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電源供應器驗證：從PFC, 效率到保護電路的全方位測試

從掌中的物聯網 (IoT) 裝置、家中的個人電腦，到工廠產線上的自動化控制器，每一個電子系統的心臟都是其電源供應器 (Power Supply Unit, PSU)，然而，對 PSU 的驗證，遠不止於確認「電壓是否正常」這樣一個簡單的“Go/No-Go”測試，一個真正可靠的電源，必須在效率、電源品質、穩定性與安全性之間取得精確的平衡。


本文提供一個跨越不同應用領域（包括消費性、工業及資訊科技）的電源供應器驗證實踐指南，內容將跳脫純粹的高端伺服器應用，聚焦於所有交換式電源供應器 (SMPS) 都應具備的核心品質屬性，探討如何從輸入端到輸出端，執行全面且有意義的驗證。


輸入端特性：表徵交流電源介面


對於所有 AC-DC 電源轉換器而言，驗證的第一步是評估其如何與電網 (AC Main) 互動，一個設計不良的輸入級，不僅會對電網造成「污染」，還可能違反國際法規，或在啟動瞬間造成系統故障。


功率因數修正 (Power Factor Correction, PFC) 的驗證


  • 概念： 功率因數 (PF) 描述了電源從電網獲取「有效功率」的效率，一個理想的負載（如純電阻），其電流波形應與電壓波形完全同步，然而，傳統的 AC-DC 轉換器（不含 PFC）在 AC 電壓峰值時才會抽取大量電流，形成「脈衝狀」的電流波形，這種波形會產生嚴重的諧波，降低電網品質。

  • PFC 的作用： 主動式 PFC 電路的作用，就是主動「塑造」輸入電流的波形，使其盡可能地追隨輸入電壓的正弦波形，從而使功率因數接近理想值 1.0。

  • 測試實踐：

    1. 法規遵循： 根據目標市場法規（如歐盟的 EN 61000-3-2）要求，在特定負載條件下量測 PF 值。

    2. 全範圍測試： PFC 的表現會隨負載和輸入電壓而變化。驗證時，不應只測試 100% 滿載，而應涵蓋一個完整的矩陣，例如在 90VAC、115VAC、230VAC、265VAC 等不同輸入電壓下，分別測試 20%、50%、75% 及 100% 的負載，以確保其在真實使用情境中始終合規。


輸入諧波電流 (Input Harmonics, iTHD)


  • 概念： 諧波電流 (iTHD) 是對 PFC 測試的補充。它量化了輸入電流波形中，除了基頻（50Hz 或 60Hz）之外，包含了多少高次諧波（如 3 次、5 次、7 次...）的「污染」成分，這些諧波會導致電網中的變壓器和電纜過熱，是法規嚴格管制的對象。

  • 測試實踐： 使用高精度的功率分析儀 (Power Analyzer)，在與 PFC 測試相同的條件下，量測並記錄各次諧波電流的幅度，確保其低於 IEC 61000-3-2（針對不同設備等級 Class A, B, C, D）所規定的限制。


浪湧電流 (Inrush Current)


  • 概念： 當電源首次接通 AC 電源時，其輸入端的大電容（Bulk Capacitor）需要瞬間充電，這會產生一個遠高於正常工作電流的巨大「浪湧電流」。

  • 為何是威脅： 過大的浪湧電流可能會燒毀保險絲、損壞電源內部的整流橋，甚至導致上游的斷路器 (Breaker) 跳脫，引起整個設施的供電中斷。

  • 測試實踐：

    1. 冷啟動 (Cold Start)： 讓 PSU 處於室溫並完全放電狀態下，接通 AC 電源，捕捉其峰值電流 (Ipeak) 與持續時間。

    2. 熱啟動 (Hot Start)： 讓 PSU 在滿載下運行穩定後，斷開 AC 再立即重新接通，模擬短暫斷電情境，此時內部的熱敏電阻 (NTC) 尚處於高溫低阻狀態，浪湧電流可能更高。

    3. AC 相位角控制： 浪湧電流的大小與「接通 AC 時的電壓相位角」密切相關，最壞的情況通常發生在 AC 電壓波形的峰值 (90° 或 270°) 時，因此，必須使用可程式化的 AC 電源供應器，精確控制開機的相位角，以捕捉真正的最大浪湧電流。


輸出性能：超越電壓讀數的穩定性


電源的輸出端是其價值的最終體現。除了提供正確的直流電壓外，其效率和穩定性更是關鍵。


效率 (Efficiency)：普世的基準


  • 概念： 效率是「輸出的總 DC 功率」與「輸入的 AC 功率」之間的比值，損失的功率主要以「熱」的形式散失。

  • 為何重要：

    • 節能與法規： 全球性的能效規範（如針對外部適配器的 DoE Level VI，或針對電腦電源的 80 PLUS 認證）對效率有強制性要求。

    • 散熱與成本： 效率越低，產生的廢熱越多，這意味著需要更強大（且昂貴）的散熱系統（如更大的散熱片、更快的風扇），增加了產品的體積、噪音與成本。

  • 測試實踐：

    1. 精確量測： 準確的效率量測極具挑戰性，它需要使用高精度的功率分析儀，並能「同時」捕捉輸入 AC 功率和輸出 DC 功率。

    2. 負載曲線： 與 PFC 相同，效率應在完整的負載範圍（如 10%、20%、50%、100% 負載）和輸入電壓（低壓、高壓）下進行測試，繪製出「效率曲線」。

    3. 輕載與待機功耗： 對於許多消費性電子產品，其大部分時間處於待機或輕載狀態；因此，驗證 10% 負載、5% 負載，乃至「空載 (No-Load)」時的待機功耗，對於符合現代能效標準至關重要。


靜態調節 (Static Regulation)


  • 線性調節 (Line Regulation)： 量測當負載固定（例如 50%）時，輸入 AC 電壓從最低（例如 90VAC）變化到最高（例如 265VAC）的過程中，輸出 DC 電壓的穩定程度。

  • 負載調節 (Load Regulation)： 量測當輸入 AC 電壓固定（例如 115VAC）時，負載從 0%（空載）變化到 100%（滿載）的過程中，輸出 DC 電壓的穩定程度。


交叉調節 (Cross-Regulation)：多路輸出電源的噩夢


  • 概念： 適用於具有多組輸出（如 12V, 5V, 3.3V）的 ATX 電源或工業電源。由於這些輸出的功率級可能部分共用（例如共用變壓器繞組或穩壓迴路），導致對一路輸出（如 12V）加重負載時，會干擾到其他路輸出（如 5V）的電壓穩定性。

  • 測試實踐： 這是 DVT 測試中的關鍵項目。必須設計「最壞情況」的負載組合，例如：

    • 將 12V 設置為最大負載，5V 設置為最小負載，觀察 3.3V 的電壓是否漂移。

    • 將 5V 和 3.3V 設置為最大負載，12V 設置為最小負載，觀察 12V 的電壓。

    • 一個設計精良的電源，其交叉調節性能應能將所有輸出的電壓保持在規範範圍（例如 ±5%）內。


動態與保護電路驗證


電源不僅要在穩定狀態下工作，還必須能妥善處理瞬息萬變的動態事件與極端的故障情況。


時序 (Timing) 與動態響應


  • 開/關機時序 (Sequencing)： 現代系統（如主機板）通常要求多組電源以特定的順序啟動（例如 3.3V 必須早於 1.2V 啟動），測試時需使用示波器同時監控所有輸出軌，確保其「上升時間 (Rise Time)」和「啟動順序」符合規範。

  • 保持時間 (Hold-Up Time)： 這是一個至關重要的安全指標，它量測當 AC 輸入電源被「突然切斷」時，PSU 的輸出電容還能維持輸出電壓在規範範圍內多久（通常要求數十毫秒），足夠的保持時間能讓系統有充裕的時間（例如 16 毫秒）儲存資料、安全關機，防止在短暫停電時發生數據丟失。


保護電路驗證 (Protection Circuit Verification)


保護電路是電源的最後一道防線，確保其在故障時不會損毀自身或昂貴的負載（如 CPU）。


  • OVP/UVP (過壓/欠壓保護)： 透過外部 DC 電源「注入」一個錯誤的電壓到反饋迴路，或調整 PSU 內部參考電壓，驗證其是否在正確的電壓點觸發過壓或欠壓保護並關斷。

  • OCP/OPP (過流/過功率保護)：

    • 測試方法： 使用電子負載，以非常緩慢的速率（例如 0.1A/秒）增加電流，直到觸發保護，記錄其「跳脫點 (Trip Point)」。

    • 行為模式： 觀察保護後的行為。是「鎖死 (Latch-Off)」（需要重啟 AC 才能恢復），還是進入「打嗝模式 (Hiccup Mode)」（不斷嘗試重啟）？

  • SCP (短路保護)： 這是最嚴苛的測試。在電源正常運行時，直接將其輸出端（例如 12V 和 GND）進行「硬短路」，驗證電源是否能立即關斷，並在短路移除後自動恢復正常。


常見的測試環境陷阱


不正確的測試環境，會使所有量測數據失效。


測試治具與線纜的衝擊


  • IR 壓降 (Voltage Drop)： 在大電流測試中（例如 50A），連接 PSU 和電子負載的電纜本身會因電阻而產生顯著的電壓降 (IR Drop)，如果只在負載端量測電壓，會誤以為 PSU 的負載調節性能很差。

  • 四線式 (Kelvin) 量測： 解決方案是使用「四線式 (Kelvin) 量測」，使用兩條粗線傳輸大電流（Force），並使用另外兩條獨立的細線（Sense）直接從 PSU 的輸出端子上量測電壓，這可以完全消除線纜壓降對電壓讀數的干擾。

  • 寄生電感與雜訊： 過長的測試線纜會引入寄生電感，這會使瞬態響應測試的結果失真，同時，不良的接地佈局會耦合環境中的高頻開關雜訊，污染 PARD (紋波與雜訊) 的量測結果。


AC 電源供應器考量


使用「乾淨」的可程式化 AC 電源供應器，而非直接使用牆壁插座 (Wall Power)，是確保測試可重複性的關鍵，牆壁電源本身可能充滿了諧波、電壓突波與頻率漂移，會對 PFC、iTHD 和浪湧電流測試造成干擾。


熱管理


PSU 的所有性能——尤其是效率和保護電路的跳脫點——都會隨溫度而變化，在 25°C 的開放實驗室中測試通過，不代表它能在 50°C 的狹窄機箱內穩定運行，完整的 DVT 應包含在溫箱 (Thermal Chamber) 中進行高溫和低溫的全功能測試。


結論：邁向全面的驗證


電源供應器的驗證是一個多維度的系統工程，它要求測試工程師不僅要關注單一的規格參數，更要理解 AC 輸入品質、DC 輸出穩定性、多路輸出間的耦合效應、動態時序以及極端故障下的安全行為。一個通過了 PARD、瞬態、效率、時序與保護電路全方位驗證的電源，才是真正能賦予終端產品高可靠性的堅固基石。

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