“所有精明的当家都知道这个道理，如果自己在家里制造的花费比在外面购买的多，就千万不要自行制造……这对于家庭来说的至理名言，应用在大企业以至整个国家中大概也不会有错。” – 摘自Adam Smith的《国富论》(Wealth of Nations)。
1776年，苏格兰经济学家Adam Smith创出了分工与专业的概念，并得出结论：无论从微观还是宏观的经济角度看，企业都必须充分发挥本身的能力，与外部的资源相辅相成。这基本经济学原理至今仍然正确，尤其是对于当今的电子设备设计人员和OEM厂商，正面对庞大的环球市场压力，必须以更短的周期开发出更高成本效益、功耗更小和更环保的“绿色”产品和功率系统。
设计和开发新型的绿色功率器件需要更精密的设施进行，通常超越许多公司内部实验室在测试和测量谐波、功率因数、超低瓦数及其它设计参数方面所达到的准确度、精密性 (可重复性) 和分辨率能力水平。好消息是设计人员无需再依赖自家设备，便可利用到处都有且功能多样的商业化测试仪器设计出能满足应用要求的精密器件。
究竟何谓“绿色”？
“绿色”一词可以包罗许多东西，包括所有不含铅或其它RoHS物质 (参考欧盟的2002/95/EC文号《限制使用的有害物质》) 的电子产品。
“绿色”也指设备在正常运行或待机模式时的工作效率。在待机模式时，许多设备如复印机、传真机、显示器、计算机及许多其它消费电子产品都能通过遥控 (或唤醒信号) 进行启动。这类电路通常需要脱机电源，该电源同时也可用于电池充电、分配系统功率或其它功能。测量产品在脱机(待机)模式时的功率会比当初想象的复杂得多。
测量设备时首先遇到的困难是动态范围广泛。事实上，涌流或运行电流消耗的功率可达上百瓦，而待机功率则低于1瓦。不幸的是，并非所有交流电流计都具有足够的准确度、精密性(可重复性)或分辨率，以便将如此低水平的信号从测量的噪声背景中抽取出来。电源本身的电容就常常在电路中产生大量涌流，其强度远远超过工程人员所希望测量待机功率的毫瓦数量级。使情况更加复杂的是，为了节省采用正确专业仪器的额外费用，只好使用现有测试设备，因而导致技术错误的出现。正象马克•吐温欢察的那样：“如果你有的只是一把钉锤，那么所有的东西都会变成钉子”。工欲善其事，必先利其器。采用不正确工具的后果可以很严重。
采用专业仪器达到“绿色”产品的测量标准
现在已有很多专业仪器能达到各种“绿色”产品的测量标准，如北美的“能源之星”(Energy Star)、德国的“兰色天使”(Blue Angel)、国际能源总署的“1瓦倡议”(1-Watt Initiative) 及日本的“领先者”(Top Runner) 计划等。要达到1瓦以下功率测量所要求的准确度、精密性 (可重复性) 和分辨率，到底需要些什么？首先，建议应从潜在的供应商那里取得评估样机，以确定哪些仪器能针对所需应用在性能和功能方面提供价格优势、用户友好性、准确度、精密性、分辨率及适用性。
专业的功率分析仪和数字功率计采用如下的方法计算功率：
Pavg = 1/T ∫0 v(t) * I(t) dt
即将瞬态电压乘以瞬态电流，然后在某一时间段上进行积分。
有些新式示波器更糅合了内置计算机，能提供交流功率测量功能，并具有标配或可选的功率分析软件。这类配置容许计算机/示波器组合的数学和分析功能对电压和电流数据进行分析和平均。这样，示波器的一个通道就可作为电流输入 (利用电阻作为电流旁路和差分探头)，另一个通道则作为电压测量输入。示波器的输入带宽和取样时间必须够快来捕捉复杂的波形。即使是以计算机为基础的高级示波器也不能提供专用分析仪所具备的准确度、精确性分辨率，而且成本更高。
在接入电源线时，紧记要将示波器和被测电路板接地。被测单元甚至示波器本身必须采用隔离变压器，以防止损坏出现。采用这个技术的缺点是设置耗时，且需要编程，如果实验室还没有配备示波器的话，还需要破费添置。这显然比简单地接上一个仪器、按几下按钮就快速得到精确的结果费时。不过，如果经费允许，在价值3万美元示波器上加一个功率计是个不错的主意。
基本术语的定义
这里，需要说明一下前面提到的“准确度”、“精确性(可重复性)”和“分辨率”的定义，必需清楚了解它们的区别，才能正确地评估和诠释测试的结果。低功率交流测量不仅要求符合标准的准确度，还必须具可重复性(精确性)，以及为低于1瓦的功率水平提供足够的分辨率。
然而，这些基本的词语常常会被混淆或互换使用。“准确度”定量了采用某个仪器测量的不确定性，其定义为所测量数量与该数量真实数值之间的一致性。“精确性”定量了对固定数量进行重复测量所预计的组别散度或分布。“分辨率”指测量仪器能对测量数量准确测出的最小变化或增量。
这些概念用简单的打靶练习来说明会更容易理解。如果重复地射中一点，就代表精确性高。举例说，如果重复测量一个1.00000V标准电压，测量结果始终为0.900V，这代表了精确性(可重复性)高，但准确度不是很好(准确度是指离靶心有多接近)。下面的靶子说明了在针对重复出现的同一数值的测量中相对较低的准确度与高精确性之间的差异。
图1：具有高精确性但不具准确度
在同一个例子中，如果对1.0000 V电压标准源反复测量的结果都是1.0000 V，那么可以说测量的准确度和精确性都很高。
图2：兼具准确度和精确性
分辨率关心的是可测出的最小变化量。上面那个靶上的环可用于判断射击孔之间的距离。例如，利用3.5数位数字万用表(DDM)读取微伏级直流电压就可能就无法胜任这个测量任务，需要分辨率比该万用表更高的仪器才可以检测出小量的信号。
还有一个因素需要考虑：如今的节能功率系统采用“突发模式”(或称“间歇模式”) 脉冲跳跃或空载跳空周期技术来降低从输电线上消耗的平均功率。这种非时钟控制的信号会产生非周期性和很复杂的随机电流波形，波形会随时间、输电线路和负载电压的不同而改变。要在这种情况下获得完整的测量结果，便需要很快的采样速率和长期的时间平均测量；也就是说，需要采用正确的测试设备，而不仅仅是那些实验室中随处可见的设备。
测量技术的调查
本节讨论各种用于低功率交流测量技术的一些缺点。
说到最简单的方案，可能想到的是用于测量交流线电压和电流的真正均方根(RMS)测量仪。这种仪器由于负载随时间变化及数字万用表模数转换器的采样速率一般较低，因此测量效果不太理想。取决于具体设备，大多数低速传统整合类型的测量仪只会追逐迅速变化的信号，并随机地锁住信号波形的某些部分，很大机会出现不正确的测量结果。最好的情况是测量结果差异很大，不足以稳定地计算待机模式中的负载功率，这样用户甚至不会尝试采用有关的测量数据。最坏的情况是，工程人员会被误导，认为所得到的结果经已“足够稳定”，可以进行计算，从而得出错误的结论。
另一种方法(见图3)是用0-600V的功率电源，来测量例如电压为120或220 VAC的1.414倍的功率电路中经桥式整流和滤波后在次级上输出的直流电平。电路中插入了模拟直流电流计，并连同旁路开关；当最初的充电涌流结束后，旁路开关断开，电流计读出流过的直流电流。输入电流信号的波动会造成直流电流的相对振荡，然后用户需目不转睛地盯着这个情况，以找出平均的电流强度及“记录其范围”。这种靠眼睛测量的方法远远谈不上精确性和分辨率。
图3：谈不上精确性和分辨率的肉眼测量方法
因此，了解被测对象的内部电路是必须的，只知道它有电源而不知道有否其它连接很容易会出问题；例如，在传真机或复印机中为低压加热器供电的变压器(见图4)，即可能因为直流电压对变压器的直流电阻(Rdc)响应不佳，致使保险丝烧断。
如果知道在电网频率下的交流待机功率，而不是直流功耗，就会有助于解决这个问题。测试产品大多一定包括EMI滤波器(见图5)，但在直流电压下，不可能测量其对该EMI滤波器容抗部分待机功率的影响。除保险丝烧断的变压器外，这些反应器件不会在直流电压输入中表明出来。
图4：只知道电源而不知道有否其它连接很容易出问题，可能因为直流电压对变压器的直流电阻(Rdc)响应不佳，致使保险丝烧断
图5：知道在电网频率下的交流待机功率是很重要的
必须全面考虑影响待机功率的各种因素，因为，在实际运行中，一旦有交流输入，X和Y电容肯定会成为影响功耗的因素。那么，交流输入还有什么用途呢？是会导致测量误差(最好的情况)还是造成被测设备的损坏(最坏的情况)？由于测量时设备的工作环境与在50Hz～60 Hz 交流电线下使用时不一样，这会出现怎样的测量误差和潜在损坏呢？
最好的技术包括使用交流功率源，结合具有高采样速率和宽频带功能的仪器，对例如说200 KHz的电流和电压进行采样。此外，还必须对信号按时间进行平均，以及对这些电流和电压信号数据进行必要的数学计算，从而达到复杂波形的精确性。仪器应有足够的动态范围，才能同时胜任待机模式和运行模式下的效率和性能测量。
利用可编程交流功率源的计算功能来完成这些测量也许真的奏效。然而，当用1500瓦的交流功率源来测量1瓦以下的功率，就会存在对测量准确度、精确性和分辨率可信性的风险。这种方式大多都不能得到有意义的数据，结果只有将不准确的数据报告给认证管理机构或印刷在你的产品技术规范中。我们的目标却是要满足或超越全球性的规定要求。
总之，低交流功率测量的基本测试要求涉及精密的技术，能针对复杂或失真波形完成快速采样和持续的平均值运算。好在今天到处都有能够满足各种应用要求的专业测试设备，设计人员再也不需依赖自家的设备来测量电压、电流、功率因数、谐波、低功率和其它关键参数。
实际的考虑因素
由于所有的测试设备都不尽相同，因此，选择适合应用的设备非常重要。需要考虑的关键性能特点包括：仪器的准确度、精确性和分辨率指标，以及下列主要特性：
• 能同时对电流和电压波形进行快速采样；
• 能处理复杂的随机电流波形；
• 功率测量的动态范围大；
• 能实现长时间段的平均值测量；
• 能通过控制面板操作仪器或将采集数据输出到计算机进行事后处理。
“先试后买”是一个很好的提议。要作出真正英明的决定，工程人员必须按实际情况对仪器进行评估。同时，也应考虑仪器的特点和性能是否能够满足未来可预见的需求。
记住，在产品从电路设计到成品评测的整个进程中，都会使用相同的仪器进行测试，包括大范围的运行模式效率测量和待机功率测量，以及评估设计的功率因数、测量谐波分量和许多其它功能。当然，对未来的需求作出肯定性的规划比较困难；不过，为了应对未来未能预料的需求，在一开始就为实验室构建尽可能多的功能当然有利无害。
结语
低功率交流测量要求高精密的专业级仪器。随着各种强制性的功效标准在全球各地陆续推出，不及早响应及进行准备只会自招麻烦。
试想一下：由于测试实验室中有人“为了省钱”而使到产品的技术未能达标而无法付运，这是多么可惜。与其花费昂贵的资源重新发明测量仪器，设计人员不如把才干和精力用在革新电路和产品上。如果没有正确的工具而盲目行事，数千计美元很轻易就会浪费掉。为了避免由某些测试机构或客户公布有关产品或电路性能好坏所带来的灾难性问题(这些信息在设计开始前就应该知道)，需要在实验室配备正确的测试仪器，让工程人员能够充满信心地进行设计和保证了产品的付运。与任何行业的工匠一样，出色的设计工程人员都需要出色的工具协助。
参考资料:
1. Electronic Product Design www.epd.com
2. Voltech test and measurement http://www.voltech.com
3. Yokogawa test and measurement digital power meters and power analyzers
http://www.yokogawa.com/tm/wtpz/tm-wtpz.htm
4. Hioki USA power 3332 hitester
http://www.hiokiusa.com/modules/products/index.php?op=viewproduct&proid=51
5. Voltech notes - publication number VPN 104-054/1“Standby and low power measurements”
6. Top Runner program – Japan’s approach to energy savings and conservation
http://www.eccj.or.jp/top_runner/index.html
7. Ecos consulting http://www.ecosconsulting.com/
8. EPA energystar program http://www.energystar.gov/
9. Clarke-Hess model2330 http://www.clarke-hess.com/2330.html
10. Tektronix http://www.tek.com/Measurement/applications/design_analysis/power.html
1776年，苏格兰经济学家Adam Smith创出了分工与专业的概念，并得出结论：无论从微观还是宏观的经济角度看，企业都必须充分发挥本身的能力，与外部的资源相辅相成。这基本经济学原理至今仍然正确，尤其是对于当今的电子设备设计人员和OEM厂商，正面对庞大的环球市场压力，必须以更短的周期开发出更高成本效益、功耗更小和更环保的“绿色”产品和功率系统。
设计和开发新型的绿色功率器件需要更精密的设施进行，通常超越许多公司内部实验室在测试和测量谐波、功率因数、超低瓦数及其它设计参数方面所达到的准确度、精密性 (可重复性) 和分辨率能力水平。好消息是设计人员无需再依赖自家设备，便可利用到处都有且功能多样的商业化测试仪器设计出能满足应用要求的精密器件。
究竟何谓“绿色”？
“绿色”一词可以包罗许多东西，包括所有不含铅或其它RoHS物质 (参考欧盟的2002/95/EC文号《限制使用的有害物质》) 的电子产品。
“绿色”也指设备在正常运行或待机模式时的工作效率。在待机模式时，许多设备如复印机、传真机、显示器、计算机及许多其它消费电子产品都能通过遥控 (或唤醒信号) 进行启动。这类电路通常需要脱机电源，该电源同时也可用于电池充电、分配系统功率或其它功能。测量产品在脱机(待机)模式时的功率会比当初想象的复杂得多。
测量设备时首先遇到的困难是动态范围广泛。事实上，涌流或运行电流消耗的功率可达上百瓦，而待机功率则低于1瓦。不幸的是，并非所有交流电流计都具有足够的准确度、精密性(可重复性)或分辨率，以便将如此低水平的信号从测量的噪声背景中抽取出来。电源本身的电容就常常在电路中产生大量涌流，其强度远远超过工程人员所希望测量待机功率的毫瓦数量级。使情况更加复杂的是，为了节省采用正确专业仪器的额外费用，只好使用现有测试设备，因而导致技术错误的出现。正象马克•吐温欢察的那样：“如果你有的只是一把钉锤，那么所有的东西都会变成钉子”。工欲善其事，必先利其器。采用不正确工具的后果可以很严重。
采用专业仪器达到“绿色”产品的测量标准
现在已有很多专业仪器能达到各种“绿色”产品的测量标准，如北美的“能源之星”(Energy Star)、德国的“兰色天使”(Blue Angel)、国际能源总署的“1瓦倡议”(1-Watt Initiative) 及日本的“领先者”(Top Runner) 计划等。要达到1瓦以下功率测量所要求的准确度、精密性 (可重复性) 和分辨率，到底需要些什么？首先，建议应从潜在的供应商那里取得评估样机，以确定哪些仪器能针对所需应用在性能和功能方面提供价格优势、用户友好性、准确度、精密性、分辨率及适用性。
专业的功率分析仪和数字功率计采用如下的方法计算功率：
Pavg = 1/T ∫0 v(t) * I(t) dt
即将瞬态电压乘以瞬态电流，然后在某一时间段上进行积分。
有些新式示波器更糅合了内置计算机，能提供交流功率测量功能，并具有标配或可选的功率分析软件。这类配置容许计算机/示波器组合的数学和分析功能对电压和电流数据进行分析和平均。这样，示波器的一个通道就可作为电流输入 (利用电阻作为电流旁路和差分探头)，另一个通道则作为电压测量输入。示波器的输入带宽和取样时间必须够快来捕捉复杂的波形。即使是以计算机为基础的高级示波器也不能提供专用分析仪所具备的准确度、精确性分辨率，而且成本更高。
在接入电源线时，紧记要将示波器和被测电路板接地。被测单元甚至示波器本身必须采用隔离变压器，以防止损坏出现。采用这个技术的缺点是设置耗时，且需要编程，如果实验室还没有配备示波器的话，还需要破费添置。这显然比简单地接上一个仪器、按几下按钮就快速得到精确的结果费时。不过，如果经费允许，在价值3万美元示波器上加一个功率计是个不错的主意。
基本术语的定义
这里，需要说明一下前面提到的“准确度”、“精确性(可重复性)”和“分辨率”的定义，必需清楚了解它们的区别，才能正确地评估和诠释测试的结果。低功率交流测量不仅要求符合标准的准确度，还必须具可重复性(精确性)，以及为低于1瓦的功率水平提供足够的分辨率。
然而，这些基本的词语常常会被混淆或互换使用。“准确度”定量了采用某个仪器测量的不确定性，其定义为所测量数量与该数量真实数值之间的一致性。“精确性”定量了对固定数量进行重复测量所预计的组别散度或分布。“分辨率”指测量仪器能对测量数量准确测出的最小变化或增量。
这些概念用简单的打靶练习来说明会更容易理解。如果重复地射中一点，就代表精确性高。举例说，如果重复测量一个1.00000V标准电压，测量结果始终为0.900V，这代表了精确性(可重复性)高，但准确度不是很好(准确度是指离靶心有多接近)。下面的靶子说明了在针对重复出现的同一数值的测量中相对较低的准确度与高精确性之间的差异。
图1：具有高精确性但不具准确度
在同一个例子中，如果对1.0000 V电压标准源反复测量的结果都是1.0000 V，那么可以说测量的准确度和精确性都很高。
图2：兼具准确度和精确性
分辨率关心的是可测出的最小变化量。上面那个靶上的环可用于判断射击孔之间的距离。例如，利用3.5数位数字万用表(DDM)读取微伏级直流电压就可能就无法胜任这个测量任务，需要分辨率比该万用表更高的仪器才可以检测出小量的信号。
还有一个因素需要考虑：如今的节能功率系统采用“突发模式”(或称“间歇模式”) 脉冲跳跃或空载跳空周期技术来降低从输电线上消耗的平均功率。这种非时钟控制的信号会产生非周期性和很复杂的随机电流波形，波形会随时间、输电线路和负载电压的不同而改变。要在这种情况下获得完整的测量结果，便需要很快的采样速率和长期的时间平均测量；也就是说，需要采用正确的测试设备，而不仅仅是那些实验室中随处可见的设备。
测量技术的调查
本节讨论各种用于低功率交流测量技术的一些缺点。
说到最简单的方案，可能想到的是用于测量交流线电压和电流的真正均方根(RMS)测量仪。这种仪器由于负载随时间变化及数字万用表模数转换器的采样速率一般较低，因此测量效果不太理想。取决于具体设备，大多数低速传统整合类型的测量仪只会追逐迅速变化的信号，并随机地锁住信号波形的某些部分，很大机会出现不正确的测量结果。最好的情况是测量结果差异很大，不足以稳定地计算待机模式中的负载功率，这样用户甚至不会尝试采用有关的测量数据。最坏的情况是，工程人员会被误导，认为所得到的结果经已“足够稳定”，可以进行计算，从而得出错误的结论。
另一种方法(见图3)是用0-600V的功率电源，来测量例如电压为120或220 VAC的1.414倍的功率电路中经桥式整流和滤波后在次级上输出的直流电平。电路中插入了模拟直流电流计，并连同旁路开关；当最初的充电涌流结束后，旁路开关断开，电流计读出流过的直流电流。输入电流信号的波动会造成直流电流的相对振荡，然后用户需目不转睛地盯着这个情况，以找出平均的电流强度及“记录其范围”。这种靠眼睛测量的方法远远谈不上精确性和分辨率。
图3：谈不上精确性和分辨率的肉眼测量方法
因此，了解被测对象的内部电路是必须的，只知道它有电源而不知道有否其它连接很容易会出问题；例如，在传真机或复印机中为低压加热器供电的变压器(见图4)，即可能因为直流电压对变压器的直流电阻(Rdc)响应不佳，致使保险丝烧断。
如果知道在电网频率下的交流待机功率，而不是直流功耗，就会有助于解决这个问题。测试产品大多一定包括EMI滤波器(见图5)，但在直流电压下，不可能测量其对该EMI滤波器容抗部分待机功率的影响。除保险丝烧断的变压器外，这些反应器件不会在直流电压输入中表明出来。
图4：只知道电源而不知道有否其它连接很容易出问题，可能因为直流电压对变压器的直流电阻(Rdc)响应不佳，致使保险丝烧断
图5：知道在电网频率下的交流待机功率是很重要的
必须全面考虑影响待机功率的各种因素，因为，在实际运行中，一旦有交流输入，X和Y电容肯定会成为影响功耗的因素。那么，交流输入还有什么用途呢？是会导致测量误差(最好的情况)还是造成被测设备的损坏(最坏的情况)？由于测量时设备的工作环境与在50Hz～60 Hz 交流电线下使用时不一样，这会出现怎样的测量误差和潜在损坏呢？
最好的技术包括使用交流功率源，结合具有高采样速率和宽频带功能的仪器，对例如说200 KHz的电流和电压进行采样。此外，还必须对信号按时间进行平均，以及对这些电流和电压信号数据进行必要的数学计算，从而达到复杂波形的精确性。仪器应有足够的动态范围，才能同时胜任待机模式和运行模式下的效率和性能测量。
利用可编程交流功率源的计算功能来完成这些测量也许真的奏效。然而，当用1500瓦的交流功率源来测量1瓦以下的功率，就会存在对测量准确度、精确性和分辨率可信性的风险。这种方式大多都不能得到有意义的数据，结果只有将不准确的数据报告给认证管理机构或印刷在你的产品技术规范中。我们的目标却是要满足或超越全球性的规定要求。
总之，低交流功率测量的基本测试要求涉及精密的技术，能针对复杂或失真波形完成快速采样和持续的平均值运算。好在今天到处都有能够满足各种应用要求的专业测试设备，设计人员再也不需依赖自家的设备来测量电压、电流、功率因数、谐波、低功率和其它关键参数。
实际的考虑因素
由于所有的测试设备都不尽相同，因此，选择适合应用的设备非常重要。需要考虑的关键性能特点包括：仪器的准确度、精确性和分辨率指标，以及下列主要特性：
• 能同时对电流和电压波形进行快速采样；
• 能处理复杂的随机电流波形；
• 功率测量的动态范围大；
• 能实现长时间段的平均值测量；
• 能通过控制面板操作仪器或将采集数据输出到计算机进行事后处理。
“先试后买”是一个很好的提议。要作出真正英明的决定，工程人员必须按实际情况对仪器进行评估。同时，也应考虑仪器的特点和性能是否能够满足未来可预见的需求。
记住，在产品从电路设计到成品评测的整个进程中，都会使用相同的仪器进行测试，包括大范围的运行模式效率测量和待机功率测量，以及评估设计的功率因数、测量谐波分量和许多其它功能。当然，对未来的需求作出肯定性的规划比较困难；不过，为了应对未来未能预料的需求，在一开始就为实验室构建尽可能多的功能当然有利无害。
结语
低功率交流测量要求高精密的专业级仪器。随着各种强制性的功效标准在全球各地陆续推出，不及早响应及进行准备只会自招麻烦。
试想一下：由于测试实验室中有人“为了省钱”而使到产品的技术未能达标而无法付运，这是多么可惜。与其花费昂贵的资源重新发明测量仪器，设计人员不如把才干和精力用在革新电路和产品上。如果没有正确的工具而盲目行事，数千计美元很轻易就会浪费掉。为了避免由某些测试机构或客户公布有关产品或电路性能好坏所带来的灾难性问题(这些信息在设计开始前就应该知道)，需要在实验室配备正确的测试仪器，让工程人员能够充满信心地进行设计和保证了产品的付运。与任何行业的工匠一样，出色的设计工程人员都需要出色的工具协助。
参考资料:
1. Electronic Product Design www.epd.com
2. Voltech test and measurement http://www.voltech.com
3. Yokogawa test and measurement digital power meters and power analyzers
http://www.yokogawa.com/tm/wtpz/tm-wtpz.htm
4. Hioki USA power 3332 hitester
http://www.hiokiusa.com/modules/products/index.php?op=viewproduct&proid=51
5. Voltech notes - publication number VPN 104-054/1“Standby and low power measurements”
6. Top Runner program – Japan’s approach to energy savings and conservation
http://www.eccj.or.jp/top_runner/index.html
7. Ecos consulting http://www.ecosconsulting.com/
8. EPA energystar program http://www.energystar.gov/
9. Clarke-Hess model2330 http://www.clarke-hess.com/2330.html
10. Tektronix http://www.tek.com/Measurement/applications/design_analysis/power.html
