【CAVEDU講堂】如何正確測得電源供應器的電壓及電流額定輸出值

作者/圖片來源:CAVEDU 教育團隊

目前市面上有很多高性能的嵌入式系統如:Nvidia Jetson系列、樹莓派系列、Google Coral Dev Board系列等,這些系統為了因應各種應用場合不論是AI運算、GUI應用或各類介面控制,都需要一定水準的直流電源供應器,主要的特點就是需要較高且穩定的額定電流輸出的能力。

目前市面上有許多電源供應器都在外殼上標示著各種電路參數,在一般應用時使用者都會特別關注電源供應器的額定電壓值,電源供應器的額定電壓值若超過負載所能承受電壓輸入大小,大都會有燒毀負載的危險,關於這一點,大多數使用者都會特別小心,也較少會出現錯誤,但常常被使用者忽略或是誤解的往往是另一個電路參數,也就是「額定輸出電流值」,更甚者有些不肖廠商會將這個輸出額定電流誇大,讓每個使用者對於這個參數更有著許多疑惑感,本文將針對如何正確量測電源供應器的額定輸出電壓與電流值進行說明。

市面上有許多這類型的電源供應器

複習基本電學

請參考下圖,這是一個簡單的串聯迴路電路。


在上圖當中,可以透過簡單的歐姆定律可以計算VL = IL × RL。

也由於是串聯電路,所以IP=IL。

在這裡我們必須確實說明VL與IL,通常負載端的VL與IL泛指負載在「正常」運作時所需要維持的電壓與電流大小,在一般而言,若負載(如:嵌入系統電腦),在進行龐大的運算時都會有產生較大的電流需求(IL變大),但對於電源電壓依然必須是保持在穩定的狀態(VL固定),若以歐姆定律RL = VL / IL解釋,此時負載的阻抗RL變小。

在正常運作的狀態下,IP是等於IL的,意思就是負載所需的電流IL都可以正常透過電源供應器所輸出的IP取得。

在這裡也特別說明一個重要觀念,也就是電源供應器所標示電流值,指的是「額定輸出電流值」,意思就是因應負載阻抗的需求所「能提供」最大的輸出電流值,我們來假設一個狀況,若電源供應器「額定輸出電流」為4A,而負載所需的電流IL僅需要2A即可讓負載正常運作,那麼按照電源供應器所標示的額定輸出電流值來看,IL應該是可以穩定的從電源供應器的輸出來取得。

再換另一個狀況來說明,承剛剛的例子,若此時負載(嵌入式系統電腦)因需要進行龐大的運算,產生較大的電流需求以維持負載(嵌入式系統電腦)的正常運作,假設此時的所需的操作電流變大為5A,但維持負載(嵌入式系統電腦)正常運作的操作電壓必須保持在5V,透過歐姆定律的計算,我們可以知道當時的負載阻抗RL = VL/IL = 5V/5A = 1Ω。

但是,電源供應器的額定輸出電流只有4A,透過歐姆定律亦可知當時實際的VL = IL × RL = 4A × 1Ω = 4V,請注意,這裡有個很重要的前提也就是前述—「維持負載(嵌入式系統電腦)正常運作的操作電壓必須保持在5V」,很明顯4V可能已經無法滿足這個5V的操作電壓需求,負載(嵌入式系統電腦)很有可能就無法正常運作。

從上述的例子當中,我們已經可以看出很重要的關鍵,也就是電源供應器的「額定輸出電流值IP」必須是大於(至少要等於)負載所需的操作電流IL,這樣才能確保負載(嵌入式系統電腦)運作的正常。

電子負載的簡介

要量測電源供應器的額定輸出電流值可以透過「直流電子負載」進行測量,在本文當中採用的直流電子負載型號是BK PRECISION 8601,此型號的電子負載可以承受120V、60A、250W的電氣操作環境條件。

直流電子負載在本文所說明的測試方式中,扮演一個「可調節負載阻抗大小」的角色,透過這種儀器設備可以模擬前述的基本電學的電路操作,透過電子負載我們可以以手動或是自動的方式調節阻抗大小以進行測試。

這裡或許有些人會認為「只要透過可變電阻來調節阻抗大小不是很簡單嗎?」,但事實上在本文的測試情境中,流過阻抗的電流大小往往都會有數A的大小,負載所承受的功率會高達數十W,這種負載功率大小不是一般的常見的「碳膜可變電阻」可以承受的(註:這種碳膜可變電阻往往只能承受<1W的功率),因此絕對不要拿碳膜可變電阻進行數十W功率的測試,以免燒毀元件或造成危險。

如何測量電源供應器的額定輸出電流值

測試電路連接的方式非常簡單,只要把電源供應器的輸出按照電源電壓極性正確接在電子負載的「INPUT」的正負兩端即可。

電子負載測量電源供應器的模式設定方式,主要有4種方式,分別是:

  1. CC(設定負載汲取電流IL大小)
  2. CV(設定負載兩端電壓VL大小)
  3. CW(設定負載汲取功率大小)
  4. CR(設定負載阻抗大小)

一般量取「穩壓式電源供應器」常用的測試模式為CC、CW、CR三種方式,以下便開始分別介紹這三種模式的操作概念。

  1. CC模式:其實這個模式操作概念很簡單,便是設定流入電子負載的電流IL(或IP)的電流大小,透過逐步增加CC電流設定值,觀察電源供應器的電壓輸出值VL是否穩定在理想的範圍內。
  2. CW模式:基本上就是以「消耗功率」設定的概念呈現測試結果,其概念便是功率的計算公式PL=IL × VL的方式進行測量,透過逐步增加負載消耗功率,檢查電源供應器的功率是否有「線性」的變化,當負載消耗功率變大時(在穩壓的前提下,代表IL(或IP)變大,往往電源輸出電壓(或負載電壓)VL便會隨之變小,此時要觀察VL的電壓是否穩定在理想的範圍內。
  3. CR模式:設定負載阻抗大小來汲取來自電源供應器的輸出電流IP,負載阻抗RL越小則電源輸出電流IP愈大,隨著IP增加,往往電源輸出電壓(或負載電壓)VL便會隨之變小,此時要觀察VL的電壓是否穩定在理想的範圍內。

從前述的三種模式裡,可以知道觀察負載電壓VL的穩定狀況,是評估穩壓式電源供應器的重要關鍵,一般我們都是期望在負載電流IL變大時,負載電壓VL亦能夠穩定在期望的範圍內,若負載電壓VL變小的幅度太大,和電源供應器所標示的穩壓輸出大小差異過大,代表電源供應器的標示有其疑慮之處,使用者就該慎重考慮是否採用該款電源供應器了。

以下,針對某個標示為5V / 5A 的穩壓式電源供應器進行實測,列出整個測試的過程紀錄照片供大家參考。

IL=0A,VL=5.1418V,此時等同於「空載」狀態,理論上VL為最大。

IL=0.999A,VL=5.5554V

IL=2.999A,VL=4.8826V


IL=4.999A,VL=4.7063V,很明顯可以看出滿載5A時,電壓已經無法維持在5V了。

根據以上的測試結果,便可以判定電源供應器是否有達大家理想的表現了,在這裡特別聲明負載電壓VL的大小必須是要能維持住負載的正常操作電壓的範圍內。

以下附上測試時所記錄下來的影片,供大家參考。

最後要感謝『台灣百科精密儀器股份有限公司』提供測試機台:https://www.bktw.com.tw/zh-tw/

(本文經CAVEDU同意轉載,原文連結;責任編輯:謝涵如)

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