI控制器来控制系统中的所有仪器，所以他们就可以进行自动测量和分析，并以统一的编程环境，如LabVIEW，来显示结果。