謝璐璐

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610）

電源適配器平均效率的測(cè)量不確定度評(píng)定

謝璐璐

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610）

對(duì)符合GB 20943-2013定義的電源適配器平均效率的測(cè)量不確定度進(jìn)行了實(shí)例評(píng)定，示范了如何處理評(píng)定過(guò)程中復(fù)雜的非線性數(shù)學(xué)模型問(wèn)題，闡述了獲取電源適配器平均效率合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的過(guò)程和方法，進(jìn)而確定電源適配器平均效率測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度。

GB 20943-2013；電源適配器；平均效率；不確定度評(píng)定

引言

本文依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 20943-2013《單路輸出式交流-直流和交流-交流外部電源能效限定值及節(jié)能評(píng)價(jià)值》有關(guān)電源適配器及其平均效率的定義和要求，并參考中華人民共和國(guó)國(guó)家計(jì)量技術(shù)規(guī)范JJF 1059-2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》有關(guān)測(cè)量不確定度的原則、方法和步驟，通過(guò)實(shí)例給出了評(píng)估電源適配器平均效率的測(cè)量不確定度的過(guò)程和方法。

1 測(cè)試對(duì)象

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[1]定義，平均效率的測(cè)試對(duì)象為用于將交流電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換為固定的、單路低壓直流（不大于36V）或低壓直流（不大于36V）輸出電壓的外部電源適配器，該適配器需滿足以下要求：

1）每次使用時(shí)只提供一個(gè)固定的直流輸出電壓；

2）與用電負(fù)載配套；可與用電負(fù)載分離；

3）通過(guò)電線、電纜或其他永久性連線與終端產(chǎn)品相連接；不配備任何電池。

這里定義的適配器也是目前普遍應(yīng)用于各類電子產(chǎn)品的外部電源適配器，常見的有筆記本電腦適配器、顯示器適配器、手機(jī)充電器等。本文主要是針對(duì)這種大眾化應(yīng)用的適配器進(jìn)行平均效率的不確定度評(píng)估。

2 平均效率

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[1]定義，平均效率是指電源適配器在滿足額定輸出電流的100%、75%、50%和25%四種電流強(qiáng)度的工作狀態(tài)下的工作效率的平均值，其中工作效率指電源達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，實(shí)際輸出功率和實(shí)際輸入功率有功功率之比。平均效率的具體測(cè)試過(guò)程為：

1）在環(huán)境溫度（23±5）℃下，采用230V、50Hz的交流電壓測(cè)試模式對(duì)樣品依照其標(biāo)稱輸出持續(xù)工作30Min進(jìn)行預(yù)熱。

2）調(diào)節(jié)負(fù)載使輸出電流到額定電流的x%并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，分別獲取在此穩(wěn)定狀態(tài)下交流輸入端的輸入有功功率（ixP）和交流或直流輸出端的輸出功率（oxP），按式（1）計(jì)算此種工作狀態(tài)下的工作效率xη。

測(cè)試時(shí)，調(diào)節(jié)測(cè)試負(fù)載使產(chǎn)品輸出電流按照額定值的100%，75%，50%，25%順序變化，并記錄輸出功率和交流輸入功率。

3）計(jì)算算術(shù)平均效率以及進(jìn)行測(cè)量不確定評(píng)估。

平均效率是電源適配器在節(jié)能評(píng)價(jià)過(guò)程中的一個(gè)非常重要的參數(shù)，通過(guò)將測(cè)得的平均效率與所要求的平均效率節(jié)能評(píng)價(jià)值相比較，從而確定該適配器是否符合節(jié)能要求。因此，為保證這種符合性判定的順利進(jìn)行，必須對(duì)平均效率進(jìn)行測(cè)量不確定度評(píng)估。

3 測(cè)試設(shè)備

本文通過(guò)選取樣品對(duì)電源適配器的平均效率進(jìn)行測(cè)試，并基于實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)例闡述測(cè)量不確定度的評(píng)定過(guò)程和處理方法。本文實(shí)際測(cè)試過(guò)程所使用的交流電源型號(hào)為PCR1000L，功率計(jì)型號(hào)為WT210，電子負(fù)載型號(hào)為IT8512C。

4 數(shù)學(xué)模型

電源適配器平均效率的測(cè)量，為先測(cè)四個(gè)不同輸出電流下的工作效率，再求均值，數(shù)學(xué)模型為

式（2）中η25,η50,η75,η100分別為電源適配器在輸出電流額定值的25%，50%，75%，100%下的工作效率。η25,η50,η75,η100這四個(gè)變量是在不同體系條件下（即不同輸出電流下）分開進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果，因此可認(rèn)為這四個(gè)變量互不相關(guān)，同時(shí)可認(rèn)為每個(gè)變量都近似服從正態(tài)分布，因此，四個(gè)工作效率在數(shù)學(xué)模型中的方差和傳播系數(shù)為

由于式（1）為非線性函數(shù)，因此將式（1）代入式（2）后得到的數(shù)學(xué)模型也是非線性的。這里不直接將式（1）代入式（2），而是首先通過(guò)式（1）求取四個(gè)工作效率的不確定度，然后基于這四個(gè)工作效率的不確定度再求取平均效率的不確定度。

根據(jù)規(guī)范要求[2]，當(dāng)測(cè)量函數(shù)為非線性時(shí)，由泰勒級(jí)數(shù)展開獲取近似線性測(cè)量模型。因此，這里對(duì)式（1）進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開，且當(dāng)oxP和ixP之間的相關(guān)系數(shù)為0時(shí)，得到每個(gè)工作效率非線性模型帶高階項(xiàng)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算式子

對(duì)于電源適配器來(lái)說(shuō)，一般輸入功率和輸出功率都要大于1W，平均效率大于50%，因此式（3）最后兩項(xiàng)可忽略。式（3）中Pox,Pix為直接測(cè)量值，只需求出這兩個(gè)變量的不確定度就可以確定各個(gè)工作效率的不確定度，在已知各個(gè)工作效率的不確定度后，利用式（2）便很容易確定平均效率的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

總之，本文把電源適配器不確定度的評(píng)估分成了兩個(gè)過(guò)程，首先是求取各個(gè)工作效率的不確定度，這個(gè)過(guò)程解決了求取工作效率復(fù)雜的非線性模型問(wèn)題。其次，基于工作效率不確定度以及通常處理線性模型不確定度的方法得到平均效率的擴(kuò)展不確定度值。

5 不確定度評(píng)定

由前述分析可知，求平均效率的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，首先要求取各個(gè)工作效率的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。而由式（3）可知，要求取各個(gè)工作效率的標(biāo)準(zhǔn)不確定度就要先求取輸入有功功率和交流或直流輸出端的輸出功率的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。在實(shí)例分析過(guò)程中，這里以電源適配器在輸出電流額定值的25%下的工作效率為示例，進(jìn)行輸入功率的A類和B類不確定度評(píng)估，從而確定輸入功率的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

5.1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度的A類評(píng)定

實(shí)驗(yàn)中對(duì)樣品進(jìn)行4次輸出功率Pox和輸入有功功率Pix的重復(fù)測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。由表1計(jì)算Pi25的最佳估計(jì)值：=16.8867，同理，，，，，，分別為33.3238，50.0622，66.568，14.955，29.8638，44.6853，59.4853。因此，根據(jù)規(guī)范[2]中的求A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度的內(nèi)容，可求得的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為ui25-1=0.0058W( ui25-1=u1( Pi25))，同理可求得的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量分別為0.0085，0.0155，0.0283，0，0.0005，0.0003，0.0003。上述A類不確定度分量自由度都為v1=n-1=3。

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)

5.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度的B類評(píng)定

查校準(zhǔn)證書，數(shù)字功率計(jì)直流功率和交流功率的擴(kuò)展不確定度為0.08%和0.1%，包含因子k=2，估計(jì)其相對(duì)不確定度為10%，則Pi25的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量：

其中ui25-2=u2(Pi25)，同理可求得的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量分別為0.0167，0.025，0.033，0.006，0.119，0.0179。上述不確定度分量的自由度為：

5.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

根據(jù)規(guī)范[2]，由以上求得的A類和B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度可合成的標(biāo)準(zhǔn)不確定度ui25，ui50，ui75，ui100，uo25，uo50，uo75，uo100，結(jié)果分別0.0102，0.0187，0.0294，0.0436，0.006，0.012，0.0179，0.0238。合成自由度veff(i25)，veff(o100)為23，38，28，16，50，51，50，50。由表1數(shù)據(jù)可知輸出功率和輸入功率在微小變化范圍內(nèi)并沒有明顯的相關(guān)性，可以說(shuō)是受各種因素影響進(jìn)行隨機(jī)變化，因而可認(rèn)為相關(guān)系數(shù)為0。因此，由式（3）可知

進(jìn)而求得u(η25)=0.0006。同理可獲得u(η50)、u(η75)、u(η100)分別為0.0006，0.0006，0.0007。

由于：

因此可根據(jù)規(guī)范[2]中計(jì)算指數(shù)數(shù)學(xué)模型有效自由度的方法獲取平均效率的有效自由度，即

最終可得veff(η25)、veff(η50)、veff (η75)、veff(η100)為43，71，53，28。因此，u(η)=0.0003，合成自由度為164。

5.4 擴(kuò)展不確定度

最后由合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度得到電源適配器平均效率的擴(kuò)展不確定度

U0.95=k0.95uc=1.972×0.0003=0.0006（由自由度veff=164查t分布臨界值tp(v)，得包含因子k0.95=1.972）

6 結(jié)束語(yǔ)

以上示例分析了電源適配器平均效率的測(cè)量不確定度評(píng)定過(guò)程，并提供了處理評(píng)定過(guò)程中非線性數(shù)學(xué)模型的有效思路。測(cè)量結(jié)果的不確定度直接影響電源適配器的節(jié)能評(píng)價(jià)值符合性的判定，實(shí)驗(yàn)室需重視平均效率的測(cè)量不確定度，以備評(píng)定使用。

[1] GB 20943-2013,單路輸出式交流-直流和交流-交流外部電源能效限定值及節(jié)能評(píng)價(jià)值[S].

[2] JJF 1059-2013, 測(cè)量不確定度評(píng)定與表示[S].

謝璐璐(1987.1-)，男，湖南婁底，工業(yè)與信息化部電子第五研究所質(zhì)量安全檢測(cè)中心工程師，碩士，主要從事電子產(chǎn)品檢測(cè)技術(shù)研究。

An Evaluation on Measurement Uncertainty of the Average Eff i ciency of the Power Adapter

XIE Lu-lu
（China Electronic Product Reliability and Environmental Testing Research Institute, Guangzhou 510610）

The uncertainty assessment of the average efficiency of the power adapter defined in GB 20943-2013 is conducted with an example. It shows how to deal with the problem of complex nonlinear model in the uncertainty assessment process. And it elaborates the process and method of getting combined standard uncertainty which can export the expanded uncertainty of the average efficiency of the power adapter.

GB 20943-2013; power adapter; average efficiency; uncertainty assessment

TM934.6

A

1004-7204（2014）06-0055-03