CN109752598A - 一种开关电源输出电容的在线监测方法、装置和*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种开关电源输出电容的在线监测方法、装置和***,所述方法包括以下步骤:获取开关电源的输出电压的采样信号;根据所述采样信号,获取开关电源的输出电压交流分量在任一周期内的电压最小值和电压最大值;将所述电压最小值和电压最大值代入输出电容模型,得到输出电容的等效串联电阻和等效电容。本发明根据开关电源输出电压交流分量在任一周期内的电压最小值和电压最大值,通过输出电容模型来计算输出电容的等效串联电阻和等效电容,其仅需要对开关电源输出电压进行采样,其无需修改电流结构,有利于在线监测,降低了监测成本。本发明可以广泛应用于开关电源监测技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及开关电源监测技术领域,尤其是一种开关电源输出电容的在线监测方法、装置和***。
背景技术
开关电源由于具有输出平稳、功率密度大和响应速度快等优点,在工农业生产、交通运输、航空航天和国防等方面应用十分广泛,与此同时,对开关电源可靠性提出了更高要求。输出电容是开关电源中故障率最高、最为薄弱的环节。通常对开关电源输出电容的监测方法,主要分为两类:一类为离线式,通过获得电容电压和电流,得到等效串联电阻和等效电容;另一类为在线式,通常在线监测方法是在电路中***电感电流传感器,通过获得电容支路电压和电感支路电流算得输出电容的等效串联电阻和等效电容。但上述两种方法,均需修改电流结构,不利于实时在线监测。其监测装置复杂,增加了监测成本。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明的目的在于:提供一种可以降低监测成本的开关电源输出电容的在线监测方法、装置和***。
本发明所采取的第一种技术方案是:
一种开关电源输出电容的在线监测方法,包括以下步骤:
获取开关电源的输出电压的采样信号;
根据所述采样信号,获取开关电源的输出电压交流分量在任一周期内的电压最小值和电压最大值;
将所述电压最小值和电压最大值代入输出电容模型,得到输出电容的等效串联电阻和等效电容。
进一步,所述输出电容模型通过以下方法得到:
建立一个开关周期的电感电流的表达式;
将所述电感电流的表达式减去输出电流平均值,得到电容电流的表达式;
将所述电容电流的表达式乘以等效串联电阻,得到等效串联电阻上的电压表达式,由电容电流的表达式得到电容上的电压表达式;
由等效串联电阻和电容上的电压,得到输出电压平均值,并解出0时刻的电容电压的表达式;
由等效串联电阻和电容上的电压之和,得到输出电压瞬时值的表达式;
输出电压瞬时值的表达式减去输出电压直流平均值,得到输出电压交流分量表达式;
由输出电压交流分量表达式,得到0时刻和开关电源开关管由导通转为关短的时刻的输出电压交流分量值,从而得到关于等效串联电组值和等效电容的二元一次方程组;
求解所述二元一次方程组,得到输出电容的等效串联电阻的表达式和输出电容的等效电容的表达式。
本发明所采取的第二种技术方案是:
一种开关电源输出电容的在线监测装置,包括:
存储器,用于存储程序;
处理器,用于加载所述程序以执行所述的一种开关电源输出电容的在线监测方法。
本发明所采取的第三种技术方案是:
一种开关电源输出电容的在线监测***,包括:
监测电路,用于对开关电源的输出电压进行采样,输出采样信号;
处理模块,用于执行所述的一种开关电源输出电容的在线监测方法。
进一步,所述监测电路包括:
隔离电路,用于对开关电源的输出电压信号进行隔离采样,输出采样电压;
放大电路,用于将隔离电路输出的采样电压进行放大,得到放大信号;
模数转换电路,用于将所述放大信号从模拟信号转换为数字信号,并输出至处理模块。
进一步,所述隔离电路为变压器和第一电容组成的互感耦合串联谐振电路。
进一步,所述放大电路包括两级运算放大器。
进一步,还包括:
显示模块,用于显示所述输出电容的等效串联电阻和等效电容。
进一步,还包括:
通信模块,用于将所述输出电容的等效串联电阻和等效电容发送至指定的接收设备。
本发明的有益效果是:本发明根据开关电源输出电压交流分量在任一周期内的电压最小值和电压最大值,通过输出电容模型来计算输出电容的等效串联电阻和等效电容,其仅需要对开关电源输出电压进行采样,其无需修改电流结构,有利于在线监测,降低了监测成本。
附图说明
图1为传统的离线式开关电源输出电容监测方法的示意图;
图2为Buck开关电源的等效电路图;
图3为图2中电路工作于DCM模式时的电感电流、电容电流、等效串联电阻和等效电容上的电压及输出电压波形;
图4为本发明一种具体实施例中的输出电容模型的建模方法的流程图;
图5为本发明一种具体实施例中的开关电源输出电容的在线监测***的模块框图;
图6为本发明一种具体实施例中的监测电路的模块框图;
图7为本发明一种具体实施例中的监测电路的原理图;
图8为本发明一种具体实施例中的开关电源输出电容的在线监测方法的流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例对本发明进行进一步的说明。
图1示出了传统的离线式开关电源输出电容监测方法,其将电解电容与正弦交流电源串联,获取电容电压及电流,通过滤波、离散傅里叶变换(即FFT),分别得到电容电压及电流的幅值,然后计算等效串联电阻。传统的在线式开关电源输出电容监测方法为,在电路中***电感电流传感器,通过采集的电感电流和电容电压,利用最小二乘法(LMS)等算法,分析等效串联电阻和等效电容的变化。这两种方法均需要修改电源模块的电路结构,不利于无入侵地实时在线监测。
图2示出了Buck开关电源的等效电路图,其中,输出电容采用了串联等效模型,用等效串联电阻RESR和等效电容C串联表述输出电容。在Buck电源开关信号Ug的控制下,开关管S处于导通和截止两种状态,在这两种状态下电路具有不同的拓扑结构,从而形成两种电流回路,因此输出电压产生纹波,即输出电压的交流分量,该纹波与输出电容的等效串联电阻RESR和等效电容C有关。利用输出电压交流分量值,建立DCM Buck开关电源输出电容的等效串联电阻RESR和等效电容C模型,可以实现无侵入地实时在线监测输出电容。
图3给出了电路工作与DCM模式时的电感电流iL、电容电流ic、等效串联电阻RESR上的电压VESR和等效电容C上的电压Vc及输出电压Vo波形。
本实施例公开了一种DCM Buck开关电源的输出电容模型的建模方法,如图4所示。其具体包括以下步骤:
步骤S401、建立一个开关周期的电感电流的表达式。
从图2电路,分析可得电感电流在一个开关周期的表达式为:
式中:Uin为输入电压;Uo为输出电压平均值;L为电感值;TS为开关周期;D1为开关管占空比;0~D1TS时刻开关管导通,续流二极管关断;D1TS~(D1+D2)TS时刻开关管关断,续流二极管导通;(D1+D2)TS~TS时刻电感电流为0,进入断续状态。
S402、将所述电感电流的表达式减去输出电流平均值,得到电容电流的表达式。
输出电流平均值为:
电容电流为电感电流减去输出电流平均值,其表达式为:
S403、将所述电容电流的表达式乘以等效串联电阻,得到等效串联电阻上的电压表达式,由电容电流的表达式得到电容上的电压表达式。
等效串联电阻RESR上的电压uESR(t)的表达式为
等效电容C上的电压uc(t)与电流ic(t)的关系为:
式中:D=D1+D2;UC(0)、UC(D1TS)和UC(DTS)分别为零时刻、D1TS与DTS时刻等效电容C上的电压。其中:
S404、由等效串联电阻和电容上的电压,得到输出电压平均值,并解出0时刻的电容电压的表达式。
输出电压平均值Uo为:
显然,上式第二项为0,所以
由上式得:
S450、由等效串联电阻和电容上的电压之和,得到输出电压瞬时值的表达式。
输出电压瞬时值uO(t)为uc(t)与uESR(t)之和,所以
S406、输出电压瞬时值的表达式减去输出电压直流平均值,得到输出电压交流分量表达式,本式为分段函数。
S407、由输出电压交流分量表达式,得到0时刻和开关电源开关管由导通转为关短的时刻的输出电压交流分量值,从而得到关于等效串联电组值和等效电容的二元一次方程组。
0时刻和D1TS时刻,输出电压的交流分量分别为:
S408、解得RESR和C的计算公式为
对于DCM Buck开关电源,易知Uin、Uo和TS,又因为
在输出电压交流分量任一周期TS内,为该周期内的电压交流分量的最小值,为该周期内的电压交流分量的最大值,即:
因此,本实施例提出的DCM Buck输出电容监测模型,只需测量开关占空比D1、任一周期内输出电压交流分量最小值和最大值即可算得RESR和C。
优选的,为了提高计算精度,可以测量多个周期内的输出电压交流分量最小值 以及最大值计算其平均值:
其中,i表示的是第1至n个周期中的一个周期。用均值替代和计算方法如下:
上述DCM Buck开关电源输出电容监测模型,仅需对输出电压交流分量进行处理,便可获得等效串联电阻RESR和等效电容C,无需触发电路,降低了监测成本。
在MATLAB中搭建Buck仿真电路,改变负载阻值,使其工作在DCM模式。Buck电路输入电压为30V,输出电压为10V,电感为1mH,电容设置为220uF,168mΩ,表1为按照本发明监测和建模方法得到的仿真数据,仿真数据验证了所述模型的正确性,证明本发明提出的方法是一种可靠的DCM Buck开关电源输出电容在线监测和建模方法。
表1
参照图5,本实施例提供了一种开关电源输出电容的在线监测***,其包括监测电路和处理模块。
其中,监测电路的输入端连接待测DCM Buck开关电源模块输出电容的输出端,监测电路的输出端连接处理模块的输入端。
通过监测电路的输入端连接待测DCM Buck开关电源模块输出电容的输出端,输出端连接处理模块的输入端,在监测电路接收到输出电压信号后,对该信号隔离、滤波、放大和模数转换,生成放大后的输出电压交流分量的数字信号,送入处理模块,在处理模块中按照本发明建立的模型,计算出输出电容的等效串联电阻RESR和等效电容C。如图5所示的一种开关电源输出电容的在线监测***的具体工作过程为:
1、DCM Buck开关电源模块工作正常后,输出电压直流分量保持在稳定状态。
2、电源模块输出电压信号传入监测电路,监测电路完成隔离、滤波、放大和模数转换,生成数字信号。
3、监测电路生成的数字信号传入处理模块进行储存,找出任一周期的最小值M和最大值N,对应输出电压纹波信号和最大值其中A为监测电路的放大倍数。
4、处理模块利用和按照本发明提出的模型,计算出输出电容的等效串联电阻RESR和等效电容C。
本实施例的监测电路如图6所示。监测电路包括隔离电路、放大电路和模数转换电路。
隔离电路的输入端连接滤波电容的输出端,输出端连接放大电路。
具体的,通过隔离电路的输入端连接滤波电容的输出端,输出端连接放大电路,从而实现开关电源和放大电路、模数转换电路的隔离,减少输入信号的噪声,同时滤除开关电源输出电压信号中的直流分量。
放大电路的输入端连接隔离电路的输出端,输出端连接模数转换电路。
具体的,通过放大电路的输入端连接隔离电路的输出端,输出端连接模数转换电路,实现纹波的放大,提高测量精度。放大电路需要具备低输入失调电压、低输入偏置电流、低输入失调电流、低噪声和高增益带宽积等性能。放大电路为满足上述要求,一般采用两级放大结构,第一级放大器具有低输入失调电压、低输入偏置电流、低输入失调电流和低噪声性能;第二级放大器具有高增益带宽积。
模数转换电路的输入端接放大电路的输出端,输出端接处理模块。
具体的,通过模数转换电路的输入端接放大电路的输出端,输出端接处理模块,将放大后的纹波转化为数字信号,以供处理模块进行处理。模数转换模块,可以采用8bit的ADC芯片。优化的,可以采用12bit或16bit的ADC芯片,以获得更高的测量精度。
在一个具体的实施例中,如图7所示,为本发明监测电路的具体结构示意图,包括隔离电路、两级放大电路和模数转换电路。其中隔离电路由变压器和电容组成,输入接电源输出电容输出端,一方面通过变压器隔离较少了输入信号的噪声,另一方面变压器和电容构成互感耦合串联谐振回路,滤除直流分量,仅保留具有开关频率的纹波信号进入放大电路。放大电路中,第一运算放大器op1具有低输入失调电压、低输入偏置电流、低输入失调电流和低噪声性能,以避免在待测纹波信号中引入直流偏置和噪声干扰,第二运算放大器op2具有高增益带宽积,以在开关频率下保持高增益。放大后的信号经ADC模块采样转化为数字信号后,送入后面的处理模块。
参照图8,处理模块执行如下步骤:
S801、获取开关电源的输出电压的采样信号;即接收监测电路送来的数字信号,该信号是监测电路对电源输出电压隔离、放大和模数转换得到的。
S802、根据所述采样信号,获取开关电源的输出电压交流分量在任一周期内的电压最小值和电压最大值;从接收的数字信号中,检索出任一个周期的电压最小值和最大值。优选的,可以得到多个周期的最小值和最大值,然后求得平均值。
S803、将所述电压最小值和电压最大值代入输出电容模型,得到输出电容的等效串联电阻和等效电容。
对电压最小值和最大值进行处理,任一周期的最小值M和最大值N,对应输出电压纹波信号和最大值其中A为监测电路的放大倍数。对多个周期的最小值和最大值数据间的数据个数进行计数,分别为N1,N2,…,Nn,则
其中,f为ADC采样频率,TS为开关电源开关周期,i为1至n个周期中的一个周期,D1为开关占空比。
将D1和D2代入本发明建立的模型:
作为优选的实施例,可用平均值和代替上式的和便得到DCM Buck开关电源输出电容的等效电容C和等效串联电阻RESR。
作为优选的实施例,还包括显示模块和/或通信模块。
显示模块,用于显示所述输出电容的等效串联电阻和等效电容。所述显示模块为显示屏等,用于实时显示监测结果。
通信模块,用于将所述输出电容的等效串联电阻和等效电容发送至指定的接收设备。用于将监测结果发送给外部接收设备,例如服务器等。
综上所述,本发明通过从DCM Buck开关电源电路结构出发,分析电路各节点电压电流表达式,从而建立输出电容的等效电容C和等效串联电阻RESR,该模型仅需输入开关电源输出电压交流分量任一周期内的电压最小值和最大值,模型简便可靠。通过隔离电路输入端连接滤波电容的输出端,隔离直流分量和开关电源噪声,从而获得低噪声干扰的输出电压纹波;通过采用两级放大结构的放大电路输入端连接隔离电路的输出端,减小放大电路的自身偏置和噪声对待测信号的影响,提高测量精度,从而获得高增益放大的输出电压纹波;通过模数转换电路的输入端连接放大电路的输出端,输出端连接处理模块,从而得到放大的输出电压纹波的数字信号,在处理模块中利用模型得到输出电容的等效电容C和等效串联电阻RESR,大幅简化了DCM Buck开关电源输出电容的在线监测装置,节省了监测成本。
对于上述方法实施例中的步骤编号,其仅为了便于阐述说明而设置,对步骤之间的顺序不做任何限定,实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明,但本发明并不限于所述实施例,熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换,这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (9)
1.一种开关电源输出电容的在线监测方法,其特征在于:包括以下步骤:
获取开关电源的输出电压的采样信号;
根据所述采样信号,获取开关电源的输出电压交流分量在任一周期内的电压最小值和电压最大值;
将所述电压最小值和电压最大值代入输出电容模型,得到输出电容的等效串联电阻和等效电容。
2.根据权利要求1所述的一种开关电源输出电容的在线监测方法,其特征在于:所述输出电容模型通过以下方法得到:
建立一个开关周期的电感电流的表达式;
将所述电感电流的表达式减去输出电流平均值,得到电容电流的表达式;
将所述电容电流的表达式乘以等效串联电阻,得到等效串联电阻上的电压表达式,由电容电流的表达式得到电容上的电压表达式;
由等效串联电阻和电容上的电压,得到输出电压平均值,并解出0时刻的电容电压的表达式;
由等效串联电阻和电容上的电压之和,得到输出电压瞬时值的表达式;
输出电压瞬时值的表达式减去输出电压直流平均值,得到输出电压交流分量表达式;
由输出电压交流分量表达式,得到0时刻和开关电源开关管由导通转为关短的时刻的输出电压交流分量值,从而得到关于等效串联电组值和等效电容的二元一次方程组;
求解所述二元一次方程组,得到输出电容的等效串联电阻的表达式和输出电容的等效电容的表达式。
3.一种开关电源输出电容的在线监测装置,其特征在于:包括:
存储器,用于存储程序;
处理器,用于加载所述程序以执行如权利要求1或2所述的方法。
4.一种开关电源输出电容的在线监测***,其特征在于:包括:
监测电路,用于对开关电源的输出电压进行采样,输出采样信号;
处理模块,用于执行如权利要求1或2所述的方法。
5.根据权利要求4所述的一种开关电源输出电容的在线监测***,其特征在于:所述监测电路包括:
隔离电路,用于对开关电源的输出电压信号进行隔离采样,输出采样电压;
放大电路,用于将隔离电路输出的采样电压进行放大,得到放大信号;
模数转换电路,用于将所述放大信号从模拟信号转换为数字信号,并输出至处理模块。
6.根据权利要求5所述的一种开关电源输出电容的在线监测***,其特征在于:所述隔离电路为变压器和第一电容组成的互感耦合串联谐振电路。
7.根据权利要求5所述的一种开关电源输出电容的在线监测***,其特征在于:所述放大电路包括两级运算放大器。
8.根据权利要求4所述的一种开关电源输出电容的在线监测***,其特征在于:还包括:显示模块,用于显示所述输出电容的等效串联电阻和等效电容。
9.根据权利要求4所述的一种开关电源输出电容的在线监测***,其特征在于:还包括:通信模块,用于将所述输出电容的等效串联电阻和等效电容发送至指定的接收设备。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190514 |