廣達電腦 (Quanta) 研發電源效率自動化量測系統

Author(s):
趙 振龍 工程師 - 廣達電腦 NB6 開發組

Industry:
Industrial Controls/ Devices/ Systems, Electronics

Products:
LabVIEW, GPIB

The Challenge:
在設計時，經常需要更改原件與電路以提升效率，因而面臨到下列問題： 1. 須面對多次設計後，不斷重複驗證取得結果。 2. 要不斷的反覆設定儀器與記錄，易造成人為疏失。 3. 須將大量的資料進行換算與存檔，作為日後設計上的參考。 4. 有時限的測試條件，非常耗費人力與工時。

The Solution:
運用 LabVIEW 7.0 做為環境開發與硬體結合。硬體介面使用 USB 介面的 GPIB 控制模組，結合電源供應器、電子負載、數位電表，來完成效率自動化量測系統。創造無須人工長時間及重復性的操作環境，只要架設好硬體，即可由預設之測試調件，以測試並記錄結果。

由於效率的定義就是：電源從輸入 (Input) 到轉換之後，所產生的輸出 (Output) 交換損失 (Switching loss)。以 100% 的效率而言，就是電能電力能不發生任何的損失，並可把電能 (電池能) 完全轉換成產品 (Notebook) 所須的能量。但要讓電源效率達到 100% 實際上不太可能，只能盡量提高之。電源在轉換的過程中，有許多的原件與電路上的損耗。

在設計時，經常需要更改原件與電路以提升效率 ，因而面臨到下列問題：

1. 須面對多次設計後，不斷重複驗證取得結果。
2. 要不斷的反覆設定儀器與記錄，易造成人為疏失。
3. 須將大量的資料進行換算與存檔，作為日後設計上的參考。
4. 有時限的測試條件，非常耗費人力與工時。

 

因現今可攜式的產品越來越多與節能環保相繼抬頭，因而對於電源管理的要求也日益增高。相較於過去在電源管理設計上，除了適當時間關閉不必要的耗電外，就是增加電池本身的容量,來因應市場的需求。但現今市場需求不斷提高，已不再是過去的設計就能滿足。即便是大家耳熟能詳的 CPU 龍頭 Intel，也相繼發展出 Intel Mobile Voltage Positioning (以下簡稱 IMVP-6)。這一系列的節電與提升電原效率方案不斷推出，也因此須要不斷的去協助客戶與廠商了解其測試後的實際結果，以利後續設計與元件修改。由於Notebook 的設計常強調體積小、散熱佳，與電池的續航力長短。作為產品的開發與設計上的考量，迫使我們必須要更加注意電源電路的設計與辨別元件使用上的優劣。如今我們遇到了許多設計方案，都脫離不了電源效率評估，因此發展出電源效率自動量測系統。

此方案利用 LabVIEW 軟體及 USB GPIB 硬體，結合電源供應器、電子負載、數位電表來進行儀器的連結與控制，進而達成自動化效率量測之目標。

 

(a)    程式開發：

運用 LabVIEW 軟體撰寫程式，可更有效率達成程式的撰寫。由於 NI 所提供的資料庫可輕鬆找尋儀器，所需之模組化驅動程式，再加上搭配 NI 的儀器大廠，都有提供相關資訊服務。因此確實縮短開發程式所須的時間。而且圖形化的撰寫環境，更使工程師能輕鬆上手並進行除錯。

 

(b)   成本效益：

過去當硬體設備架設好之後，就必須使用人力來操作並設定儀器的數值。往往測試完 1 個測試物就要記錄 4,000 多筆資料，如此才能符合測試需求。但不僅如此，還須等到測試物電壓與溫度穩定之後，才能記錄所有數值，因此必須消耗 100% 的人力。既耗時又容易發生錯誤。

 

硬體流程圖簡介：

將 USB 介面的 GPIB 連接至電源供應器、多通道數位電表，與電子負載，並利用電腦執行 LabVIEW 程式來進行控制。由電源供應器提供電源至測試物，電子負載將模擬負載電流給測試物，而多通道數位電表分別量測輸入/輸出電壓及電流，進一步並將資料傳回給電腦計算，轉成效率資料並進行儲存。(請參考圖例)

 

測試流程說明

一般而言，對於 Notebook 電源效率量測可分為 2 個步驟：主要量測輸入電壓、輸入電流，及輸出電壓、輸出電流。再將電壓、電流各別相乘後即可得到輸入與輸出的瓦特數。而輸出瓦特數除以輸入之瓦特數，再乘上 100 後就是輸出效率百分比。

 

人機介面介紹

效率測試須用到 3 部儀器設備，運用 LabVIEW 人性化的操作介面，將電源供應器、多通道數位電表，與電子負載和量測結果，整合於同一畫面上，便於操作與量測觀察。

可程式化設定介紹

效率測量上除了固定電流與電壓的測試外，對於不同負載的測量也格外重要。由於 Notebook 及多數電子產品，都時常於動態負載下運作，因而動態的電流設定亦為必要。如 Intel IMVP-6 的設計亦是如此。因為此要素關係著 CPU 與 Notebook 的穩定與否，所以必須提供工程師此項功能。

 

量測結果說明

當執行測量結束後，將會產生一個 Excel 檔案。此檔案將會記錄下實際量測到的數據 (除了 Slop (mΩ) 外)。以下 (表六) 為 1 組 CPU 效率量測之數據。可以經由此表看出 CPU 在負載電流 14.98 安培 (A) 下，能得到最高的執行效率 (89.153%)。利用此數據我們可以畫出電流與效率之間的曲線圖，也能計算出 Intel CPU 的輸出電壓,是否符合 Slop 的設計規範。

結論與建議

以目前的運用發展雖已提升工作效率達 80%，但我相信在此運用及其它量測上，還有更大的發展空間。我計畫在明年中讓此程式更加人性,與多元。並將持續尋找出更好的量測解決方案，以協助解決工作上的人力消耗問題。

 

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趙 振龍 工程師
廣達電腦 NB6 開發組

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