CN103412265B - Ccm降压变换器输出电容esr和c的监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CCM降压变换器输出电容ESR和C的监测装置及方法。该装置包括Buck变换器主功率电路、驱动电路、显示单元和信号处理模块,其中信号处理模块包括功率电路控制单元、开关频率fs计算单元、占空比D计算单元、输出电压触发采样单元、电容ESR和C计算单元;该方法为通过检测开关管的PWM驱动脉冲信号,经占空比D计算单元得到占空比,经开关频率fs计算单元得到变换器的开关频率,输出电压触发采样单元一方面检测输出电压平均值,另一方面触发采样得到输出电压的瞬时值,将上述数据送入电容ESR和C计算单元,得到Buck变换器中输出滤波电容当前ESR和C的值。本发明无需电流传感器,不影响变换器的正常工作,为电容和电源的寿命预测提供依据。
Description
技术领域
本发明属于电能变换装置中的监测技术领域,特别是一种CCM降压变换器输出电容ESR和C的监测装置及方法。
背景技术
由于效率高、体积小等优点,开关电源在日常生产生活中应用十分广泛。一般而言,为了得到较为稳定的输出电压,必须采用电容有效滤除高频噪声。变换器工作一段时间之后,电容的容值(Capacitance,C)和等效串联电阻(Equivalent Series Resistance,ESR)会发生变化,与初电容值C和阻值ESR相比,当该变化量较大时,即可认为该电容已失效,电容的失效将会造成电源和***的运行故障。降压(Buck)、升压(Boost)、升降压(Buck-Boost)变换器是三种最基本的开关电源变换器,其他的变换器均可以由这三种变换器衍变而来。其中,CCM(Continuous Current Mode,电流连续模式)Buck变换器在计算机电源、通讯电源、航空航天等领域广泛使用,因此监测CCM Buck变换器的输出滤波电容的ESR和C,预测其寿命非常重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种CCM降压变换器输出电容ESR和C的监测装置及方法,能够实时监测等效串联电阻ESR和电容的容值C的变化,对电解电容和电源的寿命进行准确预测。
实现本发明目的的技术解决方案为:一种CCM降压变换器输出电容ESR和C的监测装置包括Buck变换器主功率电路、驱动电路、显示单元和信号处理模块,所述信号处理模块包括功率电路控制单元、开关频率fs计算单元、占空比D计算单元、输出电压触发采样单元、电容ESR和C计算单元;
所述Buck变换器主功率电路包括输入电压源Vin、开关管Qb、续流二极管Db、滤波电感L、输出滤波电容和负载RL,所述输出滤波电容包括等效串联电阻ESR和电容C,其中开关管Qb的漏极与电压源Vin的正极连接,续流二极管Db的阴极与开关管Qb的源极连接,续流二极管Db的阳极与电压源Vin的负极连接,滤波电感L的一端与续流二极管Db的阴极连接,滤波电感L的另一端分别与等效串联电阻ESR的一端及负载RL的一端连接,等效串联电阻ESR的另一端与电容C的一端连接,电容C的另一端及负载RL的另一端均与电压源Vin的负极连接,负载RL两端为输出电压vo;
所述功率电路控制单元的输入端分别与Buck变换器主功率电路的电压源Vin和输出电压vo连接,功率电路控制单元输出端的PWM信号分别接入开关频率fs计算单元和占空比D计算单元,Buck变换器主功率电路的输出电压vo和功率电路控制单元输出端的PWM信号均接入输出电压触发采样单元,开关频率fs计算单元、占空比D计算单元、输出电压触发采样单元的输出端均接入电容ESR和C计算单元,电容ESR和C计算单元的输出端接入显示单元;
所述驱动电路的输入端与功率电路控制单元输出端的PWM信号连接,驱动电路的输出端接入开关管Qb的栅极。
一种CCM降压变换器输出电容ESR和C的监测方法,包括以下步骤:
步骤1,在信号处理模块中创建功率电路控制单元、开关频率fs计算单元、占空比D计算单元、输出电压触发采样单元、电容ESR和电容量C计算单元;
步骤2,信号处理模块的功率电路控制单元采集Buck变换器主功率电路的输出电压vo和输入电压Vin,得到PWM信号并经驱动电路驱动开关管Qb;
步骤3,功率电路控制单元输出的PWM信号送入开关频率fs计算单元和占空比D计算单元,经开关频率fs计算单元处理得出变换器当前的开关频率fs,经占空比D计算单元处理得出变换器当前的占空比D;
步骤4,功率电路控制单元输出的PWM信号和Buck变换器主功率电路的输出电压vo同时送入输出电压触发采样单元,经输出电压触发采样单元处理得到输出电压的瞬时值vo(0)、vo(DTs/2)和输出电压的平均值Vo;
步骤5,将得到的开关频率fs、占空比D、以及PWM信号上升沿时刻对应的瞬时输出电压vo(0)、PWM信号上升沿和下降沿之间的中点时刻对应的瞬时输出电压vo(DTs/2)和输出电压的平均值Vo送入电容ESR和C计算单元进行综合处理,得到Buck变换器中输出滤波电容当前等效串联电阻ESR和电容C的值;
步骤6,电容ESR和C计算单元将所得的等效串联电阻ESR和电容C的值送入显示单元实时显示。
与现有技术相比,本发明的显著优点为:(1)不影响变换器的正常工作;(2)在线监测电容的ESR和C值,为电容和电源的寿命预测提供依据;(3)无需电流传感器及其辅助电路检测电容电流,减小了参数监测的难度。
附图说明
图1是CCM Buck变换器开关周期中的工作波形。
图2是本发明CCM降压变换器输出电容ESR和C的监测方法示意图。
其中:Vin-输入电压,Iin-输入电流,iL-电感电流,iC-电容电流,Io-输出电流,vo-输出电压,Vo-输出电压平均值,Qb-开关管,Db-二极管,L-电感,C-输出滤波电容值,ESR-等效串联电阻值,RL-负载,Vgs-开关管Qb的驱动电压,D-占空比,t-时间,Ts-变换器开关周期,fs-变换器开关频率,ΔIL-电感电流纹波峰峰值,vESR-等效串联电阻上的电压,vC-电容上的电压。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作出进一步详细说明。
本发明设计一种在线监测工作于电感电流连续模式(Continuous ConductionMode,CCM)的降压(Buck)变换器输出滤波电容ESR和C的装置及方法。
1、理论推导:
图1为CCM Buck变换器开关周期中的工作波形。当开关管Qb导通时,二极管Db截止,电感L两端的电压为Vin-Vo,其电感电流iL以(Vin-Vo)/L的斜率线性上升。当二极管Db关断时,电感电流iL通过二极管Db续流,此时电感L两端的电压为-Vo,电感电流iL以Vo/L的斜率下降。由于Buck变换器工作在CCM模式,因此在开关周期结束前,电感电流iL未下降到零。电感电流iL在一个开关周期内的平均值即为输出电流Io。
电感电流iL在一个周期中的表达式如下:
其中Vin为输入电压,Vo为输出电压平均值,L为电感值,fs为Buck变换器的开关频率,D为开关管的占空比,Ts为Buck变换器的开关周期,t为时间。
电容电流iC的表达式为:
电容电流iC在电容C和等效串联电阻ESR上的压降分别为vC(t)和vESR(t),其波形如结合图1,等效串联电阻ESR上的电压vESR(t)波形与电容电流iC(t)波形形状一致,其表达式为:
电容电压vC(t)与电容电流iC(t)的关系如下式:
其中VC(0)为零时刻对应的电容电压。
显然,等效串联电阻ESR上的电压直流分量为0,即vESR(t)在开关周期内的平均值为0,因此,将式(4)在变换器的一个开关周期Ts内求平均值,即为输出电压平均值Vo,如下式所示:
由式可(5)得:
从附图1可以看出,电容C上的电压为电容电压vC(t)与ESR电压vESR(t)的合成电压,该电压与电容电流iC、电容C、等效串联电阻ESR等有关,实际电路中,根据检测所得的纹波电流iC(t)和合成电压vC(t)+vESR(t)的信息即可反推出电容C和等效串联电阻ESR值。为此,重点考察0时刻和DTs/2两个时刻点。
电容电压vC(t)与等效串联电阻ESR电压vESR(t)的合成电压即为输出电压瞬时值vo(t),根据式(3)、式(4)和式(6),可得:
根据式(7)的输出电压表达式,去除直流平均值Vo可得输出电压的交流分量如下:
0时刻和DTs/2时刻,输出电压的交流分量分别为:
根据式(9)和式(10)可得:
式中,ESR为等效串联电阻的阻值,C为电容的容值,L为电感值,fs为变换器开关频率,Ts为变换器开关周期,Vo为输出电压平均值,D为变换器的占空比,vo(0)为PWM信号上升沿时刻对应的瞬时输出电压,为PWM信号上升沿和下降沿之间的中点时刻对应的瞬时输出电压。
基于式(12),可以得到CCM Buck变换器输出滤波电容ESR和C的监测方法。
2、本发明CCM降压变换器输出电容ESR和C的监测装置及方法
结合图2,本发明CCM降压变换器输出电容ESR和C的监测装置,包括Buck变换器主功率电路1、驱动电路3、显示单元8和信号处理模块,所述信号处理模块包括功率电路控制单元2、开关频率fs计算单元4、占空比D计算单元5、输出电压触发采样单元6、电容ESR和C计算单元7;
所述Buck变换器主功率电路1包括输入电压源Vin、开关管Qb、续流二极管Db、滤波电感L、输出滤波电容和负载RL,所述输出滤波电容包括等效串联电阻ESR和电容C,其中开关管Qb的漏极与电压源Vin的正极连接,续流二极管Db的阴极与开关管Qb的源极连接,续流二极管Db的阳极与电压源Vin的负极连接,滤波电感L的一端与续流二极管Db的阴极连接,滤波电感L的另一端分别与等效串联电阻ESR的一端及负载RL的一端连接,等效串联电阻ESR的另一端与电容C的一端连接,电容C的另一端及负载RL的另一端均与电压源Vin的负极连接,负载RL两端为输出电压vo;
所述功率电路控制单元2的输入端分别与Buck变换器主功率电路1的电压源Vin和输出电压vo连接,功率电路控制单元2输出端的PWM信号分别接入开关频率fs计算单元4和占空比D计算单元5,Buck变换器主功率电路1的输出电压vo和功率电路控制单元2输出端的PWM信号均接入输出电压触发采样单元6,开关频率fs计算单元4、占空比D计算单元5、输出电压触发采样单元6的输出端均接入电容ESR和C计算单元7,电容ESR和C计算单元7的输出端接入显示单元8;所述驱动电路3的输入端与功率电路控制单元2输出端的PWM信号连接,驱动电路3的输出端接入开关管Qb的栅极。所述信号处理模块为DSP芯片TMS320F28335;所述显示单元(8)为1602液晶显示屏。
基于本发明CCM降压变换器输出电容ESR和C的监测装置的监测方法,包括以下步骤:
步骤1,在信号处理模块中创建功率电路控制单元2、开关频率fs计算单元4、占空比D计算单元5、输出电压触发采样单元6、电容ESR和电容量C计算单元7;
步骤2,信号处理模块的功率电路控制单元2采集Buck变换器主功率电路1的输出电压vo和输入电压Vin,得到PWM信号并经驱动电路3驱动开关管Qb;
步骤3,功率电路控制单元2输出的PWM信号送入开关频率fs计算单元4和占空比D计算单元5,经开关频率fs计算单元4处理得出变换器当前的开关频率fs,经占空比D计算单元5处理得出变换器当前的占空比D;
步骤4,功率电路控制单元2输出的PWM信号和Buck变换器主功率电路1的输出电压vo同时送入输出电压触发采样单元6,经输出电压触发采样单元6处理得到输出电压的瞬时值vo(0)、vo(DTs/2)和输出电压的平均值Vo;
步骤5,将得到的开关频率fs、占空比D、以及输出电压的瞬时值vo(0)、vo(DTs/2)和输出电压的平均值Vo送入电容ESR和C计算单元7进行综合处理,根据公式(11)得到Buck变换器中输出滤波电容当前电容C的值,根据公式(12)得到Buck变换器中输出滤波电容当前等效串联电阻ESR的值;
步骤6,电容ESR和C计算单元7将所得的等效串联电阻ESR和电容C的值送入显示单元8实时显示。
本发明针对CCM Buck变换器的输出滤波电容,设计出一种高效稳定的输出滤波电容等效串联电阻ESR和电容C的在线监测装置及方法,该方法可以在不影响电路正常工作的情况下对电容的参数ESR和C进行监测,为电容和电源的寿命预测提供依据,并且无需电容电流检测部分,方便实现,具有重要的实际应用价值。
Claims (5)
1.一种CCM降压变换器输出电容ESR和C的监测装置,其特征在于,包括Buck变换器主功率电路(1)、驱动电路(3)、显示单元(8)和信号处理模块,所述信号处理模块包括功率电路控制单元(2)、开关频率fs计算单元(4)、占空比D计算单元(5)、输出电压触发采样单元(6)、电容ESR和C计算单元(7);
所述Buck变换器主功率电路(1)包括输入电压源Vin、开关管Qb、续流二极管Db、滤波电感L、输出滤波电容和负载RL,所述输出滤波电容包括等效串联电阻ESR和电容C,其中开关管Qb的漏极与电压源Vin的正极连接,续流二极管Db的阴极与开关管Qb的源极连接,续流二极管Db的阳极与电压源Vin的负极连接,滤波电感L的一端与续流二极管Db的阴极连接,滤波电感L的另一端分别与等效串联电阻ESR的一端及负载RL的一端连接,等效串联电阻ESR的另一端与电容C的一端连接,电容C的另一端及负载RL的另一端均与电压源Vin的负极连接,负载RL两端为输出电压vo;
所述功率电路控制单元(2)的输入端分别与Buck变换器主功率电路(1)的电压源Vin和输出电压vo连接,功率电路控制单元(2)输出端的PWM信号分别接入开关频率fs计算单元(4)和占空比D计算单元(5),Buck变换器主功率电路(1)的输出电压vo和功率电路控制单元(2)输出端的PWM信号均接入输出电压触发采样单元(6),开关频率fs计算单元(4)、占空比D计算单元(5)、输出电压触发采样单元(6)的输出端均接入电容ESR和C计算单元(7),电容ESR和C计算单元(7)的输出端接入显示单元(8);
所述驱动电路(3)的输入端与功率电路控制单元(2)输出端的PWM信号连接,驱动电路(3)的输出端接入开关管Qb的栅极。
2.根据权利要求1所述的CCM降压变换器输出电容ESR和C的监测装置,其特征在于,所述信号处理模块为DSP芯片TMS320F28335。
3.根据权利要求1所述的CCM降压变换器输出电容ESR和C的监测装置,其特征在于,所述显示单元(8)为1602液晶显示屏。
4.一种CCM降压变换器输出电容ESR和C的监测方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,在信号处理模块中创建功率电路控制单元(2)、开关频率fs计算单元(4)、占空比D计算单元(5)、输出电压触发采样单元(6)、电容ESR和电容量C计算单元(7);
步骤2,信号处理模块的功率电路控制单元(2)采集Buck变换器主功率电路(1)的输出电压vo和输入电压Vin,得到PWM信号并经驱动电路(3)驱动开关管Qb,所述Buck变换器主功率电路(1)包括输入电压源Vin、开关管Qb、续流二极管Db、滤波电感L、输出滤波电容和负载RL;
步骤3,功率电路控制单元(2)输出的PWM信号送入开关频率fs计算单元(4)和占空比D计算单元(5),经开关频率fs计算单元(4)处理得出变换器当前的开关频率fs,经占空比D计算单元(5)处理得出变换器当前的占空比D;
步骤4,功率电路控制单元(2)输出的PWM信号和Buck变换器主功率电路(1)的输出电压vo同时送入输出电压触发采样单元(6),经输出电压触发采样单元(6)处理得到PWM信号上升沿时刻对应的瞬时输出电压vo(0)、PWM信号上升沿和下降沿之间的中点时刻对应的瞬时输出电压vo(DTs/2)和输出电压的平均值Vo,其中DTs为PWM信号上升沿和下降沿之间的中点时刻;
步骤5,将得到的开关频率fs、占空比D、以及PWM信号上升沿时刻对应的瞬时输出电压vo(0)、PWM信号上升沿和下降沿之间的中点时刻对应的瞬时输出电压vo(DTs/2)和输出电压的平均值Vo送入电容ESR和C计算单元(7)进行综合处理,得到Buck变换器中输出滤波电容当前等效串联电阻ESR和电容C的值;
步骤6,电容ESR和C计算单元(7)将所得的等效串联电阻ESR和电容C的值送入显示单元(8)实时显示。
5.根据权利要求4所述的CCM降压变换器输出电容ESR和C的监测方法,其特征在于,步骤5中所述ESR和C计算单元(7)综合处理的公式如下:
式中,ESR为等效串联电阻的阻值,C为电容的容值,L为滤波电感的电感值,fs为变换器开关频率,Ts为变换器开关周期,Vo为输出电压平均值,D为变换器的占空比,vo(0)为PWM信号上升沿时刻对应的瞬时输出电压,为PWM信号上升沿和下降沿之间的中点时刻对应的瞬时输出电压。
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GR01 | Patent grant |