三相功率测试仪器对比-原理图|技术方案

简介

功率分析仪推出已有多年，且在各种应用中广泛使用，通常情况下，很多的设置和参数选择会对测量结果 产生重大影响，或者说，有些传统的功能，我们没有完全理解清楚，本文档简要解释 TeledyneLecroy 电 机驱动分析仪 (MDA) 的设置，以获得同横河功率分析仪一致的测试结果，并解释在有些场景下测试结果 不同的原因。

 

测试周期（“同步 ”）计算

首先，对于正确的功率分析，必须确定所有功率计算发生的周期， TeledyneLecroy MDA 和横河功率分析 仪都是使用 "同步"信号来确定测量周期，在这两种设备中，同步信号都可以使用低通滤波器处理，以降低 错误周期出现的几率，参照以下图片︰

对于近似正弦（如低失真）信号，这两种仪器使用相同的低通滤波器截止设置都能找到同样的测量周期， 然而 TeledyneLecroy MDA 能提供更广泛的选择， TeledyneLecroy 电机驱动分析仪还能够调整磁滞（区间），允许自定义控制软件忽略干扰测量周期计算 的非单调性，这些在 MDA 软件说明书中有详细的说明，这种控制对有较高失真的信号（例如无刷直流六 步换向信号）或者由于高压力和失效事件产生的高畸变信号非常有用。

 

请注意 TeledyneLecroy 电机驱动分析仪还允许显示滤波后的同步信号，并与测量周期叠加，使同步信号 设置更容易被理解，请参见下图（同步信号的叠加显示在底部）。

 

 

最后， TeledyneLecroy 电机驱动分析仪将同步滤波器和磁滞设置作为数据采集后的软件处理过程，然而 大多数功率分析仪是在数据采集过程中对波形应用同步滤波器和磁滞设置，因此， TeledyneLecroy MDA 可以在采集波形后再对设置进行更改，而这些在功率分析仪中通常是无法做到的，结合同步周期叠加，则 可以使用 MDA 的采集后处理来调节滤波器和磁滞设置以获取最佳结果，无需放弃所获得的数据并重新进 行采集。

 

视在功率公式

在横河的功率分析仪中，用户可以通过在设置菜单中选择下面的任意公式测量视在功率 (S):

TeledyneLecroy 只提供 \(Vrms*Irms\) 视在功率的计算能力，如果需要对比横河功率分析仪的功率值和 TeledyneLecroy MDA 的结果，须将功率分析仪上的视在功率计算方法设置为\(Vrms*Irms\)。

 

三相（总）功率计算

TeledyneLecroy 采用一种方法用于功率值的计算，而横河提供三种不同的方法，并且返回不同的结果， 下面是 TeledyneLecroy 和横河在单个功率周期计算功率的方法摘要---完整的公式化描述请参见各自的指 导手册。需注意的是 , 下表假定横河功率分析仪采用 \(Vrms*Irms\) 公式计算视在功率。

 

 

对于完美的正弦（零失真）波形，是可以测量电压和电流的正弦波之间的相角 φ 的。然而，当波形有畸 变时（例如 PWM 驱动器输出波形），是无法测量相角 φ 的，因此，TeledyneLecroy 方法或横河的类 型 2 方法是明确的可以对于畸变波形的无功功率（和功率因数以及相角）产生准确结果的唯一方法（对于 正弦波形两者也能产生准确的结果） 。 横河功率分析仪在有谐波测量模式选项的型号上提供类型 3 方法，此选项似乎是使用 PLL 源从一个 PWM 信号定义基波信号，然后该仪器通过比较基波电压和电流，以及通过 N 次谐波为基波和每次谐波确定的 功率确定相角，这和 TeledyneLecroy 提供的谐波滤波器设置值 = “基波”或者 “基波 + N”（见下 文）的结果类似，前提是横河功率分析仪的硬件锁相环能够适应采集窗口内测量信号周期的任何变化。

 

 

横河的功率分析仪能够准确测量任何状况下的有功功率，如果仅仅对有功功率计算感兴趣，所有方法都是 合适的，但是为了准确计算 S, Q,λ 和 φ，工程师必须从横河功率分析仪中选择正确的方法（如果多个方 法被提供）。 每一相功率计算 横河的设备使用了和计算三相总体功率相同的公式计算每一相功率，但是一次只计算一相。 当使用三相四线（三电压三电流）连接方式测量 Line-Neutral 或者 Line-Reference 电压时，横河视在功 率 =\(Vrms*Irms\)的类型 2 测量方法和 TeledyneLecroy MDA 通常是一致的。 然而，如果采用 Line-Line 电压测试方法，横河功率分析仪测量出来的每相功率将会是不平衡的和错误 的，尽管三相总体功率是正确的，差异的原因如下：

 

1. 横河三相三线（三电压，三电流）连线方式原本被作为两瓦特计法设置定义，这对从三电压和三电流转换 为两电压和两电流的测量是有好处的，功率分析仪无需重新连线。当然这也意味着，在每相中， Line-Line 电压和电流不能正确的相互关联。参看图 1（横河）和图 2（Teledyne LeCroy）

2. TeledyneLecroy 的三相三线（三电压，三电流）连线方式也是使用两瓦特计法计算三相整体功率，但是 同时保持每相中正确的矢量关系，以此得到正确的每相功率， TeledyneLecroy 简单的反转一路电压波形 计算三相总体功率

3. 横河设定的电压关系对三相总体功率（有功功率、视在功率、无功功率）、相位角、功率因数都是没有影 响的，这是由于他们连线设置中电压和电流的矢量关系对于用来计算总体功率的两瓦特计算法是正确 的 。

4. 这两种设备都可以支持 Line-Line 到 Line-Neutral 的转换（横河称之为 delta-star 转换，这是一个需要额 外购买的选项）， TeledyneLecroy 的 MDA 在转换时会计算出每相的 P, S, Q, λ 和 φ，横河的功率分析仪 仅能计算出 P。

 

横河连线设置的实际影响是电压电流对都有不同的相位关系（这将导致错误的每相功率计算），如下实际 三相采集所示

 

 

带有和不带有 Line-Line 到 Line-neutral(Delta-Star)的计算结果分别如下所示：

 

 

静态 VS.动态

横河功率分析仪计算小段采集时间（几个周期）的平均值，存在一个提高平均值刷新率的选项，但是它还 是计算所定义的时间段或者多个周期的平均值，同步信号是通过 FPGA 上的 PLL 电路决定的，依赖于 PLL 环路带宽，它对宽幅变化的速度的锁定能力有限，通常，对于具有缓慢变化测量同步周期的稳态信 号，这是没有实际限制的，所以，横河的功率分析仪非常适合测试稳态下的平均功率（恒定负载、扭矩、 速度等）。

 

TeledyneLecroy 的 MDA 可以采集一小段数据计算平均功率，显示在一个表格中，如前所述，同步周期是 用软件算法确定的，同时，由于没有功率分析仪的限制，它也可以在动态条件下进行准确的测量。 如果负载是动态的，功率分析仪很可能不能提供有意义的结果，首先，确定在简单、静态、稳态负载条件 下的关系，然后尝试动态下的关系，如果在动态条件下，结果没有相关性，这可能是由于功率分析仪无法 准确地确定或者验证同步信号，而这些对 TeledyneLecroy MDA 是没有限制的。

 

总结

我们很容易将横河功率分析仪和 TeledyneLecroy MDA 放在一起对比，TeledyneLecroy 提供了更多的直 观反馈，特别是在准确确定测量同步信号上，这对准确测量功率至关重要，在某些状况下，横河的功率分 析仪不同的设置或者连线方式导致不同的结果，一旦工程师理解其中的本质，就会更容易理解这些结果出 现的原因。

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随着移动设备越来越丰富的功能，耗电量却也显著增加，而消费者同时希望设备持续连接的生活方式和时尚轻薄的外形，电池续航力成为亟需解决的问题，更智能且支持快充的移动电源方案便应运而生。

 

移动电源，俗称充电宝，是移动电池充电器。它可从USB端口汲取电源并将电能储存起来，在移动设备需要充电时无需电源插座就可为电池提供电源。由于用户经常远离电源使用移动设备如玩游戏、看视频、发微信等，需要随时随处频繁为移动设备充电，这需求促进移动电源市场的增长。据相关市场调研机构的预测，移动电源的出货量将从2016年的不到5亿只增加到2019年的超过9亿只，市场年均增长率高达17.5%。

 

图1：移动电源市场趋势

 

随着市场的不断发展，移动电源若仅仅具备简单的充电功能已无法完全满足消费者的期望，消费者普遍期待更智能的特性和更前沿的设计，尤其是移动电源的容量随着时间的推移而增加，其精密度定会提高，使电池可以尽快充满电和将不便减至最少。安森美半导体的高度集成的单芯片移动电源方案LC709501F，可实现功能丰富且更具差异化特性的智能移动电源产品，帮助移动电源供应商在市场竞争中处于有利地位。

 

简单且高度集成的系统架构

传统的移动电源方案通常包括微控制器(MCU)、低压降稳压器(LDO)、USB检测模块和充电稳压模块等多个元件，需要大量的设计整合时间，以及软件开发时间来处理逻辑和控制功能。安森美半导体新的单芯片方案LC709501F 将多个元件集成到单个封装，减少元件数，节省约20%的空间，实现紧凑的、超薄的高性能系统，支持平台设计，外置的FET还可扩展充电能力。该单芯片方案包括集成的电量计功能、可配置的I/O、LED驱动器、I2C接口、USB 2.0全速主机控制器，和用于外部功率MOSFET的预驱动器，提供领先业界的功率密度。

 

图2：移动电源之传统方案架构对比安森美半导体方案架构

 

支持快速充电

为加快充电速度，缩短充电时间，市场上产生了各种快速充电标准，其规格和充电速度及输出功率如图3所示。一般而言，输出电流和输出电压越高，充电越快。安森美半导体的移动电源方案LC709501可自动检测移动设备的电池标准，并集成最佳充电方式选择功能，通过更新固件支持最新的快速充电标准，如高通快速充电QC2.0和QC3.0等专有充电协议，并可通过额外的软件支持USB PD和Type-C连接，资深用户甚至可对LC709501F重新编程以实现定制的充/放电协议，通过改变外部MOSFET支持最大12V、2.5A(30W)的输出功率等级。

 

图3：快速充电标准概览及比较

 

与移动设备通信：提供行业首款电池信息数据显示App

相信很多消费者都有过因携带的移动电源电量不足而无法为移动设备充电的恼人经历。安森美半导体的智能充电控制器LC709501支持通过USB 2.0 全速主机控制器获取移动电源电池信息如1% 步进剩余电量、电池温度、电池电流及电池健康指标(电池充放电周期数)，提供行业首款电池信息数据显示App用于移动设备，让消费者通过移动设备随时知悉所携带的移动电源的各项指标，大大提高用户体验。

 

如图4所示，只要基于LC709501的移动电源被连接到移动设备如智能手机，创新的移动电源应用程序就自动启动，移动电源的详细运行信息及关键参数将显示在智能手机的屏幕，如移动电源电池剩余电量及动画运行、移动电源电池使用时间、剩下的充电时间、电池温度、快充开关按钮等等，并且该方案还支持移动电源供应商在该App界面显示其公司Logo。

 

图4：与智能手机的通信显示电池健康和充电信息

 

丰富的保护机制

移动电源的安全问题不容忽视，如若其保护机制的设计不合理，将有可能引发火灾、爆炸等安全事故。安森美半导体的LC709501F提供过流检测、过压检测、安全计时器和冗余电池保护等全面的保护机制，并采用一个热敏电阻用于温度监测，增强安全性。此外，其自适应充电算法能在兼顾电池健康状态的同时，实现最大化的电荷存储容量，确保更长的电池使用寿命。

 

能效测试

安森美半导体对LC709501F作了6组能效测试，6组数据的能效都超过90%，如图5所示。

图5：能效测试曲线

 

总结

安森美半导体的行业首款智能充电控制器LC709501F满足消费者对随时随地为便携式电子产品充电的需求，它提供智能特性以及同类最佳的集成度，其简单的系统架构可实现紧凑的、薄的移动电源，支持平台设计，并兼容最新的快速充电标准，提供宽广的功率和5 V、9 V甚或12 V工作的电压输出范围，通过简单的FET选择，最大充放电能力达30 W，全面的保护机制增强安全性并确保电池使用寿命。最关键的是它开创了移动电源与移动设备通信的功能，可准确可靠地于屏幕显示电池信息数据，提供全新的用户体验。此外，安森美半导体还提供参考设计套件，帮助移动电源制造商最大限度地缩减重设计硬件的时间，以加速产品面市。

 

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