如何選擇合適的負載器?

在電路量測中，選擇適當的負載可以提高測量結果的準確性和可靠性。在電路量測上通常使用電阻器來模擬實際負載，但電子負載機的應用為電路量測提供了比傳統電阻器更靈活的負載選擇。這使得在測試電源轉換器、逆變器、不斷電電源供應器（UPS）和太陽能系統等電子設備時更加靈活和高效。

本文將介紹水泥電阻器和電子負載機(CR mode)，探討用於電源轉換器的量測時，使用這兩種負載的情況以及可能產生的影響。透過比較兩者的特點、適用場景和影響因素，提供量測時的負載選擇建議。

 

緒論

電源轉換器需進行各種測試，例如暫態響應及效率，所以電源量測儀器無論是在產品研發階段或量產階段，皆扮演著舉足輕重的角色。

當在進行負載測試時，如圖1，通常會採用電阻器或電子負載機來模擬實際應用中的負載情況。電阻器透過固定電阻值依據歐姆定律建立穩定的電流負載，以測量電路的電壓及電流。電阻器的種類包括碳膜電阻、精密電阻、金屬氧化碳膜電阻和水泥電阻等，對於需要寬功率範圍的產品，如電源轉換器，通常會使用水泥電阻作為測試負載。

電子負載機具備高度可調性，能模擬多種負載條件，吸收不同功率以對應各類測試需求。其具有多種工作模式，包括恆定電流(CC)、恆定電壓(CV)、恆定電阻(CR)和恆定功率(CP)等模式。在模擬電源轉換器的實際負載，常使用CR模式和CC模式。

 

 水泥電阻與電子負載機(CR-Mode)的比較 

水泥電阻和電子負載機都是用於測試電源和電子設備的工具，但它們有一些不同的特點：

(1) 水泥電阻

用於電源轉換器的負載測試所使用的電阻通常為高功率電阻，例如水泥電阻及線繞電阻，如圖2。

水泥電阻以不燃性水泥作為填充材料，具備良好的耐熱性與機械強度，適合用於大功率負載模擬。其優點包括價格低廉、功率處理能力強與溫度係數穩定等。然而，其電阻精度較低，體積較大，並且在高功率操作時容易發熱。下圖為碳膜電阻與水泥電阻的溫度係數比較。

由於大功率的應用上較多發熱問題，隨溫度上升電阻值漂移，影響測量準確度，所以電阻溫度係數的穩定度很重要，圖3說明水泥電阻相較碳膜電阻具有較低的電阻值變化隨著溫度增加，其中以 ppm/°C 為單位。

(2) 電子負載機-CR mode

電子負載機是透過功率元件（如 MOSFET）控制導通程度，使其以熱形式耗散所吸收之電能，其電路基本架構圖如圖4。

使用電子負載機時，可以根據不同的使用需求來立即調整其負載，從而實現對電源輸出電流值的快速調整，並實現負載條件的可重複性與測試結果的一致性。在測試電源轉換器時，最常使用的運作模式之一為恆定電阻模式(CR mode)。下圖顯示了電子負載機在CR模式運作時的I-V特性圖。

圖5顯示了電子負載機在CR模式下的工作特性，電源負載電壓及電流會隨著電阻斜率線呈線性變化，而電阻值可以在功率輪廓內調整到最小值 (R min) 或最大值 (R Max)。一旦電壓或電流高於最大功率範圍，電子負載機會自動調整輸入設定，使其保持在新選擇範圍內的最接近值。

透過使用CR模式，電子負載機作為可調節的功率電阻器，在對電源轉換器進行測試時，提供穩定且可控的負載，並可以直接取代電阻器。當電子負載機連接到電壓源時，其會感測輸入端的電壓，並根據調節後的阻值計算出所需的電流值，以吸收電源提供的電壓，進而實現所設定的負載。

(3) 特性差異

由於電阻值固定、水泥電阻無法調整，因此難以模擬實際設備在不同工作條件下的動態負載變化，也無法配合測試流程進行自動控制，限制了其在自動化測試系統中的應用。相比之下，電子負載可以輕鬆調節，吸收不同等級的功率配置，因此更具有靈活性和適應性。以下為兩者的比較表:

 

表1. 水泥電阻與電子負載機-CR mode的比較表

	水泥電阻器	電子負載機(CR)
精準度	低	高
散熱需求	高	低
溫度上升量	大	小
成本	低	高
串聯使用	是	否

 

根據比較表，使用電阻器的缺點包括:
1. 電阻器的誤差大而導致精準度低
2. 測試參數無法即時變更，調整過程耗時，降低了測試效率與自動化程度
3. 需要風冷散熱，而造成放置體積較大。
 

相比之下，使用電子負載機能夠克服使用電阻器作為負載測試的缺點。

其具有以下優勢:

1. 散熱機構內建，無需外接風扇或大型散熱模組

2. 工作模式可自由模擬定電流、定電阻、定電壓及短路的負載

3. 具有較高的自動化程度，能大大提高測試效率及節省人力。

值得注意的是，當電源提供的功率超過單個水泥負載器的規格時，可以考慮串聯與並聯多個不同電阻值的水泥負載，以增加其額定規格。

使用電子負載機時，為了增加額定規格，只能透過並聯的方式來連接兩個或更多的電子負載機，如圖6。需注意不應該串聯使用多個電子負載機。由於存在誤差問題，即使是相同型號的電子負載機，串聯使用可能導致電壓分配不均，這可能導致其中一個電子負載機在遇到過壓時切斷，嚴重情況下甚至可能導致損壞。

因此，使用電子負載機時應定期檢查其功能，必要時進行校準，以確保安全和可靠性。

整體而言，若需進行重複性高、參數可調且支援自動化的電源測試，電子負載機為首選；若僅需簡單、穩態的大功率負載模擬，水泥電阻則為成本效益較佳的選項

 

測試實際情況

對於電源轉換器的測試，水泥電阻和電子負載機各有其適合的應用場景，水泥電阻具備成本低、結構穩定、無主動開關成分且不產生電磁干擾（EMI）等優勢；電子負載機則具有反應快速、負載調節精準、可程式控制等特點，適用於動態與高精度測試需求。以下分類出兩者適合作為負載的實驗:

(1) 適合水泥電阻的實驗

• EMI、EMS 實驗：水泥電阻屬於無源元件，不會產生開關動作或脈衝噪聲，因此不會成為 EMI 的來源，也不易受 EMS 影響。這使其特別適合用於電磁干擾（EMI）與電磁耐受性（EMS）測試，有助於確保測試結果的準確與一致性。
• 靜態試驗：在效率或穩態性能測試中，水泥電阻可作為固定阻值負載，提供穩定的電流吸收，操作簡便、成本低廉，適合進行靜態條件下的輸出特性評估。

(2) 適合電子負載機的實驗

• 可靠度試驗：電子負載機可精準控制電流或電阻負載條件，適用於如高溫高濕等可靠度試驗，可確保長時間測試過程中負載穩定一致，有助於評估轉換器在極端環境下的性能與耐久性。
• 動態試驗：電子負載機具備高速響應特性，能快速切換負載狀態，因此非常適合用於暫態響應、動態負載變化測試等應用，例如模擬啟動瞬間電流波動，或測試電源的負載調節性能。

 

結論

本文針對電源轉換器測試中常見的兩種負載方式——水泥電阻與電子負載機（CR 模式）進行了比較，並歸納各自的特性與適用情境。水泥電阻結構簡單、成本低廉，適用於靜態負載模擬或效率測試等對調節精度要求不高的場合；而電子負載機具備可程式控制、高精度與快速響應能力，適合用於暫態響應測試、動態負載行為模擬等進階應用。選擇合適的負載方式應依據測試目標與精度需求綜合評估，以確保測試結果的有效性與可靠性。

 

 

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