基于增量負載擾動和最小二乘擬合的通信電源效率測量法

朱 浩

（朗訊科技光網絡有限公司，上海 200233）

0 引言

通信設備中大量使用DC/DC隔離和非隔離電源,高效率的通信電源除了能夠直接降低電信運營商規范的每端口最大功耗，而且還能夠顯著改善設備內部的散熱狀況，進而延長設備的使用壽命。因此，完成通信電源設計后，對其效率進行實測驗證顯得尤為重要。

在實際操作中，很多通信電源設計的輸出電壓低、輸出電流大，電路板尺寸、成本也有限制，電源輸出也無法和被供電電路完全分開，因此，電源效率很難運用傳統的Vout*Iout/(Vin*Iin)方法及其各種延伸方法進行測量。

本文介紹一種基于增量負載擾動和最小二乘擬合的通信電源效率測量方法。該方法能夠克服前述的困難，并且能很容易地被應用到通信電源規模生產的自動化測試和ICT（In Circuit Test:在電路測試）測試中。

1 基于增量負載擾動和最小二乘擬合的電源效率測量方法的原理

圖1是典型的通信電源[1-2]的“效率—輸出負載電流”曲線。按照曲線的變化率，可以把曲線分為3段：1）前段：欠載的電源工作在這一范圍，效率曲線趨于上升，電源過設計(Over Design)；2）中段：電源處在最佳動態響應范圍，效率趨于平坦；3）后段：過載的電源工作在這一范圍，效率趨于下降，電源欠設計(Under Design)。好的通信電源設計，會把電源的負載動態范圍調整到中段，這是下面將要討論方法的前提約束條件。

電源的輸入功率為Pin時，效率η是輸入或輸出功率的函數，輸出功率為Pout，其中Pin可以直接測得，Pout未知，因此可以把電源系統看作效率η待定的黑盒子：

圖1 典型的通信電源的“效率-輸出負載電流”曲線

不妨可以對電源系統施加增量負載擾動p_out（p_out=Vout×ΔIout的大小由測試設備的最小精度決定），可以重新測得輸入功率為Pin'，使得：

電源工作在中段，有如下的前提約束條件：

聯立公式（2）和（3），令p_in=Pin'-Pin：

電源的實際“效率—輸出負載電流”曲線局部往往呈現非單調性，進而造成通過公式（4）計算出的某些η會大于1。為減小這些奇異點對結果的影響，可以采用逐步遞增地施加N次增量負載擾動p_out1...p_outN，同時可以測得N個Pin1…PinN和 N個p_in1…p_inN。對p_out1...p_outN和p_in1…p_inN分別進行最小二乘擬合[3-4]（一般取一階或二階擬合；高階曲線擬合時，數據點之間容易出現大的波紋[5]），得到擬合后的p_out1”...p_outN”，p_in1”…p_inN”和 η1”… ηN”（以二階擬合為例）：

最后用η1”… ηN”的平均來進一步濾除波動：

2 實驗結果和分析

圖2（上）是某自行設計的有源鉗位正激-48V/+2.5V通信電源電路的實際效率和采用本文方法得到的效率的比較。圖2（下）列出了本文方法的相對（實際效率的）誤差，控制在±5%之間的相對誤差，在實際工程應用中可以接受。

2.1 施加增量負載擾動的方法

電子負載并接在待測通信電源的輸出，又有p_out=Vout×ΔIout，因此只要微量（大小由測試設備的最小精度決定）增加電子負載的輸出電流即可。

圖2 本文方法測得某有源鉗位正激-48 V/+2.5 V通信電源電路效率和實際效率的比較（上）和用本文方法測得效率的相對誤差（下）——N=20；二階擬合。

2.2 對欠載和過載的定性分析

圖2（上）中可以看到沒有經過最小二乘擬合的“效率—輸出負載電流”曲線。對該曲線的前段部分濾除直流成分后，發現這部分曲線的“過零”率（相對中段和后段）很高；而該曲線的后段部分，有明顯的下降型奇異點。雖然本文方法無法比較精確地測得前段和后段處的效率，但是可以通過這些判斷，定性地分析出電源是否處于欠載（前段）或過載（后段）狀態。

2.3 N的選擇

N選擇太小，將無法減小奇異點對結果的影響；N選擇太大，容易使電源超出中段的工作范圍。可以結合沒有經過最小二乘擬合的“效率—輸出負載電流”曲線上奇異點的形態分布，進行試探性選擇。

2.4 在自動化測試和ICT測試中的應用

在通信產品的產線上，自動化測試平臺（如用LabVIEW開發的環境[6-9]）可以通過控制總線，很方便地實施增量負載擾動，并自動采集N組p_out和p_in，隨后由計算機擬合出結果，最后通過判斷結果對成品進行檢測和篩選。在ICT測試中，也可以實施類似的應用，前提是電路板上的電源輸出必須預布上ICT的測試焊盤（ICT Test Via），用以通過ICT測試夾具（ICT Fixture）聯接電子負載。

3 結論

為克服傳統的電源效率測試方法Vout*Iout/(Vin*Iin)在實際操作中的困難,提出了一種基于增量負載擾動和最小二乘擬合的通信電源效率測量方法，可以對工作在“效率—輸出負載電流”曲線中段的通信電源的效率進行測量，同時可以定性地判斷通信電源是否工作在欠載或過載狀態。這一方法也可以很容易地被應用到通信電源規模生產的自動化測試和ICT測試中，因此是一種實用的新型通信電源效率測量方法。

[1]Technical Specification PQ60033EKx15[EB/OL]. http://www.synqor.com/Datasheets/PQ60033EKx15_Datasheet.pdf, June 29th, 2009.

[2]Datasheet xRSB-30T[EB/OL]. http://belfuse.com/pdfs/xRSB-30T_DS_B_040910.pdf,April 9th, 2010.

[3]李渝曾,婁愛華,何正偉.計算方法[M].上海:上海高機書店,1987:43-47.

[4]徐萃薇.計算方法引論[M].北京:高等教育出版社,1985:54-59.

[5]李人厚,張平安.精通MATLAB--綜合輔導與指南[M].西安:西安交通大學出版社:112-115.

[6]基于LabVIEW的模擬實驗數據采集與處理系統開發[EB/OL]. http://www.test169.com/article/show.php?itemid=271, 2008-1-2.

[7]LabVIEW技術入門之一[EB/OL]. http:///www.test169.com/article/show.php?itemid=90,2007-7-26.

[8]LabVIEW技術入門之二[EB/OL]. http:///www.test169.com/article/show.php?itemid=120,2007-8-3.

[9]LabVIEW中的I/O接口設備驅動[EB/OL].http:///www.test169.com/article/show.php?itemid=209, 2007-11-1.