Đo hiệu suất DC-DC: bẫy sai số khi đo đồng thời đầu vào và đầu ra

Hai phòng thí nghiệm đo cùng một mạch chuyển đổi DC-DC. Bên A báo hiệu suất 94,5%, bên B báo 95,5%. Không ai sai thiết bị, không ai gian lận. Và cả hai đều dùng đồng hồ vạn năng tốt. Chênh lệch một điểm phần trăm nghe có vẻ nhỏ. Nhưng quy về tổn hao thì bên A đang nói mạch toả 5,5 W còn bên B nói 4,5 W — lệch hơn 20%. Đủ để thay đổi kết luận về tản nhiệt. Đo hiệu suất DC-DC là một trong những phép đo dễ làm nhất và cũng dễ sai nhất trong phòng lab điện tử công suất.

Đo hiệu suất DC-DC là phép đo gián tiếp của bốn đại lượng

Hiệu suất không được đo trực tiếp. Nó được tính:

η = P_ra / P_vào = (V_ra × I_ra) / (V_vào × I_vào)

Nghĩa là bốn phép đo độc lập, mỗi phép mang sai số riêng, và cả bốn cùng truyền vào kết quả. Với các đại lượng nhân chia nhau, sai số tương đối cộng theo căn bậc hai của tổng bình phương:

u_η = √(u²_Vra + u²_Ira + u²_Vvào + u²_Ivào)

Công thức này nói một điều quan trọng: kênh nào có sai số lớn nhất sẽ chi phối toàn bộ kết quả. Còn các kênh tốt hơn nó một bậc trở lên gần như không đóng góp gì. Việc cần làm là tìm ra kênh xấu nhất. Và trong hiệu suất bộ chuyển đổi, kênh đó gần như luôn là dòng điện.

Vì sao kênh dòng quyết định tất cả

Hãy lấy số thật từ tờ thông số. Đồng hồ vạn năng để bàn Keysight 34470A thuộc dòng Truevolt, độ phân giải 7½ chữ số, độ chính xác điện áp một chiều cơ bản 16 ppm — hạng chính xác cao nhất trong họ, so với 30 ppm của 34465A, 35 ppm của 34461A và 75 ppm của 34460A.

Xét một mạch hạ áp 12 V xuống 5 V, dòng ra 5 A, dòng vào khoảng 2,2 A. Áp dụng đặc tính một năm ở điều kiện T_ACAL ±5 °C, dạng ±(% số đọc + % thang đo):

Kênh	Giá trị	Thang	Đặc tính 1 năm	Sai số tương đối
Vvào	12 V	100 V	0,0038 + 0,0006	0,0088%
Vra	5 V	10 V	0,0016 + 0,0002	0,0020%
Ira	5 A	10 A	0,120 + 0,010	0,140%
Ivào	2,2 A	3 A	0,200 + 0,020	0,227%

Khoảng cách giữa hai loại kênh lên tới hai bậc độ lớn: kênh điện áp tốt nhất đạt 0,0020% trong khi kênh dòng xấu nhất là 0,227% — kém hơn khoảng một trăm lần. Ghép lại theo căn bậc hai tổng bình phương:

u_η = √(0,0088² + 0,0020² + 0,140² + 0,227²) ≈ 0,267%

Nếu bỏ hẳn hai kênh điện áp ra khỏi phép tính, kết quả gần như không đổi. Đây là lý do việc nâng cấp đồng hồ đo áp để “cải thiện độ chính xác hiệu suất” thường là khoản đầu tư vô ích, trong khi cải thiện đường đo dòng lại mang hiệu quả trực tiếp.

Bẫy chọn thang đo: thang nhỏ hơn không phải lúc nào cũng chính xác hơn

Phản xạ thông thường là chọn thang đo nhỏ nhất bao được giá trị cần đo. Với dòng vào 2,2 A, phản xạ đó dẫn tới thang 3 A. Nhưng hãy so hai lựa chọn bằng chính đặc tính đã dẫn ở trên:

• Thang 3 A: 0,200% × 2,2 A + 0,020% × 3 A = 0,0044 + 0,0006 = 0,0050 A → 0,227%.
• Thang 10 A: 0,120% × 2,2 A + 0,010% × 10 A = 0,00264 + 0,0010 = 0,00364 A → 0,165%.

Thang 10 A cho kết quả tốt hơn thang 3 A tại cùng một giá trị đo, vì hệ số phần trăm số đọc của thang 3 A xấu hơn đáng kể và phần đóng góp của thang đo không đủ bù lại. Chuyển kênh dòng vào sang thang 10 A kéo tổng sai số từ 0,267% xuống khoảng 0,217%. Bài học: đừng chọn thang theo thói quen, hãy tính cả hai và so.

Sai số đo hiệu suất bị khuếch đại thế nào khi quy về tổn hao

Đây là phần khiến các con số nhỏ trở nên nguy hiểm. Với η = 95% và sai số tương đối 0,267%, sai số tuyệt đối là 95% × 0,267% ≈ 0,25 điểm phần trăm. Hiệu suất nằm trong khoảng 94,75% đến 95,25% — nghe vẫn rất chặt.

Nhưng tổn hao là phần bù: 5 điểm phần trăm, và sai số tuyệt đối của nó vẫn đúng bằng 0,25 điểm phần trăm. Quy về tương đối: 0,25 / 5 ≈ 5,1%. Sai số trên tổn hao lớn gấp khoảng 19 lần sai số trên hiệu suất.

Hiệu suất càng cao thì hiệu ứng này càng gắt. Nếu mạch đạt 98%, tổn hao chỉ còn 2 điểm phần trăm trong khi sai số tuyệt đối gần như không đổi (khoảng 0,26 điểm phần trăm), cho sai số tương đối trên tổn hao khoảng 13%. Nói cách khác, càng thiết kế mạch tốt thì càng khó đo được mình đã tốt hơn bao nhiêu. Với các bài toán tản nhiệt và tuổi thọ linh kiện — vốn phụ thuộc vào tổn hao chứ không phải hiệu suất — đây là con số phải báo cáo kèm.

Đo đồng thời vào ra: vấn đề đồng bộ thời gian

Công thức hiệu suất ngầm giả định bốn đại lượng được lấy tại cùng một thời điểm. Giả định này đúng khi tải tĩnh và sai khi tải động.

Nếu bốn đồng hồ đo lần lượt, mỗi phép cách nhau vài chục mili-giây, mà tải lại thay đổi trong khoảng đó, bạn đang chia công suất ra ở thời điểm này cho công suất vào ở thời điểm khác. Kết quả có thể vượt 100% hoặc tụt bất thường — dấu hiệu kinh điển của lỗi đo đồng thời vào ra.

Ba cách xử lý, theo thứ tự ưu tiên:

1. Giữ tải thật sự tĩnh và chờ ổn định nhiệt trước khi lấy số. Đơn giản nhất, đủ cho phần lớn phép đo nghiệm thu.
2. Kích hoạt đồng bộ tất cả các phép đo từ một tín hiệu chung, để bốn mẫu rơi vào cùng cửa sổ thời gian.
3. Dùng thiết bị có sẵn năng lực số hoá đồng bộ. Hệ nguồn mô-đun Keysight N6701C là khung 600 W cao 1U, bốn khe, nhận từ 1 đến 4 mô-đun nguồn thuộc dòng N6700 với hơn 30 loại mô-đun khác nhau. Khung này có sẵn chức năng đo tích hợp, thời gian xử lý lệnh dưới 1 ms, và tuỳ chọn chế độ LIST kèm bộ số hoá tích hợp cùng rơ-le ngắt kết nối. Khi phép đo dòng và áp nằm trong cùng một khung, vấn đề lệch thời gian giữa các thiết bị rời được loại bỏ ở gốc.

Bốn nguồn sai số hệ thống thường bị bỏ qua

1. Điện áp rơi trên đường đo dòng. Mọi cách đo dòng đều chèn một điện trở vào mạch. Nếu bạn đo điện áp ở phía nguồn thay vì ngay tại chân mạch, phần rơi đó bị tính nhầm thành điện áp cấp cho mạch. Luôn lấy điểm đo áp ở đúng đầu cực của mạch cần đo, dùng cặp dây cảm biến riêng.
2. Tự nung nóng của phần tử đo dòng. Ở dòng lớn, điện trở đo dòng nóng lên và giá trị của nó trôi trong lúc bạn đang ghi số. Hãy cho hệ chạy đủ lâu tới trạng thái nhiệt ổn định rồi mới lấy dữ liệu, và ghi lại nhiệt độ môi trường.
3. Bỏ sót dòng tiêu thụ của mạch điều khiển. Nhiều mạch chuyển đổi lấy nguồn nuôi cho phần điều khiển từ một đường riêng. Nếu không tính đường này vào công suất vào, hiệu suất báo cáo sẽ cao hơn thực tế.
4. Nhiễu chuyển mạch lọt vào đồng hồ. Thành phần xoay chiều tần số cao chồng lên giá trị một chiều có thể làm sai số đọc. Chọn thời gian tích phân đủ dài — bội số của chu kỳ điện lưới — để trung bình hoá nhiễu.

Chọn thiết bị Keysight cho bài đo hiệu suất

Với phép đo cần độ chính xác cao nhất, 34470A cung cấp 7½ chữ số cùng tốc độ đọc tối đa 50 000 số đọc mỗi giây và bộ nhớ 50 000 số đọc tiêu chuẩn — kết hợp hiếm gặp giữa độ phân giải và tốc độ, hữu ích khi cần vừa chính xác vừa bắt được biến thiên theo thời gian.

Với hệ thống cần cấp nguồn nhiều kênh và đo đồng bộ trong cùng một khung, N6701C là lựa chọn nền tảng, đặc biệt khi bài toán yêu cầu tuần tự hoá thứ tự bật nguồn.

Với các mạch chuyển đổi phục vụ thiết bị chạy pin, việc mô phỏng đúng đặc tính nguồn cấp quan trọng không kém việc đo chính xác: Keysight E36731A là thiết bị thử nghiệm pin công suất 200 W, cho phép tái tạo hành vi của pin thật thay vì dùng nguồn lý tưởng — điều này thay đổi kết quả hiệu suất ở vùng điện áp vào thấp.

Phía tải cũng cần được chọn có chủ đích, vì đường bao hoạt động của tải điện tử quyết định vùng làm việc bạn thực sự quét được; chủ đề này đã được phân tích riêng trong bài chọn tải điện tử DC.

Kết luận

Trước khi công bố một con số hiệu suất, hãy làm ba việc: lập bảng bốn kênh với đặc tính thiết bị tại đúng giá trị và thang đang dùng, ghép chúng theo căn bậc hai tổng bình phương, rồi quy sai số đó về tổn hao. Nếu sai số đo hiệu suất quy về tổn hao vượt quá mức bạn có thể chấp nhận, cải thiện đường đo dòng trước — đó gần như luôn là kênh chi phối.

Và toàn bộ phép tính trên chỉ có giá trị nếu đặc tính công bố của thiết bị vẫn còn hiệu lực, tức là thiết bị còn trong chu kỳ hiệu chuẩn. Một đồng hồ 7½ chữ số quá hạn hiệu chuẩn không chính xác hơn một đồng hồ 6½ chữ số còn hạn. Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam và vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 cho đồng hồ vạn năng, nguồn DC và tải điện tử. Để được tư vấn xây dựng bàn đo hiệu suất với ngân sách sai số rõ ràng, vui lòng liên hệ hotline 0908 173 345.

Biên soạn bởi Khanh Nguyen — Marketing Manager, Techmaster Electronics JSC.