基于增量负载扰动和最小二乘拟合的通信电源效率测量法

朱 浩

（朗讯科技光网络有限公司，上海 200233）

0 引言

通信设备中大量使用DC/DC隔离和非隔离电源,高效率的通信电源除了能够直接降低电信运营商规范的每端口最大功耗，而且还能够显著改善设备内部的散热状况，进而延长设备的使用寿命。因此，完成通信电源设计后，对其效率进行实测验证显得尤为重要。

在实际操作中，很多通信电源设计的输出电压低、输出电流大，电路板尺寸、成本也有限制，电源输出也无法和被供电电路完全分开，因此，电源效率很难运用传统的Vout*Iout/(Vin*Iin)方法及其各种延伸方法进行测量。

本文介绍一种基于增量负载扰动和最小二乘拟合的通信电源效率测量方法。该方法能够克服前述的困难，并且能很容易地被应用到通信电源规模生产的自动化测试和ICT（In Circuit Test:在电路测试）测试中。

1 基于增量负载扰动和最小二乘拟合的电源效率测量方法的原理

图1是典型的通信电源[1-2]的“效率—输出负载电流”曲线。按照曲线的变化率，可以把曲线分为3段：1）前段：欠载的电源工作在这一范围，效率曲线趋于上升，电源过设计(Over Design)；2）中段：电源处在最佳动态响应范围，效率趋于平坦；3）后段：过载的电源工作在这一范围，效率趋于下降，电源欠设计(Under Design)。好的通信电源设计，会把电源的负载动态范围调整到中段，这是下面将要讨论方法的前提约束条件。

电源的输入功率为Pin时，效率η是输入或输出功率的函数，输出功率为Pout，其中Pin可以直接测得，Pout未知，因此可以把电源系统看作效率η待定的黑盒子：

图1 典型的通信电源的“效率-输出负载电流”曲线

不妨可以对电源系统施加增量负载扰动p_out（p_out=Vout×ΔIout的大小由测试设备的最小精度决定），可以重新测得输入功率为Pin'，使得：

电源工作在中段，有如下的前提约束条件：

联立公式（2）和（3），令p_in=Pin'-Pin：

电源的实际“效率—输出负载电流”曲线局部往往呈现非单调性，进而造成通过公式（4）计算出的某些η会大于1。为减小这些奇异点对结果的影响，可以采用逐步递增地施加N次增量负载扰动p_out1...p_outN，同时可以测得N个Pin1…PinN和 N个p_in1…p_inN。对p_out1...p_outN和p_in1…p_inN分别进行最小二乘拟合[3-4]（一般取一阶或二阶拟合；高阶曲线拟合时，数据点之间容易出现大的波纹[5]），得到拟合后的p_out1”...p_outN”，p_in1”…p_inN”和 η1”… ηN”（以二阶拟合为例）：

最后用η1”… ηN”的平均来进一步滤除波动：

2 实验结果和分析

图2（上）是某自行设计的有源钳位正激-48V/+2.5V通信电源电路的实际效率和采用本文方法得到的效率的比较。图2（下）列出了本文方法的相对（实际效率的）误差，控制在±5%之间的相对误差，在实际工程应用中可以接受。

2.1 施加增量负载扰动的方法

电子负载并接在待测通信电源的输出，又有p_out=Vout×ΔIout，因此只要微量（大小由测试设备的最小精度决定）增加电子负载的输出电流即可。

图2 本文方法测得某有源钳位正激-48 V/+2.5 V通信电源电路效率和实际效率的比较（上）和用本文方法测得效率的相对误差（下）——N=20；二阶拟合。

2.2 对欠载和过载的定性分析

图2（上）中可以看到没有经过最小二乘拟合的“效率—输出负载电流”曲线。对该曲线的前段部分滤除直流成分后，发现这部分曲线的“过零”率（相对中段和后段）很高；而该曲线的后段部分，有明显的下降型奇异点。虽然本文方法无法比较精确地测得前段和后段处的效率，但是可以通过这些判断，定性地分析出电源是否处于欠载（前段）或过载（后段）状态。

2.3 N的选择

N选择太小，将无法减小奇异点对结果的影响；N选择太大，容易使电源超出中段的工作范围。可以结合没有经过最小二乘拟合的“效率—输出负载电流”曲线上奇异点的形态分布，进行试探性选择。

2.4 在自动化测试和ICT测试中的应用

在通信产品的产线上，自动化测试平台（如用LabVIEW开发的环境[6-9]）可以通过控制总线，很方便地实施增量负载扰动，并自动采集N组p_out和p_in，随后由计算机拟合出结果，最后通过判断结果对成品进行检测和筛选。在ICT测试中，也可以实施类似的应用，前提是电路板上的电源输出必须预布上ICT的测试焊盘（ICT Test Via），用以通过ICT测试夹具（ICT Fixture）联接电子负载。

3 结论

为克服传统的电源效率测试方法Vout*Iout/(Vin*Iin)在实际操作中的困难,提出了一种基于增量负载扰动和最小二乘拟合的通信电源效率测量方法，可以对工作在“效率—输出负载电流”曲线中段的通信电源的效率进行测量，同时可以定性地判断通信电源是否工作在欠载或过载状态。这一方法也可以很容易地被应用到通信电源规模生产的自动化测试和ICT测试中，因此是一种实用的新型通信电源效率测量方法。

[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,娄爱华,何正伟.计算方法[M].上海:上海高机书店,1987:43-47.

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

[5]李人厚,张平安.精通MATLAB--综合辅导与指南[M].西安:西安交通大学出版社:112-115.

[6]基于LabVIEW的模拟实验数据采集与处理系统开发[EB/OL]. http://www.test169.com/article/show.php?itemid=271, 2008-1-2.

[7]LabVIEW技术入门之一[EB/OL]. http:///www.test169.com/article/show.php?itemid=90,2007-7-26.

[8]LabVIEW技术入门之二[EB/OL]. http:///www.test169.com/article/show.php?itemid=120,2007-8-3.

[9]LabVIEW中的I/O接口设备驱动[EB/OL].http:///www.test169.com/article/show.php?itemid=209, 2007-11-1.