CN109307802B - Dcm反激变换器输出电容esr和c的监测装置及方法 - Google Patents

Dcm反激变换器输出电容esr和c的监测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种DCM反激变换器输出电容ESR和C的监测装置及方法。该装置包括Flyback变换器主功率电路、驱动电路、显示单元、并联输出滤波电容、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单元、开关频率计算单元、占空比计算单元、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；该方法为：通过检测开关管的PWM驱动脉冲信号，经开关频率计算单元得到变换器的开关频率，经占空比计算单元得到占空比，输出电压采样单元检测输出平均电压，并采样得到并联电容电流的瞬时值，将上述数据送入电容ESR和C计算单元，计算出输出滤波电容当前ESR和C的值。本发明为电容和电源的寿命预测提供了依据，减小了参数监测的难度。

Description

DCM反激变换器输出电容ESR和C的监测装置及方法
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DCM反激变换器输出电容ESR和C的监测装置及方法。
背景技术
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，当该变化量较大时，则该电容失效，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)，隔离式升降压(Flyback)变换器是四种最基本的开关电源变换器，其他的变换器均可以由这四种变换器衍变而来。其中，DCM(Discontinuous Current Mode，电流断续模式)Flyback变换器在中小功率领域广泛使用，因此监测Flyback变换器的输出滤波电容的ESR和C，预测其寿命非常重要，但是现有监测方法不能实时监测等效串联电阻ESR和电容的容值C的变化，因此无法对电解电容和电源的寿命进行准确预测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种DCM反激变换器输出电容ESR和C的监测装置及方法，从而实时监测等效串联电阻ESR和电容的容值C的变化，并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DCM反激变换器输出电容ESR和C的监测装置，包括Flyback变换器主功率电路、驱动电路、显示单元、参数已知的并联输出滤波电容、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Dy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Q、变压器T、续流二极管D、变压器滤波电容和负载RL；所述并联输出滤波电容包括等效串联电阻ESR和电容C，其中开关管Q的源极与电压源Vin的正极连接，漏极与变压器T的初级线圈带星端连接，续流二极管D的阳极与变压器的次级线圈非星端连接，续流二极管D的阴极与等效串联电阻ESR、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、负载RL的另一端均与次级线圈带星端连接，负载RL两端为输出平均电压为Vo；
所述信号处理模块中的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Dy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Dy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Q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(11)为12864液晶显示屏。
一种DCM反激变换器输出电容ESR和C的监测方法，包括以下步骤：
步骤1，在输出端并联上一个参数已知的并联输出滤波电容，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Dy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Q；
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Dy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Dy计算单元处理得出变换器当前的占空比Dy；
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，得到输出电压的平均值；
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(DyTs)、ix[(1+DyTs)/10]、ix[(1+DyTs)/5]、ix[3(1+DyTs)/10]、ix[2(1+DyTs)/5]、ix[(1+DyTs)/2]、ix[3(1+DyTs)/5]、ix[7(1+DyTs)/10]、ix[4(1+DyTs)/5]、ix[9(1+DyTs)/10]、ix(Ts)共11个值；
步骤6，将得到的开关频率fs、占空比Dy、输出电压的平均值Vo以及电容电流的瞬时值ix(DyTs)、ix[(1+DyTs)/10]、ix[(1+DyTs)/5]、ix[3(1+DyTs)/10]、ix[2(1+DyTs)/5]、ix[(1+DyTs)/2]、ix[3(1+DyTs)/5]、ix[7(1+DyTs)/10]、ix[4(1+DyTs)/5]、ix[9(1+DyTs)/10]、ix(Ts)送入电容ESR和C计算单元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如下：
Figure GDA0002580588490000031
求得X1、X2、X3和iCx(0)；
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：
Figure GDA0002580588490000032
Figure GDA0002580588490000033
式中，Ls为变压器次级线圈的感值，ESR为等效串联电阻的阻值，C为电容的容值，fs为变换器开关频率，Vo为输出平均电压，D为变换器的占空比，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。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(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)外接并联电容，减小了参数监测的难度。
附图说明
图1是本发明中DCM Flyback变换器开关周期中的工作波形图。
图2是本发明DCM Flyback变换器输出电容ESR和C的监测方法示意图。
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。
本发明是一种工作于电感电流断续模式(Discontinuous Conduction Mode,DCM)的Flyback变换器输出滤波电容ESR和C的监测装置及方法。
文中字符解释：Vin-输入电压，Iin-输入电流，iL-电感电流，iC-电容电流，iCx-并联电容电流，Io-输出电流，Vo-输出平均电压，Q-开关管，D-二极管，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Q的驱动电压，Dy-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。
1、理论推导：
图1为DCM Flyback变换器开关周期中的工作波形。当开关管Q导通时，二极管D截止，变压器初级电感Lp两端的电压为Vin，其电感电流iL以Vin/Lp的斜率线性上升。当二极管D关断时，电感电流iL通过二极管D续流，此时电感Lp两端的电压为Vin-Vo，电感电流iL以(Vin-Vo)/L的斜率下降，在推导中折算到次级进行计算。由于Flyback变换器工作在DCM模式，因此在开关周期结束前，电感电流iL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。
电容电流iC的表达式为：
Figure GDA0002580588490000041
其中Vin为输入电压，Vo为输出平均电压，Ls为次级绕组电感值，fs为Flyback变换器的开关频率，Dy为开关管的占空比，Ts为Flyback变换器的开关周期，t为时间，Io为电感电流在一个开关周期内的平均值。
设定：
Figure GDA0002580588490000042
Figure GDA0002580588490000043
可得，两电容的电流和iC+iCx的表达式为：
Figure GDA0002580588490000051
两电容的电压表达式分别为
Figure GDA0002580588490000052
Figure GDA0002580588490000053
由于两电容并联，则两电容电压相等
vC(t)＝vCx(t) (7)
当
Figure GDA0002580588490000054
时，
Figure GDA0002580588490000055
由式(8)求导可得
Figure GDA0002580588490000056
分别对式(9)等号两边做Laplace变换可得
Figure GDA0002580588490000057
化简可得
Figure GDA0002580588490000058
对式(11)等号做Laplace逆变换可得
Figure GDA0002580588490000059
其中
Figure GDA0002580588490000061
Figure GDA0002580588490000062
Figure GDA0002580588490000063
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(2)、(3)代入(13)、(14)、(15)可得：
Figure GDA0002580588490000064
Figure GDA0002580588490000065
式中，Ls为变压器次级线圈的感值，ESR为等效串联电阻的阻值，C为电容的容值，fs为变换器开关频率，Vo为输出平均电压，Dy为变换器的占空比，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(16)、(17)，可以得到DCM Flyback变换器输出滤波电容ESR和C的监测方法。
2、本发明DCM Flyback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DCM反激变换器输出电容ESR和C的监测装置，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、参数已知的并联输出滤波电容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Dy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Q、变压器T、续流二极管D、变压器滤波电容和负载RL；所述并联输出滤波电容7包括等效串联电阻ESR和电容C，其中开关管Q的源极与电压源Vin的正极连接，漏极与变压器T的初级线圈带星端连接，续流二极管D的阳极与变压器的次级线圈非星端连接，续流二极管D的阴极与等效串联电阻ESR、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、负载RL的另一端均与次级线圈带星端连接，负载RL两端为输出平均电压为Vo；
所述信号处理模块中的功率电路控制单元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Dy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Dy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Q的门极。所述信号处理模块为DSP芯片TMS320F28335。所述显示单元11为12864液晶显示屏。
基于本发明DCM反激变换器输出电容ESR和C的监测装置的监测方法，包括以下步骤：
步骤1，在输出端并联上一个参数已知的并联输出滤波电容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Dy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Q；
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Dy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Dy计算单元5处理得出变换器当前的占空比Dy；
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，得到输出电压的平均值；
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ixDyTs、ix[(1+DyTs)/10]、ix[(1+DyTs)/5]、ix[3(1+DyTs)/10]、ix[2(1+DyTs)/5]、ix[(1+DyTs)/2]、ix[3(1+DyTs)/5]、ix[7(1+DyTs)/10]、ix[4(1+DyTs)/5]、ix[9(1+DyTs)/10]、ixTs共11个值；
步骤6，将得到的开关频率fs、占空比Dy、输出电压的平均值Vo以及电容电流的瞬时值ixDyTs、ix[(1+DyTs)/10]、ix[(1+DyTs)/5]、ix[3(1+DyTs)/10]、ix[2(1+DyTs)/5]、ix[(1+DyTs)/2]、ix[3(1+DyTs)/5]、ix[7(1+DyTs)/10]、ix[4(1+DyTs)/5]、ix[9(1+DyTs)/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；
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。
步骤6中所述ESR和C计算单元10曲线拟合方程如下：
Figure GDA0002580588490000081
求得X1、X2、X3和iCx(0)；
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：
Figure GDA0002580588490000082
Figure GDA0002580588490000083
式中，Ls为变压器次级线圈的感值，ESR为等效串联电阻的阻值，C为电容的容值，fs为变换器开关频率，Vo为输出平均电压，Dy为变换器的占空比，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。
本发明针对DCM Flyback变换器的电感和输出滤波电容，设计出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，无需额外参数，方便实现，具有重要的实际应用价值。

Claims (1)

1.一种DCM反激变换器输出电容ESR和C的监测方法，其特征在于，基于的监测装置，包括Flyback变换器主功率电路(1)、驱动电路(3)、显示单元(11)、参数已知的并联输出滤波电容(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Dy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Q、变压器T、续流二极管D、变压器滤波电容和负载RL；所述并联输出滤波电容(7)包括等效串联电阻ESRx和电容Cx，其中开关管Q的源极与电压源Vin的正极连接，漏极与变压器T的初级线圈带星端连接，续流二极管D的阳极与变压器的次级线圈非星端连接，续流二极管D的阴极与等效串联电阻ESRx、负载RL的一端连接，等效串联电阻ESRx的另一端与电容Cx的一端连接，电容Cx的另一端、负载RL的另一端均与次级线圈带星端连接，负载RL两端为输出平均电压为Vo；
所述信号处理模块中的功率电路控制单元(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Dy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Dy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Q的门极；
包括以下步骤：
步骤1，在Flyback变换器主功率电路(1)的输出端并联上一个参数已知的并联输出滤波电容(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Dy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Q；
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Dy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Dy计算单元(5)处理得出变换器当前的占空比Dy；
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)，得到输出电压的平均值；
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(DyTs)、ix[(1+DyTs)/10]、ix[(1+DyTs)/5]、ix[3(1+DyTs)/10]、ix[2(1+DyTs)/5]、ix[(1+DyTs)/2]、ix[3(1+DyTs)/5]、ix[7(1+DyTs)/10]、ix[4(1+DyTs)/5]、ix[9(1+DyTs)/10]、ix(Ts)共11个值；Ts为Flyback变换器的开关周期；Dy为变换器的占空比；
步骤6，将得到的开关频率fs、占空比Dy、输出电压的平均值Vo以及电容电流的瞬时值ix(DyTs)、ix[(1+DyTs)/10]、ix[(1+DyTs)/5]、ix[3(1+DyTs)/10]、ix[2(1+DyTs)/5]、ix[(1+DyTs)/2]、ix[3(1+DyTs)/5]、ix[7(1+DyTs)/10]、ix[4(1+DyTs)/5]、ix[9(1+DyTs)/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；
步骤6中所述ESR和C计算单元(10)曲线拟合方程如下：
Figure FDA0002611666620000021
求得X1、X2、X3和iCx(0)；
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：
Figure FDA0002611666620000022
Figure FDA0002611666620000023
式中，Ls为变压器次级线圈的感值，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为并联输出滤波电容(7)中等效串联电阻的阻值，Cx为并联输出滤波电容(7)中电容的容值，X1、X2、X3为拟合曲线的参数。
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