精確測量并改進設備的低效率以保護能源

　　全球的工程師和科學家正在為迎接能源保護的挑戰而努力，其中之一就是“一瓦倡議”行動，該項工作極大地阻止了由于“電流吸血鬼”而造成的損失，它在全球數十億設備上浪費了大量能源。另外一項行動是“能源之星”認證，其目標是促進這些設備的效率優于法律要求的指標。

　　然而，工程師在修正設計問題以改善效率之前，必須先采用一種方法來精確測量和描述問題。由于能源保護是一項持續的戰斗，工程師和科學家們需要有不同的方法來處理變化的新需求。

　　一個很好的例子是插在墻上插座的交流電源適配器。這些用電設備外部的變壓器為數十億的設備提供從交流電源到直流電源的轉換。它們也同樣消耗功率，因而被稱為“電流吸血鬼”，即使是與它們相連的設備被斷開也同樣會吸收電流，這是因為變壓器本身的漏電流導致了持續的交流電流損耗。

　　更大的設備通常使用內部的變壓器，但它們同樣具有在工作效率低和在待機模式下浪費能源的問題。研究表明，家用電能的10%被這樣浪費掉。

　　待機狀態功率測量案例

　　考慮測量一種用于新型移動電話的交流電源適配器待機性能的簡單案例。測量吸收電流能量損耗的通常方法是簡單地用數字萬用表（DMM）測量交流吸入電流，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，都有可能在計算吸收功率時產生非常大的差異。

　　圖1 測量真實功率需要了解信號幅度、波形和相位方面的知識

　　功率損耗的更精確描述可以通過測量設備的真實功率，或“近似功率”獲得，這種測量必須考慮信號的波形和相位。分析真實功率的方法之一是使用兩臺同步的PXI-4071 FlexDMM設備，每臺都具有采集電壓和電流波形速率高達1.8Ms/s的能力，并提供標準DMM的讀數方式。

　　圖1是兩臺FlexDMM測量的電壓和電流波形圖，這個結果是按時間均分的對真實功率的測量。一臺設備測量加到交流適配器上的電壓，另一臺則串聯在交流適配器上用于測量電流。在這種情況下，被測適配器所消耗的真實功率是1.89W，這好于其他設備，但非常明顯還沒有達到被稱為“一瓦倡議”的性能指標。

　　精確進行工作狀態下的測量

　　我們考慮如何測量被測設備工作狀態效率的時候，就需要具有同時測量真實的交流輸入功率和直流輸出功率的能力。這種負載測試應該在不同輸出負載級別上分別進行。

　　通常，工程師可以通過使用一個簡單的可變電阻負載來完成這樣的測量。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源測量單元（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采用型號為PXI-4130的功率SMU作為測量儀器的PXI系統中，并提供固定的負載電流。為了獲得功率值，相同的SMU可以用于測量直流電壓輸出和電流輸出，而且，也可以和真實功率測量進行比較來確定在不同負載級別下的轉換效率。為了得到更加詳細的特性，工程師可以在一定范圍內掃描SMU的吸入電流，如從空載到最大負載。

　　圖2 通用的PXI測試系統有助于產品實際能量效率的測量

　　當然，功率的損耗不僅僅限于交流適配器。許多設備在不活動狀態或關閉時都有漏電流，并消耗功率。為了測量這種情況下的功率消耗，工程師可以使用由兩臺DMM和一臺SMU組成的相同PXI測試系統，如圖2所示，來測量設備在各種工作狀態下的功率消耗。

　　在這種方案中，輸入交流電源被斷開，PXI-4130 SMU用來給被測設備提供直流電源。工程師可以設置被測設備的工作條件為活動狀態、低功耗狀態和休眠狀態，并測量動態電流和漏電流，分辨率低至納安級別。

　　對于更嚴格的低功耗測量，有些設備可以通過內部獨立電路的使能設置進入到各種休眠狀態。通過持續監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單元有缺陷，并因此獲得該設備更詳細的性能分析結果。此外，PXI SMU也可以給被測設備提供電源和測量該設備消耗的電流，附帶的數字接口模塊可以用來配置儀器進入到合適的工作狀態。

　　基于PXI的解決方案具有提供易于同步多個高壓波形采集模塊的能力，同時，通過增加各種標準模塊儀器到系統中，又能滿足其他測試需求。例如，通過增加一個SMU，就可以測量變壓器效率與負載關系，以及設備在不同工作狀態下的功率消耗。這套系統也可以用于評估移動設備的音頻、視頻，或射頻功率，用來確定在不同使用模式下功率消耗與設備性能之間的關系。由于工程師可以從一個獨立的PXI控制器來控制系統中的所有儀器，所以他們就可以進行自動測量和分析，并以統一的編程環境，如LabVIEW，來顯示結果。