摘要：电源的工作电压是信息技术设备安全性检测的重要指标之一。由于GB4943标准中对于工作电压的测量描述简介概括。各个实验室有不同的理解，使得工作电压的测量在同一型号电源产品中数据差距较大。本课题工作小组选取了一款台式电脑用的ATX电源，基于控制不同实验条件，对电源初次级变压器的测试数据进行对比。着重分析、总结了工作电压测试中测量设备、接地、隔离、初次级共电位、负载状况等等因素对测试结果的影响。为工作电压的准确测量提供了参考。
关键字：工作电压、信息技术设备、安全、电源
Abstract:Working voltageof power supply is one of theimportanttest indicators for the safety ofinformationtechnology equipment.TheGB4943standardgives a brief description for themeasurementof working voltage. Eachlaboratory has its own understanding ofthis, making the voltage measurementof the same power supply in a large data gaps.Our Working Group selected a desktop computer’s ATXpower supply, based on the control ofdifferent experimental conditions, to compare the test data of transformer in the power supply. Analyzed,summed up the measurement equipment,grounding, isolation, connection betweenthe primary circuit and second circuit, load conditions,and so the impact of factors on thetest results for measurement of working voltage.Provide a referencefor the accurate measurement of working voltage.
Keywords: Working voltage, information technology equipment, safety, power supply
一、引言：
当今社会，信息技术类产品已成为人们日常生活中必不可少的工具。然而信息技术设备由于不符合标准要求而发生安全事故的事例屡见不鲜。目前我国已参照标准ＧＢ４９４３－２００１对信息技术设备的安全进行强制性认证检测。在实际测试中设备的电源往往是测试的重中之重。
电源内部的工作电压是电源测试的重要指标。它是很多参数诸如爬电距离、电气间隙、抗电强度实验电压等判别的依据。如果工作电压测量不准确，会直接导致设备的设计中产生诸多安全隐患。在所测样品众多电子元器件当中，对初级电路与次级电路起隔离作用的变压器的工作电压测量尤为重要。
二、GB4943中工作电压测试的要求：
①额定电压值或额定电压范围上限值应：用作电网电源和地之间的工作电压；在确定与电网电源导电连接的电路和不与电网电源导电连接的电路之间的工作电压时予以考率。
②未接地的可触及导电零部件应假定接地；
③如果变压器绕组或其它组件为浮地，即未与相对于地之间为确定电位的电路连接，则应假定该绕组或组件某一点接地因而产生的最高工作电压；
④如果使用双重绝缘，则在基本绝缘E的工作电压应在假定附加绝缘短路状态下测定，反之亦然。对于变压器绕组之未接地的可触及导电零部件应假定其是接地的;
⑤除下述允许情况之外，对于绕组组件中的两个绕组之间的绝缘，应在考虑绕组可能连接的外部电压后，选择绕组间任意两点之间的最高工作电压。
⑥除下述允许情况之外，对于绕组组件中的与另一个组件之间的绝缘，应选择绕组上任意一点与该组件之间的最高电压。
三、工作电压测试的影响因素分析：
由于各个实验室测试工作电压的方法不尽相同，得出的结果差别很大，容易给人产生疑惑。表1中给出的是一些实验室测量同一款AXT电源的数据对比，其中实验电压均为240VAC：
变压器初次级两端相同引脚间工作电压峰值及有效值
550Vpk , 274.5Vrms
832Vpk, 308Vrms
608Vpk,
294Vrms
556Vpk,
283Vrms
713Vpk, 305Vrms
625Vpk, 307Vrms
740Vpk, 314Vrms
表1：同种型号电源工作电压测试结果
图1：各实验室测量结果对比
从图1所示的测试统计结果中不难发现，对于开关型电源变压器，工作电压的测量在同一型号电源产品、同一标准下实验数据存在差异。尤其对于峰值工作电压测量差异更为明显。由于GB4943标准中对于工作电压的测量描述概括精炼，作为标准它涵盖了实际测试中的种种情况。而不同的实验室根据自身的实验条件对于同一标准有不同的理解。这样不同的测试条件和测试方法导致了不同的测试结果。
本课题工作小组同样选取了一款ATX电源，对初次级间的变压器进行了测试。针对同种电源，采取了不同的测试条件及测试方法。实际测试中发现测量设备、接地、隔离、初次级共电位、负载状况等等因素都对测试结果产生影响。表2对实际测试数据进行了对比。
表2:本课题组ATX开关电源不同实验条件下测试结果对比
对比测试结果证实了不同测试条件对于测试结果的显著影响。然而GB4943标准中对于表2选择的实验条件没有严格的规则可循，笔者接下来根据实际测试经验对影响工作电压测试结果的重要因素加以分析
1、示波器的使用：
测试工作电压时，示波器作为主体测量设备，其正确使用尤为重要。示波器种类、型号很多，功能也不同。当用示波器测试一个未知信号时，如何设置好示波器其实是一个复杂的问题。关于使用示波器的论述文章很多，在这里不加详述。仅对测量工作电压时需要注意几点进行说明：
1）测量的基本步骤是扫描-通道-触发-显示-同步。
2）对于数字示波器大多会有“Auto Setup”键，当调试遇到问题无法解决,记得恢复缺省值调节。在每次实验时也可先恢复缺省值，再手动微调其它参数。
3）当测量同一工作电压，显示大小不同时，读出值会有很大差异，应尽量在屏幕上调节波形最大完整显示，次时读取读数。
4）高压差分探头会有一定衰减比例，在数字示波器的使用中要调节成与之匹配。否则会显示错误。
2、实验探头的影响
大部分人会比较关注示波器本身的使用，却忽略了探头的选择。实际上探头是介于被测信号和示波器之间的中间环节，如果信号在探头处就已经失真了，那么示波器做的再好也没有用。因为示波器内部可以做很好的屏蔽，也不需要频繁拆卸，而探头除了要满足探测的方便性的要求以外，还要保证至少和示波器一样的带宽，使得探头的设计要比示波器难得多。笔者认为示波器和被测电路都匹配良好的探头才是最适合的探头。
针对开关电源中变压器工作电压的测量，可能得到高达几百伏甚至近千伏的高电压（如表1、表2中所示）。一般要选择大于或等于10：1的探头，使其衰减后再由示波器放大显示。示波器探头输出电压的直流值和交流值的总和不能超过示波器的额定电压最大值，如果超过这个额定最大电压，会损坏探头。使用高压探头虽然可以增大衰减倍数，使得测量电压范围增大，但于此同时可能在示波器放大显示时增大示波器本身的噪声。所以对于探头的衰减系数最重要的是选择合适。
探头的输入阻抗可以等效为电阻与电容的并联，如图3所示。由于变压器的频率并非很高，低频时(1MHz 以下)探头的负载主要是电阻作用。为了减轻探头对被测电路的负载作用，应选择高阻抗，低容抗的探头。
图3：探头如何影响测量系统（交流接地和直流接地）
3、接地、隔离的影响：
由于交流电网中存在着大量的谐波、雷击浪涌、高频干扰等噪声，所以对由交流电源供电的控制装置和电子电气设备，都应采取抑制来自交流电源干扰的措施。在工作电压的测量中更要减小测试设备、被测设备、所接负载受到交流电网的噪声干扰。由表2中的实验数据可以看出隔离设备对测试结果的显著影响。当然由于测量应用千差万别，接地、隔离要求也没有严格的标准可循。不同的实验室可能有不同的做法。但笔者认为在测试过程中所有接入设备都采用隔离电源供电得到的测试结果显然更为准确，有效抑制了电磁干扰。同时隔离电源再由交流稳压电源供电保证了系统工作稳定。测试时需要注意：
1）诸如电子负载、示波器等设备隔离时应分别选用不同隔离变压器，避免用同一隔离变压器接插线板后供电。
2）隔离示波器使得示波器的保护接地系统失效，可以进行浮动测量。对于传统示波器由于整个示波器的机箱与探头的“接地”夹同电位，故这种做法在浮动测量中具有危险。应尽量使用具备内部隔离通道的现代示波器测试，提高保护系数。
3）不要误以为隔离电源输出的电压仍然和“L”、“N”同向。实际已和“L”、“N”“PE”不在一个回路，且不知是同向还是反向。测试连接时要注意，以免烧毁测试电路，或使操作人员发生危险。
4、初次级共电位：
由于采用差分浮地的测量方式。对于电路的初次级之间要有公共参考点，这个参考点必须在被测设备中设置。以往有测试观点认为如果所测设备属于I类设备，而且当次级的”地”与初级的”地”相连，那么直接测量其开关变压器各个引脚之间的工作电压，记录其峰值以及有效值，然后选取峰值最大以及有效值最大的一组作为所测的工作电压，不用再将初次级共电位。笔者认为此种测试方案并不合适。因为必须保证所测设备与大地的有效连接，初次级的公共参考“地”才有效。然而如果被测设备未进行隔离就进行测量，其它设备的开关、工作必然会影响被测设备的电压电流。而且由于在同一回路中也会给被测设备带来电磁干扰，这样的测量结果必然会增大误差。所以无论被测设备是I类还是Ⅱ类设备，无论设备内的初级“地”与次级“地”是否连接，都应该隔离测试设备，重新在设备中设置初次级公共参考点。可以把次级的“地”与初级“N”连接，然后再进行工作电压的测试。必须重新设置初次级共电位的原因是隔离后可能会由于浮地导致工作电压偏差。为了得到与所测样品在实际使用中相似的工作环境，而重新设置初次级共电位。之后同样是测量变压器各个引脚之间的工作电压，记录其峰值以及有效值，然后选取峰值最大以及有效值最大的一组作为实际被测的工作电压。
在初次级共电位后，从实际测试中总结发现将其接真地、接市电地、不接地测试结果变化极小，如表2中2)、4）组实验数据所示。这是由于初次级共电位后已经找到参考点，并且参考点的引入使得原本隔离的初次级形成了电路回路，电路的零电位可能浮动，而电路内的电位差基本不会变化。但笔者还是建议将初次级共电位后接真地。因为接地后为整个测试系统提供了一个基准地的同时也提供了一个保护地，尤其对于传统示波器测试降低了操作人员的危险。当未设置初次级共电位时，变压器隔离了初次级的电气连接，此时可看成两个回路。两个回路间的工作电压受很多外部、内部因素影响。使得其与初次级共电位测得的工作电压相比有时会差距很大，如表2中3）、5）组实验数据所示。
5、负载的影响
实际测试中对于直流输出的电源，通过调节直流负载模拟负载状态可以清楚的看出其对设备工作电压的影响。通过表2中1）2）3）组实验数据可以看出在其它实验条件不变，只调节带载状态为空载、半载、满载时，测量数据相差明显。电源的工作电压在测量时应按照额定负载带载测量以模拟正常的最严酷的带载状态，显然测试结果更为准确。
四、结语：
由于对于GB4943中工作电压测试要求的不同理解。对于信息技术设备，同一电源工作电压的测试结果不同。本工作组通过以往测试工作电压检测项目的经验，控制不同的实验条件对实际电源测试结果进行了对比。分析了各个条件对测试结果的影响后，我们认为表2中的3）组实验数据更靠近真实值。其实验条件控制更为合理。希望通过本文对工作电压测试的分析，为工作电压的准确测量提供参考。