環境溫度對開關電源適配器溫升的影響及規律探究

1   探究背景及試驗流程

GB 4943.1-2011《信息技術設備安全第1 部分：通用要求》標準第1.4.12 條款“溫度測量條件”中，對相關電氣元件的溫度限值作出了明確規定：對于非溫度依賴型設備相關元件的最高溫度（T）不得超過溫度限值（Tmax+Tamb-Tma）^[1-2]。其中，Tmax 為規定的符合試驗要求的最高溫度；Tamb 為試驗期間的環境溫度；Tma 為制造廠商技術規范允許使用的最高環境溫度或35 ℃（兩者中取較高者）^[1]。

從溫度限值（Tmax+Tamb-Tma）^[1-2] 計算公式中可以看出，Tamb 屬于不可確定的變量（實驗室環境溫度會受到所處地理位置、氣候條件、天氣情況及溫度調節裝置等影響），在不同試驗環境溫度下，溫度限值不同。假設Tamb 升高ΔTamb，溫度限值也相應的增加ΔTamb，那么元器件發熱穩定后T 是否也增加ΔTamb 呢？在海量的開關電源適配器溫度試驗中發現，當Tamb 升高ΔTamb，經過一段時間元器件發熱穩定后，元件的最高溫度T 并不是升高ΔTamb，而是小于ΔTamb，即ΔT ＜ ΔTamb。

筆者為了探究兩者間可能存在的某種規律，對隨機選取的一系列電源適配器進行溫度試驗。探究流程如圖1。

圖1 探究流程

2   試驗前準備

2.1 選取樣品

隨機抽取若干開關電源適配器，樣品編號及輸出規格如下。

2.2 測試環境搭建

測試環境如圖2 所示，用一塊不透風的布將一個足夠大的試驗箱（長× 寬× 高=4.5 m×2.1 m×2.7 m）分隔成兩個空間，其中開關電源所在空間風速與室內風速相近，約為0~0.2 m/s。

圖2 測試環境

2.3 試驗方法

試驗電壓：90 V/50 Hz，264 V/50 Hz；試驗箱溫度設定：15 ℃開始試驗，每隔5 ℃試驗一次，依據樣品預期的最高環境溫度設定試驗箱內最高的試驗溫度；

試驗箱濕度設定： 所有試驗濕度均設定為55%RH；

輸出負載：使用穩定性好的精密電阻作為負載，依據額度輸出規格連接對應大小的電阻；當試驗箱內溫度達到設定值并穩定不少于1 h 后開始接通電源進行試驗，待開關電源適配器發熱穩定后結束試驗。在進行下一輪試驗前，開關電源適配器元器件溫度需恢復到初始狀態。

溫度監測點：由于內部元件發熱明顯，且為了不對內部元件的散熱造成太大影響，本探究對內部具有代表性的三個元器件的溫度進行監測。三個元器件分別為：初級電解電容、變壓器繞組、印制板。

3   試驗數據整理及分析

3.1 各樣品溫度實測值

3.2 環境溫度差及對應的溫度監測點溫度差

依據3.1 中的溫度數值分別計算環境溫度差和溫度監測點溫度差。

3.3 計算ΔT/ ΔTamb的比值γ

依據3.2 中的數據計算ΔT/ ΔTamb 的比值γ，數值保留3 位有效數字。

3.4 統計分析γ值的規律

從3.3 所得的γ 值可以看出γ 值的分布區間在[0.6，1]，且試驗電壓對γ 值的影響不大。綜合統計90 V 和264 V試驗電壓下不同元器件不同γ 值出現的個數，分別見圖3，圖4，圖5。

從圖3、圖4、圖5 數據中可以看出不同元件對應的γ 值均主要分布區間為[0.75，0.90]。綜合統計所有元器件γ 值共198 組數據，其中分布在[0.75，0.90] 的γ 值有170 組數據，占了總數的85.86%。從統計的數據中分析得出ΔT/ ΔTamb 的比值γ 大概率區間為[0.75，0.90]。

4   結語

經過多組試驗的統計處理分析， 當Tamb 升高ΔTamb，經過一段時間元器件發熱穩定后，元件的最高溫度T 并不是升高ΔTamb，而是小于ΔTamb，且ΔT/ ΔTamb的比值γ 大概率區間為[0.75，0.90]。當Tamb 升高ΔTamb時，應用γ 值去修正元件最高溫度即T 升高γ×ΔTamb，再用（T+γ×ΔTamb）與溫度限值[Tmax-Tma+(Tamb+ΔTamb）]進行比較。

筆者建議：

1) 若γ=0.75，計算所得的元件最高溫度依然超過溫度限值，則應要求企業整改；

2) 若γ=0.9，計算所得的元件最高溫度小于溫度限值但在2 ℃ ^[3] 范圍內，考慮到不確定度的影響，應建議企業整改；

3) 若γ=0.9，計算所得的元件最高溫度小于溫度限值且超過2 ℃ ^[3]，則可以認為符合標準要求。

在日常的開關電源適配器溫升試驗中，若常溫下試驗所得的元器件的最高溫度處于溫度限值的臨界值時，可通過此規律推算出相對準確的試驗結果，而不需要花費大量時間和資源成本去重新評估測試，也能有效地解決和回應企業的疑議。如有需要，對于其他電子產品的溫升試驗結果也可參考上述得出的γ 值，進行相對更準確的判定。

最后，由于試驗條件的限制，本論文得出的結論具有一定的局限性，對于監督抽查或類似性質的檢測任務，依然需要在符合標準規定的試驗條件下開展進一步的試驗，以便取得更有說服力的試驗結果。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局、中國國家標準化管理委員會.GB 4943.1-2011《信息技術設備 安全 第1部分：通用要求》[S].2011.

[2] IEC 60950-1:2005,MOD《Information technology equipment-Safety-Part 1:General requirements》[S].

[3] IEC GUIDE 115(Edition 1.0) 《Application of uncertainty of measurement to conformity assessment activities in the electrotechnical sector》[S].

（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年2月期）