电源测试方法.doc

摘译: PC电源测试方法 @X-bit Labs
这篇文章对于想要了解PC电源的网友有一定帮助，所以我花时间翻译了一下，下文所述均为
原作者的观点。

欢迎转载，转载请注明出自itOCP.com

原文：
X-bit Labs Presents: Power Supply Unit Testing Methodology In-Depth

还有一篇老一点，但是内容更丰富的文章：
X-bit Presents: Power Supply Unit Testing Methodology

这里有翻译：

这篇文章分为三部分：
第一部分，我们要检查的电源参数，说明测试条件；
第二部分，电源厂商出于营销目的提出的术语以及它们的定义；
第三部分，我们的电源测试平台是如何设计和运作的。

我们的测试方法是基于最新版本的《ATX Power Supply Design Guide》发展而来的。现在
，更多地参考一个更加全面的文档——《Power Supply Design Guide for Desktop
Platform Form Factors》。这个文档不仅描述了ATX电源，还涵盖了其他形式的电源(CFX，
TFX，SFX等)。虽然PSDG不是对电源厂商的正式规定，但如果不事先说明，一款PC电源(即用
于普通用途的零售产品，而不是一个特定的厂商的一款特定的电源)必须遵守PSDG的要求。

第一部分

1.1 视觉检查

首先看一下外观，除了从美学角度欣赏，视觉检查还能提供一些反映产品质量的线索。

第一，外壳的质量。例如金属的厚度、硬度、装配的特征(例如，用薄钢制成的电源用7或8
个螺钉固定，而不是常用的4个)、油漆的质量等。

第二，内部元件的安装质量。对于一个终端用户来说，了解所有元件的细节意义不大。如果
电源在整体上采用了非标准的电路设计，我们会尝试大致描述它，并解释为什么研发人员选
择这样的设计。当然，我们会关注任何制造质量上的严重缺陷，诸如拙劣的焊接。

第三，电源的标称参数。对于廉价的电源，标称往往反映出质量，例如铭牌标称的输出总功
率远大于同个铭牌上标称的电流和电压的总和。
另外，我们还会列出电源的缆线和接头，包括长度。

1.2 满负载工作

一个电源的完全输出功率是最直观和最易理解的参数，因此在终端用户中最为流行。电源
牌上会标注所谓的连续输出功率(即额定输出功率)。有时也会标注峰值输出功率——电源
出峰值功率的时间不会超过1分钟。一些不负责的厂商只在室温下测定额定功率或者峰值功
率。这样的电源在实际的PC中时，环境温度显然比室温高，因此允许的最大输出功率会降低
。根据《ATX12V Power Supply Design Guide》，电源输出功率必须在50℃的环境温度下测
得。一些厂商甚至明确地提到这个温度，以避免误解。

不过我们的测试条件要宽松一些。我们在典型的室温下(即22-25℃)，让电源工作在满负载
下至少半个小时。如果测试期间没有发现异常，那么我们认为电源通过了测试。

我们现有测试平台的满负载可以达到1350W。

1.3 交叉负载特性

虽然PC电源能够提供数个电压的输出，但是主要的是+12V、+5V和+3.3V，在很多电源中
+12V和+5V共用一个调节器(regulator)。这个调节器对所控制的两个电压的算数平均值进行
调节，这个设计就是所谓的联合电压调节。

这种设计的优缺点是显而易见的。一方面，电源的成本下降了。另一方面，不同电压的输出
互相影响。例如，如果+12V的负载增大，相应的电压会减小，于是调节器尝试将这个电压提
高到原来的水平。但是，调节器同时控制着两个电压，因此+5V的电压也增大了。如果+12V
和+5V的电压分别与正常值的偏差的均值为0，调节器则认为是正常的。其结果就是，+12V比
正常值稍低，+5V比正常值稍高。

交叉负载图可以反映交叉负载特性。

[一个交叉负载图的例子]

X轴为+12V的负载(如果电源有多路+12V输出，则为各路的联合负载)。Y轴为+5V和+3.3V的联
合负载。于是，图中的每个点对应特定的负载分布。为了更加直观，我们用不同颜色表示电
压与正常值的偏离，从绿色(偏离小于1%)到红色(偏离4-5%)。偏离超过5%是不允许的。

上面的交叉负载图说明被测电源的+12V输出相当稳定，大部分区域为绿色。只有当负载分配
偏向于+5V和+3.3V时，+12V变为红色。

此外，交叉负载图的边缘在左右和底部受最小和最大允许负载的限制，顶部的不平坦是因为
电压偏离超过了5%。行业标准不允许电源工作在这样的负载下。

[交叉负载图上的典型负载区域]

电压在什么区域偏离的最厉害，也是很重要的问题。上图的阴影区域表示现代PC的典型功耗
：高功耗的配件(显卡，CPU)都是从+12V取电，所以+12V处于高负载状态。相反，+5V和
+3.3V只用于给硬盘和主板供电。即使在顶级PC中，+5V和+3.3V的负载也不会超过几十瓦。

对比上面两个电源的交叉负载图，你会发现第一个电源在对于现代PC不重要的区域出现红色
。而第二个电源的情况正好相反。所以，虽然这两个电源在整个负载范围内的测试结果相似
，但是第一个电源在实际使用中表现更好。

在测试中，我们测量主要的3路输出：+12V、+5V和+3.3V。在我们的文章中，会有一张动态
的三帧图像反映了交叉负载特性，其中每一帧对应于上述的一路输出。

最近有越来越多的电源对输出电压有专用的调节器，典型的设计是加一个额外的可饱和电感
调节器。这些电源的输出电压之间依赖性很小，它们的交叉负载图基本上都是绿色的。

1.4 风扇转速和温升

电源冷却系统的效率可以用两个参数衡量：噪音和温升。显然，电源很难同时在两方面都做
的很好。

为了测试冷却系统的效率，我们调节负载，从50W至最大值，每次调节后保持20-30分钟使电
源发热直至温度稳定。然后我们用光学转速计Velleman DTO2234测量电源风扇的转速，用双
通道数字温度计Fluke 54 II测量电源进风口和出风口的温度差。理想情况下，这两个数值
都是低的。如果温度和风扇转速都很高，那么这个冷却系统设计是糟糕的。

每个现代的电源都能调节风扇转速，除了其初始转速以外(也就是在最小负载下的转速，当
PC空闲且显卡和CPU的风扇转速都处于最低值时，这个转速决定了电源的噪音)。转速对负载
的依赖性存在很大差异。一个入门级的电源往往不用额外的电路控制风扇转速，而是只用一
个热敏电阻——转速变化范围只有10-15%，基本上等于没有调节。

很多电源厂商会标明风扇的噪音(dB)和转速(rpm)。这两个参数往往伴随着营销欺诈——在
18℃的条件下测试。结果可能很漂亮(比如噪音16dB)，但是没有实际意义，因为PC中的温度
会高出10-15℃。另外一个欺诈是，有的电源采用了两个风扇，厂商只说明了其中转速较慢
的风扇的参数。

1.5 输出电压纹波

开关电源的关键——所有PC电源都是开关电源——是降压变换器的工作频率比电网交流电的
频率高很多倍。变压器的尺寸得以大大减小。

电源输入的交流电压(在不同地区，频率为50Hz或者60Hz)经过整流(rectify)和平滑
(smooth)后加在开关管上，将直流电压转换回交流电压，但是频率提高了很多(60-120kHz，
取决于不同的电源方案)。这个电压经过高频变压器后降低至我们会需要的电压(12V，5V等
)，然后又经过整流和平滑。理想情况下，电源的输出电压应该是一个严格的常数，但是要
从高频交流电转换得到是不可能的。《ATX12V Power Supply Design Guide》要求输出电压
的纹波，对于+5V和+3.3V不超过50mV，对于+12V不超过120mV。

我们用双通道示波器Velleman PCSU1000记录电源在满负载下各个电压输出的波形图，并整
合到一张图中：

上、中、下三条曲线分别对应+5V、+12V和+3.3V。曲线右侧表示最大允许波动。+5V波形图
中的高尖峰说明这个电源不能过滤高频噪音，这通常是因为选用了劣质的电解电容——效能
随着工作频率的升高而恶化。

如果输出电压纹波超出正常范围，就可能影响PC的稳定性，干扰声卡和其他类似的设备。

1.6 效率

上面讨论的都是电源的输出参数，讨论效率时需要考虑输入参数。也就是说从电网得到的功
率有多少百分比被电源用来带动负载。浪费掉的功率是因为发热。

ATX12V 2.2标准对电源效率的限制如下：典型负载高于72%，满载高于70%，低载高于65%。
此外还有非强制性的要求(典型负载下效率高于80%)和自愿认证计划“80PLUS”(要求电源效
率高于80%，并且在20%以上负载时效率更高)。新的认证计划——Energy Star 4.0与
80PLUS有相同的要求。

电源的效率依赖于输入电压。输入电压越高，效率越高。110V和220V电网下的效率差别约为
2%。此外，相同电源方案的不同产品在效率上可能有1-2%的差别，因为选用的元件参数不同
。

在测试中，电源的负载从50W以小步进增加至标称的最大值，测量电源从电网中消耗的功率
。输出功率与输入功率之比即电源的效率。由此我们得效率与负载的关系图。

典型开关电源的效率一开始随着负载的增加而快速增大，达到最大值后，缓慢减小。这种非
线性导致一个有趣的结果：从效率的角度看，应该根据负载购买合适标称输出功率的电源。
如果你给电源留了很大的余量，那么在低负载时电源并不是高效的。

1.7 功率因素

交流电网提供两种功率：有功功率和无功功率。有两种情况会产生无功功率：第一，负载电
流与电网电压的相位不同(即负载是感性或者容性的)。第二，负载是非线性的。PC电源显然
是第二种情况。通常情况下，在电压最大值对应的相位时，电流的波形是一个尖锐脉冲。(
不确定，原文是It will normally consume the mains current in short high impulses
that coincide with the maximums of the mains voltage.)

问题是，当有功功率完全转化为对电源的有用功时(包括电源用来带动负载的功率和用来发
热的功率)，无功功率并没有被消耗。它回到了电网中，在发电机和负载之间徘徊，和有功
功率一样使电线发热。所以无功功率必须去除。

主动PFC是最为有效的去除无功功率的方法。事实上它是这样的一个脉冲变压器，它的瞬时
功率与电网的瞬时电压成比例。换句话说，它是线性的并且只消耗有功功率。主动PFC输出
的电压直接加到电源的开关变压器上。开关变压器是非线性元件，因此是无功负载。但是现
在加在上面的是直流电压，所以第二个变压器的非线性就不要紧了，因为它已经与电网分离
开来，不能对电网产生影响。(这段不懂……)

功率因素是用来衡量无功功率的，它等于有功功率与有功功率和无功功率之和(视在功率)的
比值。普通电源的功率因素约为0.65，主动PFC的电源功率因素可达0.97-0.99。

有时候，用户，甚至硬件评测者将功率因素和效率混为一谈，这是非常严重的错误。功率因
素是有功功率与视在功率的比值，效率是用来带动显卡、CPU等负载所消耗的功率与有功功
率的比值。

一般来说，主动PFC的受益者是电网公司，而不是用户，因为主动PFC能减小电网上1/3甚至
更多的PC负载。主动PFC对于用户的意义不大，因为电表只计有功功率。

主动PFC的一个附加的作用是电源能够适应从90V到260V全范围无间隙的输入电压，使得电源
可以在不同的电网下通用，而不需要手动选择输入电压。此外，能够手动切换输入电压的电
源，只能工作在两个电压范围内：90-130V和180-260V，在130-180V的范围内不能正常工作
。所以，如果所在地区的电力供应不稳定，AC电压经常低于180V，那么用主动PFC的电源可
以不用使用UPS，或者可以使UPS电源的寿命更长。

不过，有主动PFC并不意味着电源支持全范围的输入电压。有时候将输入电压的范围设计为
180-260V，目的是降低成本。

除了主动PFC，还有被动PFC。被动PFC是校正功率因素的最简单的方法。它只是一个与电源
串联的大扼流圈。它的电感能平滑上面提到的电流脉冲，从而减小非线性的程度。被动PFC
的作用很小——功率因素只是从0.65增大到0.7-0.75。不过考虑到主动PFC要重新设计电源
的高压电路，被动PFC可以方便地加入已有的电源。

我们测量功率因素的方法和测量效率的方法一致——负载从50W逐步增加至最大。得到的结
果与效率测试的结果放在同一张图里。

1.8 与UPS一起工作

(略)

第二部分

2.1 双路+12V输出

以前的PC电源通常每个输出电压对应一路输出(+5V、+12V、+3.3V，以及几个负电压)，每路
输出的最大功率不会超过150-200W。只有一些高瓦数的服务器电源，+5V的负载会达到50A，
即250W。当电脑的功耗越来越大，并且功耗分布偏向于+12V时，情况发生了改变。

ATX12V 1.3标准建议+12V单路输出最大电流为18A。这是出于安全考虑。根据EN-60950标准
，用户可接触的点换接头的最大输出功率不能超过240VA。我们认为，较高的输出功率引起
各种灾祸的可能性也较高，例如短路导致的燃烧或者硬件故障。显然，当+12V单路输出20A
时，电源接头是安全的。

所以，当+12V的允许输出功率亟待提高时，ATX12V标准的制定者Intel公司决定将一路输出
分为多路输出，每路的最大电流为18A(与20A的差出的2A是余量)。如果不是出于安全考虑，
这样的设计没有必要。也就是说，实际上电源只要做单路+12V输出即可。现在要实现的只是
当任意一个12V接头的电流超过18A时会触发过流保护，只要装几个分流器，每个分流器控制
一组接头。其结果是，所有单个12V的接头的输出功率都不超过18A*12V = 216VA，但是不同
12V接头的联合输出功率可以比这个数值高。

所以事实上没有双路、三路、四路+12V输出的电源。如果只需要几个分流器和一个简单的芯
片(控制分流器的电压，分流器的电阻已知，然后知道通过分流器的电流就能知道电压)能够
达到目的，电源工程师为什么要在本已拥挤的电源中加入额外的元件呢。

2.2 短路保护(SCP)

这只是《ATX12V Power Supply Design Guide》的强制性要求。

2.3 过载保护(OPP)

同上

2.4 过流保护(OCP)

非强制性的要求，不是所有电源都有，也不是电源的所有输出都有。

2.5 过热保护(OTP)

非强制性要求，而且通常电源都没有。

2.6 过电压保护(OVP)

强制性要求，但只是针对严重的故障。只有在输出电压高于正常值20-25%时才起作用。

2.7 欠电压保护(UVP)

与OVP对应，范围也是20-25%。

2.8 尼龙套管

电源输出线缆上柔软的编织尼龙套管(是说蛇皮网吧)可以使机箱内看起来整洁。然而不幸的
是，很多厂商将尼龙套管偷换为厚厚的塑料套管，通常是屏蔽的(指整根线缆)，还带UV光。
后者是主观的，不加以评论，但是屏蔽对于线缆没有任何好处。厚厚的套管使得线缆坚硬且
不易弯曲，从而使得布线变得困难，更危险的是弯曲的载荷必须由接头来承担。

另外，这些套管对改善机箱内风道的帮助很小。

2.9 支持双核CPU

与单核CPU对比，双核CPU对电源没有任何特殊的要求。

2.10 支持SLI和CrossFire

包含两重意思：第一，拥有多个显卡供电接头。第二，高瓦数——往往远大于典型的SLI或
CrossFire系统的需求。

2.11 工业级元件

工业级元件的工作温度范围很大。但是在电源中安装一个能在-45℃温度下工作的芯片有什
么意义？因为这个电源永远不会在这样寒冷的环境中使用。

有时，“工业级元件”指的是能在105℃温度下工作的电容。电源输出电路的电容除了自身
的发热以外，还距离高温的扼流圈很近，所以一般都是使用最大耐温105℃的电容，否则电
容的寿命会很短。当然，电源内部的温度要低很多，但是电容的寿命依赖于环境温度。在相
同的热条件下，耐温高的电容寿命长。
输入高压电容的工作温度是室温，因此用一个相对便宜的85℃电容对电源的寿命影响不大。

2.12 先进的双管正激设计

用晦涩的术语诱惑潜在的消费者是市场部门的法宝之一……

这里，双管正激指的是电源的拓扑，也就是电路设计的基本思想。除了双管正激，还有很多
不同的拓扑，如单端正激或者半桥。只有专业人员对这些术语感兴趣，对于普通用户它们的
意义不大。

电源拓扑的选择取决于多个因素，如满足特性需求(不同的拓扑对元件特性的要求不同)的晶
体管、变压器、控制芯片等是否易得，价格如何。举个例子，单端正激比较简单，成本低，
但是在输出部分需要一个高压晶体管和一个高压二极管，价格都很昂贵，所以单端正激只用
于廉价的低瓦数电源上。半桥稍微复杂一些，但是对晶体管的需求要低2倍。所以这只是必
需元件是否容易得到，价格是否合适的问题。(这段也不懂……)

2.13 双变压器设计

使用两个功率变压器——通常在高瓦数电源中(1000W或更高)——也纯粹是一个工程上的解
决方案。采用这个解决方案可能是因为比较容易实现，但是它对电源的特性没有影响，一些
厂商的关于采用双变压器设计后电源更加稳定、可靠之类的宣传是没有根据的。

2.14 RoHS

(略，主要涉及无铅焊料，个人认为不能算营销欺诈。)

第三部分

3.1 我们的测试平台

在我们的电源测试中，主要的任务是在不同负载下测试电源，直至达到最高负载。很多测试
者用普通PC作为负载，将被测电源安装到PC上。这个方法有两个缺点：你不能控制PC的功耗
，而且很难喂饱高瓦数电源。在电源厂商开始功率竞赛的今天，他们的产品的性能已经远远
超过典型PC的需求，因此第二个缺点是非常致命的。当然可能有人会说，如果实际PC的功耗
小于500W，那么测试电源在负载500W以上时的性能没有意义。但是，如果测试一款高瓦数电
源却不测试整个负载范围，那将是很奇怪的。

在我们的实验室中，我们采用了可编程控制的可调节负载。测试平台基于大家熟知的
MOSFET特性：MOSFET根据门电压的大小限制流过漏源电路的电流大小。

上图是一个简单的基于MOSFET的电流调节器：输出电压+V接被测电源，调节变阻器R1可以改
变MOSFET的门电压VT1，于是改变了流过MOSFET的电流I的大小，范围从0至最大值(由晶体管
特性和被测电源决定)。

然而，这个电路不是完美的。即使门电压保持不变，当MOSFET发热时，它的特性稍有改变，
电流I也随之改变。为了解决这个问题，我们需要在电路中加入第二个电阻R2和一个运放
DA1。

当MOSFET开路时，电流I流过漏源电路，流过电阻R2。根据欧姆定律，R2上的电压U = R2*I
。这个电压加在运放DA1的反相输入端，正相输入端加上可变电阻R1上的控制电压U1。运放
的性质是改变输出电压使得正相、反相输入端的电压趋于一致。这里，运放的输出电压是
MOSFET的门电压，可以调节流过它的电流。

假设电阻R2 = 1Ω，我们设置R1上的电压为1V。然后运放会改变它的输出电压使得R2上的压
降也为1V，电流I = 1V/1Ω = 1A。如果我们设置R1的电压为2V，则I = 2A。如果因为
MOSFET的发热，电流I发生变化，R2上的压降也相应地改变，运放会快速调整输出电压使电
流I恢复原来的数值。

于是，我们获得了一个完美的可控负载，只要调节控制杆，就可以得到从0至最大值平滑变
化的电流。这个电流可以很好地保持在设定值上。这个设备很小巧，比用一堆乱七八糟的低
阻值电阻经过串联啊并联啊来测电源要容易多了。

耗散在MOSFET上的最大功率取决与它的热阻、晶圆的最大允许温度、其上安装的散热器的温
度。我们选用的型号是International Rectifier IRFP264N，晶圆最大允许温度为175℃，
晶圆散热器热阻为0.63℃/W。测试平台的冷却系统可以保持散热器的温度在80℃以下，伴随
着巨大的噪音……于是，耗散在MOSFET上的最大功率为(175 - 80)/0.63 = 150W。有时候一
组负载不够，可以并联多组两个MOSFET并联在一个运放上也是可以的，不过最大耗散功率是
单个MOSFET情况下的1/2。

(略去一堆介绍如何实现自动测试的)。

上图就是现在测试平台的现状。现在能测的最大功率是1350W(+12V为1100W，+5V和+3.3V为
250W)。

我们写了一个特别的程序来控制测试平台，并使测试自动化。截图如上图所示，功能如下：

手动设置各通道的负载：
第一+12V从0A到44A
第二+12V从0A到48A
+5V从0A到35A
+3.3V从0A到25A
实时跟踪被测电源的上述各路输出
自动测量和绘制被测电源的交叉负载图
自动测量和绘制电源效率、功率因素与负载的关系图
半自动绘制风扇转速与负载的关系图
半自动校准测试平台

其中最有价值的是自动绘制交叉负载图，因为手动测量的工作量相当大。

[效率和功率因素测试]

我们采用额外的设备测量电源的效率和功率因素：电源经由一个分流器接入220V电网。
Velleman PCSU1000示波器也接到分流器上。屏幕上显示了电源消耗的电流的波形图，我们
可以计算电源在电网上消耗功率。电源的负载已知，我们能够计算出效率。(这个示波器功
能比较强大？)

为了保证精度，我们在测量输出功率时将输出电压的偏离考虑进去。例如，如果负载是10A
时，+12V的电压减小至11.7V，那么功率则是10A*11.7V = 117W。

[Velleman PCSU1000示波器]

这个示波器还被用来测量输出电压纹波，测量+5V、+12V和+3.3V在最大负载时的波形。示波
器的接法有所不同——有两个并联电容。这种接法是《ATX Power Supply Design Guide》
建议的：

[输出电压纹波测量]

我们的示波器是双通道的，于是我们每次测量一路的纹波，测量三次，得到的三条曲线都整
合在一张图中。

示波器的设置在左下角。纵坐标为50mV/div，横坐标为10us/div。每次测量纵坐标保持不变
，横坐标可以改变：有些电源的输出含有低频脉动，我们会提供另外一个波形图，横坐标为
2ms/div。

风扇的转速用光学转速计Velleman DTO2234测量。

我们还用双通道热偶温度计Fluke 54 II测量电源前后的温升。一个探头测量室温，另一个
测量电源出风口的温度。为了提高结果的重复性，我们将第二个探头固定在相对与电源的一
个不变的位置上。对于所有被测电源这个位置都是一致的。

(完)