電源供應器的溫升測試
關鍵字: 接觸式量測；資料擷取器；
在電源供應器（PSU）的研發、設計與生產過程中，「溫升測試」是確保產品性能、壽命及安全性的關鍵環節。高溫對電源供應器的影響是多重且嚴重的，包括影響電源供應器性能與穩定性的機制、對元件與壽命的嚴重損害，以及引發潛在的安全隱患；因此溫升測試作為試驗中的常規項目，對於確保電源供應器能夠長期穩定運行至關重要。
溫升測試主要目的是檢測產品及其零件的溫度變化，以評估是否過高，進而符合安全標準。對於電源供應器而言，溫度管理的重要性體現於以下幾點：
1. 確保運行穩定性與效率： 無論是外部環境溫度升高，還是電源供應器運行時自身產生的內部熱量，溫度的變化都直接影響其穩定性與效率。環境溫度升高會顯著影響電源供應器的性能，導致內部電子元件的穩定性降低。高溫會降低運行效率和穩定性。
圖1: 降額曲線（Derating Curve）
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2. 延長元件使用壽命： 高溫會大幅縮短元件的使用壽命。過熱可能導致內部材料特性改變（例如膨脹、漏液）或損壞元件，進一步降低可靠性。因此，控制內部溫度對於確保電源供應器的長期可靠性至關重要。
3. 預防安全隱患： 溫升測試是評估電子電器產品安全性能的關鍵指標。若元件長期處於高溫，可能導致絕緣材料性能下降，引發絕緣體失效、機械連接鬆動，甚至帶來電擊、燙傷或火災等嚴重的安全隱患。
依據M-CRPS規範要求，在進行散熱特性分析時，應在至少前 10 個關鍵元件上安裝熱電偶進行測量，以下是重點檢測的元件項目：
1. 功率半導體元件 (Power Semiconductors) - 熱量產生的核心，直接影響壽命。例如: 矽 FET (Silicon FETs)、氮化鎵 (GaN)、碳化矽 (SiC)、DrMOS、POL IC，甚至二極體 (Diodes)。
2. 磁性元件 (Magnetics) - 磁芯和繞組溫度過熱會導致絕緣失效或磁飽和。例如: 變壓器 (Transformers)和電感器 (Inductors)。
3. 電容器 (Capacitors) - 壽命限制關鍵。電容器被視為「有限壽命元件」，例如: 高壓大容量儲存電容 (High Voltage Bulk Cap)、鋁電解液電容器 (Aluminum Liquid Electrolytic)、鋁聚合物電容器 (Aluminum Polymer Caps)以及MLCC 與 X-Y 電容。
4. 印刷電路板 (PCB) 與連接器
- PCB 表面： 特別是帶有表面貼裝（SMD）功率元件的區域。檢測時必須確保 PCB 溫度低於其材料玻璃轉化溫度（如 Tg=130 °C 的 FR4 須保持在 120 °C 以下）。
- 電源連接器 (Power Connectors)： 監測其金屬接點與塑料外殼的溫升，確保在高電流下不會超過安全規範規定的表面接觸溫度限制。
5. 其他安全與保護相關元件
- 保險絲 (Line Fuse)： 驗證在正常與重複瞬變條件下不會因溫升導致誤熔斷。
- 金屬氧化物可變電阻器 (MOV)： 作為浪湧保護元件，確認其在靜態操作下的功耗與溫度在安全範圍內。
- 光耦合器 (Optocouplers)： 用於電路隔離，其最高溫度需符合 de-rating 標準。
備註: 溫度檢測在實際操作前，建議可先使用熱像儀掃描電源供應器的頂部與側面以確定「真實熱點」，隨後再精確黏貼熱電偶。
圖2. 185mm x 60mm 外形尺寸的熱電偶位置
Refer to : Open Compute Project M-CRPS Version 1.05.00 RC5
接觸式量測方法的原理與實施
溫升測試基於熱力學原理，透過測量元件的溫度變化來評估其發熱情況。在眾多測量方法中，接觸式測量是直接、精確的基礎方法：
1. 量測工具： 接觸式測量方法主要使用感測器，例如熱電偶（thermocouple）或熱電阻（thermistor）。
2. 量測方式： 這些感測器必須直接接觸元件表面以測量溫度。
3. 測試準備： 在正式測試前，樣機需確認完整性，並放置在特定環境（環境溫度 $23^\circ\text{C} \pm 2^\circ\text{C}$、濕度 $50% \sim 90%$ RH）下靜置 10 小時，直到表面溫度與室溫達到平衡。
圖3. 常見的熱電偶形式及其溫度範圍
溫升測試中資料擷取器的應用
雖然熱電偶負責測量點的溫度數據，但資料擷取器（Data Logger）連續、穩定地記錄多點數據，並允許工程師觀察完整的溫度曲線變化。
在電源供應器的溫升測試中，資料擷取系統的應用與記錄過程至關重要：
1. 連續監測與數據回饋： 在設備需保持在額定負載下運行的過程中，技術人員必須利用熱電偶或熱電阻等感測器，持續監測各溫度／溫升測量點的數據回饋。資料擷取器確保了這些回饋值被準確、連續地記錄下來。
2. 全面的參數記錄： 為了全面評估電源供應器的性能，資料擷取系統不僅要記錄被測產品各測量點的溫度／溫升回饋值，還必須同時測量並記錄運行時的電氣參數，包括：
- 電壓 (Voltage)
- 電流 (Current)
- 輸入功率 (Input Power)
- 輸出電壓 (Output Voltage)
- 輸出電流 (Output Current)
- 輸出功率 (Output Power)
3. 曲線圖的觀察與分析： 數據擷取系統記錄的長期數據，使得工程師能夠觀察各測試點的溫度曲線變化是否正常。透過這些曲線，可以判斷溫度上升是否達到穩定狀態，並評估產品設計是否合理。
4. 異常處理與追溯： 如果被測物在測試過程中出現異常情況，如產生聲音、火花、振動或啟動過熱保護等異狀，資料擷取器能夠立即保存當前數據，幫助工程師停止測試並進行原因分析與處理。
總而言之，在電源供應器的溫升測試中，接觸式量測提供元件的實際表面溫度，而資料擷取器則提供了時間維度上的連續記錄和全面的電氣性能對應數據，是確保溫升測試結果準確性和可靠性的重要基礎。
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