CN109142880A - Ccm反激变换器输出电容的准在线监测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种CCM反激变换器输出电容的准在线监测装置及方法。该装置包括Flyback变换器主功率电路、驱动电路、显示单元、参数已知的电容、电流互感隔离放大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、开关频率fs计算、占空比D计算、输出电压采样、电容电流触发采样、电容ESR和C计算六个单元。该方法为：检测开关管的PWM驱动脉冲信号，经开信号处理模块处理得到开关频率和占空比，检测输出平均电压，并上参数已知的并联电容，经过电流互感器隔离放大，采样得到并联电容电流的瞬时值，将上述数据处理得到输出滤波电容当前ESR和C的值。本发明不需要取下变换器中的电容，为电容和电源的寿命预测提供依据。

Description

CCM反激变换器输出电容的准在线监测装置及方法
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反激变换器输出电容的准在线监测装置及方法。
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)Flyback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 Flyback变换器的输出滤波电容的ESR和C，预测其寿命非常重要。但是目前监测CCM Flyback变换器的输出滤波电容的ESR和C的方法，往往需要取下变换器中的电容，无法实时高效地对电容的ESR和C值进行在线监测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种CCM反激变换器输出电容的准在线监测装置及方法，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反激变换器输出电容的准在线监测装置，包括Flyback变换器主功率电路、驱动电路、显示单元、参数已知的电容、电流互感隔离放大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、输出电压采样单元、电容电流触发采样单元、电容ESR和C计算单元；
所述Flyback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、耦合电感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，耦合电感L原边一端与开关管Qb的漏极连接，耦合电感L该端副边的异名端与续流二极管Db的阳极连接，耦合电感L原边另一端与电压源Vin的负极连接，续流二极管Db的阴极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的另一端均与耦合电感L副边的同名端连接，负载RL两端为输出平均电压Vo；
所述功率电路控制单元的输入端分别与Flyback变换器主功率电路的电压源Vin和输出平均电压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，Flyback变换器主功率电路的输出平均电压Vo接入输出电压采样单元，电流互感隔离放大单元和功率电路控制单元输出端的PWM信号均接入电容电流触发采样单元，开关频率fs计算单元、占空比D计算单元、输出电压采样单元和电容电流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的门极。
进一步地，所述信号处理模块为DSP芯片TMS320F28335。
进一步地，所述显示单元为1602液晶显示屏。
一种CCM反激变换器输出电容的准在线监测方法，包括以下步骤：
步骤1，在输出端并联上一个参数已知的电容，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、输出电压采样单元、电容电流触发采样单元、电容ESR和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Flyback变换器主功率电路的输出平均电压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，Flyback变换器主功率电路的输出平均电压Vo送入输出电压采样单元，得到输出平均电压；
步骤5，功率电路控制单元输出的PWM信号和电流互感隔离放大单元的电容电流ix送入电容电流触发采样单元，通过延时程序处理得到电容电流的瞬时值ix(DTs)、ix[(1+9D)Ts/10]、ix[(2+8D)Ts/10]、ix[(3+7D)Ts/10]、ix[(4+6D)Ts/10]、ix[(5+5D)Ts/10]、ix[(6+4D)Ts/10]、ix[(7+3D)Ts/10]、ix[(8+2D)Ts/10]、ix[(9+D)Ts/10]、ix(Ts)共11个值，Ts为变换器开关周期；
步骤6，将得到的开关频率fs、占空比D、输出平均电压Vo以及电容电流的瞬时值ix(DTs)、ix[(1+9D)Ts/10]、ix[(2+8D)Ts/10]、ix[(3+7D)Ts/10]、ix[(4+6D)Ts/10]、ix[(5+5D)Ts/10]、ix[(6+4D)Ts/10]、ix[(7+3D)Ts/10]、ix[(8+2D)Ts/10]、ix[(9+D)Ts/10]、ix(Ts)送入电容ESR和C计算单元(10)进行曲线拟合和综合处理，得到Flyback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7，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。
进一步地，步骤6中所述ESR和C计算单元曲线拟合方程应该如下：
求得X1、X2、X3和iCx(0)；iCx(0)为电容电流的初始瞬时值，t为时间；
接着按照步骤6中所述ESR和C计算单元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，Ls为耦合电感副边感值，Vo为输出平均电压，ESRx为所并联电容的等效串联电阻的阻值，Cx为所并联电容的容值，X1、X2、X3为拟合曲线的参数。
本发明与现有技术相比，且显著优点为：(1)不需要取下变换器中的电容；(2)准在线监测电容的ESR和C值，为电容和电源的寿命预测提供依据。
附图说明
图1是CCM Flyback变换器开关周期中的工作波形。
图2是本发明CCMFlyback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，-耦合电感原边电流，-耦合电感副边电流，，iC-电容电流，iCx-并联电容电流，Io-输出电流，Vo-输出平均电压，Qb-开关管，Db-二极管，L-耦合电感，C-输出滤波电容值，ESR-等效串联电阻值，Cx-并联电容的电容值，ESRx-并联电容的等效串联电阻值，RL-负载，Vgs-开关管Qb的驱动电压，D-占空比，t-时间，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。
本发明设计一种准在线监测工作于电感电流连续模式(Continuous ConductionMode,CCM)的Flyback(Flyback)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 flyback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，耦合电感L原边两端的电压为Vin，其耦合电感原边电流以Vin/Lp的斜率线性上升。当开关管Qb关断时，耦合电感副边电流通过二极管Db续流，此时耦合电感L副边两端的电压为-Vo，耦合电感副边电流以Vo/Ls的斜率下降。由于Flyback变换器工作在CCM模式，因此在开关周期结束前，耦合电感电流未下降到零。耦合电感电流在一个开关关断时间内的平均值为
耦合电感原边电流和副边电流在一个周期中的表达式如下：
其中Vo为输出平均电压，Lp为耦合电感原边电感值，Ls为耦合电感副边电感值，fs为Flyback变换器的开关频率，D为开关管的占空比,t为时间。
可得，两电容的电流和iC+iCx的表达式为：
可以假设
a1＝0 (4)
b1＝-Io (5)
两电容的电压表达式分别为
由于两电容并联，则两电容电压相等
vC(t)＝vCx(t) (10)
当时，
由式(11)求导可得
分别对式(12)等号两边做Laplace变换可得
化简可得
对式(14)等号做Laplace逆变换可得
其中
根据采样得到的11个并联电容值可以做出拟合曲线，得到X1、X2、X3和iCx(0)。
把式(6)、(7)代入(16)、(17)、(18)可得：
式中，Ls为电感的感值，ESR为等效串联电阻的阻值，C为电容的容值，Vo为输出平均电压，ESRx为所并联电容的等效串联电阻的阻值，Cx为所并联电容的电容的容值，X1、X2、X3为拟合曲线的参数。
基于式(19)、(20)，可以得到CCM Flyback变换器输出滤波电容ESR和C的监测方法。
2、本发明CCMFlyback变换器输出电容的准在线监测装置及方法
结合图2，本发明CCM反激变换器输出电容的准在线监测装置，其特征在于，包括Flyback变换器主功率电路1、驱动电路3、显示单元11、参数已知的电容7、电流互感隔离放大单元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、输出电压采样单元6、电容电流触发采样单元9、电容ESR和C计算单元10；
所述Flyback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、耦合电感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，耦合电感L原边一端与开关管Qb的漏极连接，耦合电感L该端副边的异名端与续流二极管Db的阳极连接，耦合电感L原边另一端与电压源Vin的负极连接，续流二极管Db的阴极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的另一端均与耦合电感L副边的同名端连接，负载RL两端为输出平均电压Vo；
所述功率电路控制单元2的输入端分别与Flyback变换器主功率电路1的电压源Vin和输出平均电压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，Flyback变换器主功率电路1的输出平均电压Vo接入输出电压采样单元6，电流互感隔离放大单元8和功率电路控制单元2输出端的PWM信号均接入电容电流触发采样单元9，开关频率fs计算单元4、占空比D计算单元5、输出电压采样单元6和电容电流触发采样单元9的输出端均接入电容ESR和C计算单元10，电容ESR和C计算单元10的输出端接入显示单元11；
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的门极。所述信号处理模块为DSP芯片TMS320F28335。所述显示单元11为1602液晶显示屏。
本发明CCM反激变换器输出电容的准在线监测方法，包括以下步骤：
步骤1，在输出端并联上一个参数已知的电容7，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、输出电压采样单元6、电容电流触发采样单元9、电容ESR和C计算单元10；
步骤2，信号处理模块的功率电路控制单元2采集Flyback变换器主功率电路1的输出平均电压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，Flyback变换器主功率电路1的输出平均电压Vo送入输出电压采样单元6，得到输出平均电压Vo；
步骤5，功率电路控制单元2输出的PWM信号和电流互感隔离放大单元8的电容电流ix送入电容电流触发采样单元9，通过延时程序处理得到电容电流的瞬时值ixDTs、ix[1+9DTs/10]、ix[2+8DTs/10]、ix[3+7DTs/10]、ix[4+6DTs/10]、ix[5+5DTs/10]、ix[6+4DTs/10]、ix[7+3DTs/10]、ix[8+2DTs/10]、ix[9+DTs/10]、ixTs共11个值，Ts为变换器开关周期；
步骤6，将得到的开关频率fs、占空比D、输出平均电压Vo以及电容电流的瞬时值ixDTs、ix[1+9DTs/10]、ix[2+8DTs/10]、ix[3+7DTs/10]、ix[4+6DTs/10]、ix[5+5DTs/10]、ix[6+4DTs/10]、ix[7+3DTs/10]、ix[8+2DTs/10]、ix[9+DTs/10]、ixTs送入电容ESR和C计算单元10进行曲线拟合和综合处理，得到Flyback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；
所述ESR和C计算单元10曲线拟合方程应该如下：
求得X1、X2、X3和iCx(0)；iCx(0)为电容电流的初始瞬时值，t为时间；
接着按照步骤6中所述ESR和C计算单元10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，Ls为耦合电感副边感值，Vo为输出平均电压，ESRx为所并联电容的等效串联电阻的阻值，Cx为所并联电容的容值，X1、X2、X3为拟合曲线的参数。
步骤7，电容ESR和C计算单元10将所得的等效串联电阻ESR和电容C的值送入显示单元11实时显示。
本发明针对CCM Flyback变换器中的输出滤波电容，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的准在线监测装置及方法，该方法可以在不取下变换器中的电容情况下对输出电容的参数ESR和C进行监测，为电容和电源的寿命预测提供依据，无需额外参数，方便实现，具有重要的实际应用价值。

Claims (5)

1.一种CCM反激变换器输出电容的准在线监测装置，其特征在于，包括Flyback变换器主功率电路(1)、驱动电路(3)、显示单元(11)、参数已知的电容(7)、电流互感隔离放大单元(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)、输出电压采样单元(6)、电容电流触发采样单元(9)、电容ESR和C计算单元(10)；
所述Flyback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、耦合电感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，耦合电感L原边一端与开关管Qb的漏极连接，耦合电感L该端副边的异名端与续流二极管Db的阳极连接，耦合电感L原边另一端与电压源Vin的负极连接，续流二极管Db的阴极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的另一端均与耦合电感L副边的同名端连接，负载RL两端为输出平均电压Vo；
所述功率电路控制单元(2)的输入端分别与Flyback变换器主功率电路(1)的电压源Vin和输出平均电压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)，Flyback变换器主功率电路(1)的输出平均电压Vo接入输出电压采样单元(6)，电流互感隔离放大单元(8)和功率电路控制单元(2)输出端的PWM信号均接入电容电流触发采样单元(9)，开关频率fs计算单元(4)、占空比D计算单元(5)、输出电压采样单元(6)和电容电流触发采样单元(9)的输出端均接入电容ESR和C计算单元(10)，电容ESR和C计算单元(10)的输出端接入显示单元(11)；
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的门极。
2.根据权利要求1所述的CCM反激变换器输出电容的准在线监测装置，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反激变换器输出电容的准在线监测装置，其特征在于，所述显示单元(11)为1602液晶显示屏。
4.一种CCM反激变换器输出电容的准在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在输出端并联上一个参数已知的电容(7)，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)、输出电压采样单元(6)、电容电流触发采样单元(9)、电容ESR和C计算单元(10)；
步骤2，信号处理模块的功率电路控制单元(2)采集Flyback变换器主功率电路(1)的输出平均电压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，Flyback变换器主功率电路(1)的输出平均电压Vo送入输出电压采样单元(6)，得到输出平均电压；
步骤5，功率电路控制单元(2)输出的PWM信号和电流互感隔离放大单元(8)的电容电流ix送入电容电流触发采样单元(9)，通过延时程序处理得到电容电流的瞬时值ix(DTs)、ix[(1+9D)Ts/10]、ix[(2+8D)Ts/10]、ix[(3+7D)Ts/10]、ix[(4+6D)Ts/10]、ix[(5+5D)Ts/10]、ix[(6+4D)Ts/10]、ix[(7+3D)Ts/10]、ix[(8+2D)Ts/10]、ix[(9+D)Ts/10]、ix(Ts)共11个值，Ts为变换器开关周期；
步骤6，将得到的开关频率fs、占空比D、输出平均电压Vo以及电容电流的瞬时值ix(DTs)、ix[(1+9D)Ts/10]、ix[(2+8D)Ts/10]、ix[(3+7D)Ts/10]、ix[(4+6D)Ts/10]、ix[(5+5D)Ts/10]、ix[(6+4D)Ts/10]、ix[(7+3D)Ts/10]、ix[(8+2D)Ts/10]、ix[(9+D)Ts/10]、ix(Ts)送入电容ESR和C计算单元(10)进行曲线拟合和综合处理，得到Flyback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7，电容ESR和C计算单元(10)将所得的等效串联电阻ESR和电容C的值送入显示单元(11)实时显示。
5.根据权利要求4所述的CCM反激变换器输出电容的准在线监测方法，其特征在于，步骤6中所述ESR和C计算单元(10)曲线拟合方程应该如下：
求得X1、X2、X3和iCx(0)；iCx(0)为电容电流的初始瞬时值，t为时间；
接着按照步骤6中所述ESR和C计算单元(10)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，Ls为耦合电感副边感值，Vo为输出平均电压，ESRx为所并联电容的等效串联电阻的阻值，Cx为所并联电容的容值，X1、X2、X3为拟合曲线的参数。
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