环境温度对开关电源适配器温升的影响及规律探究

1   探究背景及试验流程

GB 4943.1-2011《信息技术设备安全第1 部分：通用要求》标准第1.4.12 条款“温度测量条件”中，对相关电气元件的温度限值作出了明确规定：对于非温度依赖型设备相关元件的最高温度（T）不得超过温度限值（Tmax+Tamb-Tma）^[1-2]。其中，Tmax 为规定的符合试验要求的最高温度；Tamb 为试验期间的环境温度；Tma 为制造厂商技术规范允许使用的最高环境温度或35 ℃（两者中取较高者）^[1]。

从温度限值（Tmax+Tamb-Tma）^[1-2] 计算公式中可以看出，Tamb 属于不可确定的变量（实验室环境温度会受到所处地理位置、气候条件、天气情况及温度调节装置等影响），在不同试验环境温度下，温度限值不同。假设Tamb 升高ΔTamb，温度限值也相应的增加ΔTamb，那么元器件发热稳定后T 是否也增加ΔTamb 呢？在海量的开关电源适配器温度试验中发现，当Tamb 升高ΔTamb，经过一段时间元器件发热稳定后，元件的最高温度T 并不是升高ΔTamb，而是小于ΔTamb，即ΔT ＜ ΔTamb。

笔者为了探究两者间可能存在的某种规律，对随机选取的一系列电源适配器进行温度试验。探究流程如图1。

图1 探究流程

2   试验前准备

2.1 选取样品

随机抽取若干开关电源适配器，样品编号及输出规格如下。

2.2 测试环境搭建

测试环境如图2 所示，用一块不透风的布将一个足够大的试验箱（长× 宽× 高=4.5 m×2.1 m×2.7 m）分隔成两个空间，其中开关电源所在空间风速与室内风速相近，约为0~0.2 m/s。

图2 测试环境

2.3 试验方法

试验电压：90 V/50 Hz，264 V/50 Hz；试验箱温度设定：15 ℃开始试验，每隔5 ℃试验一次，依据样品预期的最高环境温度设定试验箱内最高的试验温度；

试验箱湿度设定： 所有试验湿度均设定为55%RH；

输出负载：使用稳定性好的精密电阻作为负载，依据额度输出规格连接对应大小的电阻；当试验箱内温度达到设定值并稳定不少于1 h 后开始接通电源进行试验，待开关电源适配器发热稳定后结束试验。在进行下一轮试验前，开关电源适配器元器件温度需恢复到初始状态。

温度监测点：由于内部元件发热明显，且为了不对内部元件的散热造成太大影响，本探究对内部具有代表性的三个元器件的温度进行监测。三个元器件分别为：初级电解电容、变压器绕组、印制板。

3   试验数据整理及分析

3.1 各样品温度实测值

3.2 环境温度差及对应的温度监测点温度差

依据3.1 中的温度数值分别计算环境温度差和温度监测点温度差。

3.3 计算ΔT/ ΔTamb的比值γ

依据3.2 中的数据计算ΔT/ ΔTamb 的比值γ，数值保留3 位有效数字。

3.4 统计分析γ值的规律

从3.3 所得的γ 值可以看出γ 值的分布区间在[0.6，1]，且试验电压对γ 值的影响不大。综合统计90 V 和264 V试验电压下不同元器件不同γ 值出现的个数，分别见图3，图4，图5。

从图3、图4、图5 数据中可以看出不同元件对应的γ 值均主要分布区间为[0.75，0.90]。综合统计所有元器件γ 值共198 组数据，其中分布在[0.75，0.90] 的γ 值有170 组数据，占了总数的85.86%。从统计的数据中分析得出ΔT/ ΔTamb 的比值γ 大概率区间为[0.75，0.90]。

4   结语

经过多组试验的统计处理分析， 当Tamb 升高ΔTamb，经过一段时间元器件发热稳定后，元件的最高温度T 并不是升高ΔTamb，而是小于ΔTamb，且ΔT/ ΔTamb的比值γ 大概率区间为[0.75，0.90]。当Tamb 升高ΔTamb时，应用γ 值去修正元件最高温度即T 升高γ×ΔTamb，再用（T+γ×ΔTamb）与温度限值[Tmax-Tma+(Tamb+ΔTamb）]进行比较。

笔者建议：

1) 若γ=0.75，计算所得的元件最高温度依然超过温度限值，则应要求企业整改；

2) 若γ=0.9，计算所得的元件最高温度小于温度限值但在2 ℃ ^[3] 范围内，考虑到不确定度的影响，应建议企业整改；

3) 若γ=0.9，计算所得的元件最高温度小于温度限值且超过2 ℃ ^[3]，则可以认为符合标准要求。

在日常的开关电源适配器温升试验中，若常温下试验所得的元器件的最高温度处于温度限值的临界值时，可通过此规律推算出相对准确的试验结果，而不需要花费大量时间和资源成本去重新评估测试，也能有效地解决和回应企业的疑议。如有需要，对于其他电子产品的温升试验结果也可参考上述得出的γ 值，进行相对更准确的判定。

最后，由于试验条件的限制，本论文得出的结论具有一定的局限性，对于监督抽查或类似性质的检测任务，依然需要在符合标准规定的试验条件下开展进一步的试验，以便取得更有说服力的试验结果。

参考文献：

[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会.GB 4943.1-2011《信息技术设备 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].

（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年2月期）