CN110618391B - 降压dc/dc变换器esr和l的监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种降压DC/DC变换器ESR和L的监测装置及方法。监测装置包括Buck开环电路、电容投切电路、PWM整形电路、纹波隔离放大电路、信号处理模块和显示模块。方法包括:计算输出端并联电容前的开关频率、占空比和输出电压纹波;将并联电容并联在Buck变换器输出端,计算并联电容后的开关频率、占空比和输出电压纹波;送入信号处理模块进行综合处理,得到Buck变换器输出滤波电容等效串联电阻ESR和电感L的值,并实时显示。
Description
技术领域
本发明涉及一种电能变换中的监测技术,特别是一种降压DC/DC变换器ESR和L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。开关电源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 SeriesResistance,ESR)会发生变化,与初始电容值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(ContinuousConduction 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,预测其寿命非常重要。目前,针对电容监测技术的研究主要分为两大类:离线式监测和在线/准在线式监测。离线式监测通过把激励信号加在待测电容两端,测量产生的响应来计算电容参数,其具有简单可靠的优点,但该方法需要让设备停机,有时甚至需要拆下待测电容,因此,该方法实用性不高。和离线式监测相比,在线/准在线式监测可以在电路正常工作的情况下,通过增加传感器测量电容工作时的电压、电流等信息,进而计算电容参数,这类方法能够准确、实时地监测电容工作状态,但其成本过高,增加的传感器还会破坏电路原有结构,影响电路性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种降压DC/DC变换器ESR和L的监测装置及方法。
实现本发明目的的第一种技术方案为:一种降压DC/DC变换器ESR和L的监测装置,包括Buck开环电路、电容投切电路、PWM整形电路、纹波隔离放大电路、信号处理模块和显示单元;电容投切电路的输入端与Buck开环电路的输出端连接,电容投切电路的输出端与纹波隔离放大电路的输入端连接,纹波隔离放大电路的输出端与信号处理模块的一个输入端连接,信号处理模块的另一个输入端与PWM整形电路的输出端连接,PWM整形电路的输入端与Buck开环电路中的控制单元连接,信号处理模块的一个输出端与电容投切电路中的开关三极管Q2的基极连接且另一个输出端与显示模块的输入端连接。
采用上述监测装置,所述Buck开环电路包括输入电压源Vin、开关管Q1、电感L、控制单元G、第一二极管D1、输出电容Co、输出电容等效串联电阻ESR和负载电阻RL;输入电压源Vin的正极与第一开关管Q1的漏极连接,第一开关管Q1的栅极与控制单元G和PWM整形电路的输入端连接,第一开关管Q1的源极同时与第一二极管D1的负极和电感L的一端连接,第一二极管D1的正极为参考电位零点GND,电感L的另一端同时与输出电容等效串联电阻ESR的一端和负载电阻RL的一端连接,输出电容等效串联电阻ESR的另一端与输出电容Co的一端连接,输出电容Co的另一端为参考电位零点GND,负载电阻RL的另一端为参考电位零点GND。
采用上述监测装置,所述电容投切电路包括继电器驱动电源Vb、继电器K、开关三极管Q2、并联电容Cp和并联电容等效串联电阻ESRp;继电器驱动电源Vb的正极与继电器K线圈的一端连接,继电器驱动电源Vb的负极为参考电位零点GND,继电器K线圈的另一端与开关三极管Q2的发射极连接,开关三极管Q2的基极与信号处理模块的一个输出端连接,开关三极管Q2的集电极为参考电位零点GND,继电器K触点的一端与Buck开环电路的输出端和纹波隔离放大电路的输入端连接,继电器K触点的另一端与并联电容等效串联电阻ESRp的一端连接,并联电容等效串联电阻ESRp的另一端与并联电容Cp的一端连接,并联电容Cp的另一端为参考电位零点GND。
采用上述监测装置,所述PWM整形电路包括第二电容C2、第一变压器T1、第三电容C3、第二二极管D2和第一运算放大器amp1;第二电容C2的一端与Buck开环电路中的控制单元G和开关管Q1的栅极连接,第二电容C2的另一端与第一变压器T1原边的一端连接,第一变压器T1原边的另一端为参考电位零点GND,第一变压器T1副边的一端与第三电容C3的一端连接,第一变压器T1副边的另一端为模拟电位零点AGND,第三电容C3的另一端同时与第二二极管D2的负极和第一运算放大器amp1的同相输入端连接,第二二极管D2的正极为模拟电位零点AGND,第一运算放大器amp1的反相输入端和第一运算放大器amp1的输出端同时与信号处理模块的一个输入端连接。
采用上述监测装置,所述纹波隔离放大电路包括第四电容C4、第二变压器T2、第五电容C5、第一电阻R1、第二电阻R2、偏执电源Voffset、第六电容C6、第二运算放大器amp2和第三电阻R3;第四电容C4的一端与电容投切电路的输出端连接,第四电容C4的另一端与第二变压器T2原边的一端连接,第二变压器T2原边的另一端为模拟电位零点AGND,第二变压器T2副边的一端与第五电容C5的一端连接,第二变压器T2副边的另一端为参考电位零点AGND,第五电容C5的另一端同时与第一电阻R1的一端和第二运算放大器amp2的同相输入端连接,第一电阻R1的另一端与偏置电源Voffset的正极连接,偏置电源Voffset的负极为参考电位零点AGND,第二电阻R2的一端同时与第二运算放大器amp2的反向输入端和第三电阻R3的一端连接,第二电阻R2的另一端与第六电容C6的一端连接,第六电容C6的另一端为参考点位零点AGND,第三电阻R3的另一端和第二运算放大器amp2的输出端同时与信号处理模块的一个输入端连接。
采用上述监测装置,所述信号处理模块为DSP芯片TMS320F28335。
采用上述监测装置,所述显示单元为1602液晶显示屏。
实现本发明目的的第二种技术方案为:一种降压DC/DC变换器ESR和L的监测方法,包括以下步骤:
步骤1,PWM整形电路输出的信号送入信号处理模块中的脉冲捕捉单元,处理得出变换器当前的开关频率fs及占空比D,并将得到的开关频率fs及占空比D送入计算单元,处理得到纹波电压采样时刻tz;
步骤2,PWM整形电路输出的信号送入信号处理模块中的脉冲捕捉单元,在信号波的上升沿启动信号处理模块内部的定时器单元,定时tz秒后启动信号处理模块中的模数转换单元;
步骤3,纹波隔离放大电路的输出信号送入信号处理模块中的模数转换单元,处理得到tz时刻的电压纹波vo(tz);
步骤4,信号处理模块产生的驱动信号送入电容投切电路中的开关三极管Q2的基极,使得开关三极管Q2导通,继电器K线圈通电,继电器K触点闭合,并联电容Cp和并联电容等效串联电阻ESRp并联在Buck变换器输出端;
步骤5,PWM整形电路输出的信号送入信号处理模块中的脉冲捕捉单元,处理得出输出端并联电容后变换器的开关频率fsp及占空比Dp,并将计算得到的开关频率fsp及占空比Dp送入计算单元,处理得到纹波电压采样时刻tzp;
步骤6,PWM整形电路输出的信号送入信号处理模块中的脉冲捕捉单元,在信号波的上升沿启动信号处理模块内部的定时器单元,定时tzp秒后启动信号处理模块中的模数转换单元;
步骤7,纹波隔离放大电路的输出信号送入信号处理模块中的模数转换单元,处理得到tzp时刻的电压纹波vop(tzp);
步骤8,将得到的开关频率fs、占空比D、输出电压纹波vo(tz)以及输出端并联电容后的开关频率fsp、占空比Dp、输出电压纹波vo(tzp)送入信号处理模块中的计算单元进行综合处理,得到Buck变换器输出滤波电容等效串联电阻ESR和电感L的值;
步骤9,将所得的Buck变换器输出电容等效串联电阻ESR和电感L的值送入显示单元实时显示。
采用上述方法,步骤8中所述ESR和L的计算公式如下:
式中,ESR为输出电容等效串联电阻的阻值,L为电感值,ESRp为并联电容等效串联电阻的阻值,fs为变换器开关频率,fsp为变换器输出端并联电容后的开关频率,Vo为输出电压平均值,Vop为变换器输出端并联电容后的输出电压平均值,D为变换器的占空比,Dp为变换器输出端并联电容后的占空比,为变换器tz时刻对应的输出电压纹波值,为变换器输出端并联电容后tzp时刻对应的输出电压纹波值。
本发明与现有技术相比,其显著优点在于:(1)能够在主电路不停机的情况下对电容的参数ESR和电感L进行监测;(2)无需电流传感器,方法简单容易实现,为电容和电源的寿命预测提供了依据。
下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。
附图说明
图1是本发明CCM模式Buck DC/DC变换器ESR和电感L的监测装置的结构示意图。
图2是本发明实施例中一个开关周期内CCM降压变换器中开关管驱动信号vgs、电感电流iL、电容电流ic、C上电压Vc、ESR上电压vESR以及输出电压瞬时值vo的波形图。
图3是本发明中PWM整形电路的结构示意图。
图4是本发明中纹波隔离放大电路的结构示意图。
具体实施方式
结合图2,电感电流iL在一个开关周期内的平均值等于输出负载电流Io。假定开关频率下电解电容的阻抗远小于负载电阻,电感电流的交流分量全部流过输出电容,而负载上仅留有直流电流Io。根据导通和关断期间电感电流斜率等参量得到电感电流iL的表达式如下:
输出电容电流即为电感电流的纹波分量,根据Buck变换器导通和关断期间的状态方程,可得电容电流的表达式为:
根据电解电容的串联等效电路模型,电容电流iC(t)在ESR和C上的电压响应分别为vESR(t)和vC(t)。其表达式分别为:
其中VC(0)为零时刻对应的电容电压值,VC(DTs)为开关管关断瞬间电容C上的电压,且VC(0)=VC(DTs)=VC(Ts)。根据电容的安秒平衡法则,等效串联电阻上的直流电压分量为0,即vESR(t)在开关周期内的平均值等于零。因此,将式(3.4)在变换器的一个开关周期Ts内求取平均值,即为输出电压平均值Vo,如下式所示:
由式(3.5)可得电容C上初始时刻的电压值为:
因此ESR和C上的纹波电压分别为:
为了求解ESR,在变换器输出端并联一个参数已知的电容Cp,将变换器原先的输出滤波电容与并联的电容看做一个整体,则等效后的电容阻抗为:
忽略不含w的项,则ESReq的表达式可以简化为:
基于前述分析,可得并联电容后变换器输出电压纹波在tzp时刻的表达式:
结合式(10)和(13),可以得到:
式中,ESR为输出电容等效串联电阻的阻值,L为电感值,ESRp为并联电容等效串联电阻的阻值,fs为变换器开关频率,fsp为变换器并联电容后的开关频率,Vo为输出电压平均值,Vop为变换器并联电容后的输出电压平均值,D为变换器的占空比,Dp为变换器并联电容后的占空比,vo(tz)为tz时刻对应的瞬时输出电压,vop(tzp)为并联电容后tzp时刻对应的瞬时输出电压。
结合图3,设定Buck变换器PWM信号的幅值为VS1,电容C2用于去除PWM信号中的直流分量,其电压VC2=DVS1。第一变压器T1使PWM整形与主功率电路之间实现电气隔离,其原副边匝比为n,则隔离变压器A和B点电压vA、vB为PWM信号的交流分量。因第三电容C3和第二二极管D2的作用,C点电压波形与PWM信号一致,其幅值为VS1/n。vC经电压跟随器后得到vPWM_s,信号处理模块5中的脉冲捕捉单元捕捉捕捉此信号的上升沿和下降沿时刻,就可以计算得到开关频率fs和占空比D,同时此信号的上升沿也作为开关周期零时刻的触发信号,用以触发信号处理模块5中的定时器单元,定时器单元定时tz秒后触发信号处理模块5中的模数转换单元,接收纹波隔离放大电路4输出的信号。
结合图1、图4,Buck变换器的输出电压瞬时值为vo,利用第四电容C4隔断直流,提取出输出电压的交流纹波分量。采用1:1的第二变压器T2隔离纹波隔离放大电路和主功率电路,则其副边电压为Buck变换器输出电压的交流纹波,即第五电容C5用于隔离偏置电源Voffset提供的直流电压,再经第二运算放大器amp2放大后,可以得到偏置放大后的电压为
结合图1,本发明一种CCM模式Buck DC/DC变换器ESR和电感L的监测装置,包括Buck开环电路1、电容投切电路2、PWM整形电路3、纹波隔离放大电路4、信号处理模块5和显示单元6,其中:
所述电容投切电路2的输入端与Buck开环电路1的输出端连接,电容投切电路2的输出端与纹波隔离放大电路4的输入端连接;所述纹波隔离放大电路4的输出端与信号处理模块5的一个输入端连接,信号处理模块5的另一个输入端与PWM整形电路3的输出端连接,PWM整形电路3的输入端与Buck开环电路1中的控制单元连接;信号处理模块5的一个输出端与电容投切电路2中的开关三极管Q2的基极连接,另一个输出端与显示模块6的输入端连接。
进一步地,所述Buck开环电路1包括输入电压源Vin、电感L、开关管Q1、控制单元G、第一二极管D1、输出电容Co、输出电容等效串联电阻ESR和负载电阻RL,其中:
所述输入电压源Vin的正极与第一开关管Q1的漏极连接,第一开关管Q1的栅极与控制单元G和PWM整形电路3的输入端连接,第一开关管Q1的源极同时与第一二极管D1的负极和电感L的一端连接,第一二极管D1的正极为参考电位零点GND,电感L的另一端同时与输出电容等效串联电阻ESR的一端和负载电阻RL的一端连接,输出电容等效串联电阻ESR的另一端与输出电容Co的一端连接,输出电容Co的另一端为参考电位零点GND;负载电阻RL的另一端为参考电位零点GND。
进一步地,所述电容投切电路2包括继电器驱动电源Vb、继电器K、开关三极管Q2、并联电容Cp和并联电容等效串联电阻ESRp,其中:
所述继电器驱动电源Vb的正极与继电器K线圈的一端连接,继电器驱动电源Vb的负极为参考电位零点GND;继电器K线圈的另一端与开关三极管Q2的发射极连接,开关三极管Q2的基极与信号处理模块5的一个输出端连接,开关三极管Q2的集电极为参考电位零点GND;继电器K触点的一端与Buck开环电路1的输出端和纹波隔离放大电路4的输入端连接,继电器K触点的另一端与并联电容等效串联电阻ESRp的一端连接,并联电容等效串联电阻ESRp的另一端与并联电容Cp的一端连接,并联电容Cp的另一端为参考电位零点GND。
进一步地,所述PWM整形电路3包括第二电容C2、第一变压器T1、第三电容C3、第二二极管D2和第一运算放大器amp1,其中:
所述第二电容C2的一端与Buck开环电路1中的控制单元G和开关管Q1的栅极连接,第二电容C2的另一端与第一变压器T1原边的一端连接,第一变压器T1原边的另一端为参考电位零点GND;第一变压器T1副边的一端与第三电容C3的一端连接,第一变压器T1副边的另一端为模拟电位零点AGND;第三电容C3的另一端同时与第二二极管D2的负极和第一运算放大器amp1的同相输入端连接,第二二极管D2的正极为模拟电位零点AGND,第一运算放大器amp1的反相输入端和第一运算放大器amp1的输出端同时与信号处理模块5的一个输入端连接。
进一步地,所述纹波隔离放大电路4包括第四电容C4、第二变压器T2、第五电容C5、第一电阻R1、第二电阻R2、偏执电源Voffset、第六电容C6、第二运算放大器amp2和第三电阻R3,其中:
所述第四电容C4的一端与电容投切电路2的输出端连接,第四电容C4的另一端与第二变压器T2原边的一端连接,第二变压器T2原边的另一端为模拟电位零点AGND;第二变压器T2副边的一端与第五电容C5的一端连接,第二变压器T2副边的另一端为参考电位零点AGND,第五电容C5的另一端同时与第一电阻R1的一端和第二运算放大器amp2的同相输入端连接,第一电阻R1的另一端与偏置电源Voffset的正极连接,偏置电源Voffset的负极为参考电位零点AGND;第二电阻R2的一端同时与第二运算放大器amp2的反向输入端和第三电阻R3的一端连接,第二电阻R2的另一端与第六电容C6的一端连接,第六电容C6的另一端为参考点位零点AGND;第三电阻R3的另一端和第二运算放大器amp2的输出端同时与信号处理模块5的一个输入端连接。
进一步地,所述信号处理模块5为DSP芯片TMS320F28335。
进一步地,所述显示单元6为1602液晶显示屏。
一种CCM模式Buck DC/DC变换器ESR和电感L的监测方法,包括以下步骤:
步骤1,PWM整形电路3输出的信号送入信号处理模块5中的脉冲捕捉单元,处理得出变换器当前的开关频率fs及占空比D,并将计算得到的开关频率fs及占空比D送入计算单元,处理得到纹波电压采样时刻tz;
步骤2,PWM整形电路3输出的信号送入信号处理模块5中的脉冲捕捉单元,在信号波的上升沿启动信号处理模块5内部的定时器单元,定时tz秒后启动信号处理模块5中的模数转换单元;
步骤3,纹波隔离放大电路4的输出信号送入信号处理模块5中的模数转换单元,处理得到tz时刻的电压纹波vo(tz);
步骤4,信号处理模块5产生的驱动信号送入电容投切电路2中的开关三极管Q2的基极,使得开关三极管Q2导通,继电器K线圈通电,继电器K触点闭合,并联电容Cp和并联电容等效串联电阻ESRp并联在Buck变换器输出端;
步骤5,PWM整形电路3输出的信号送入信号处理模块5中的脉冲捕捉单元,处理得出输出端并联电容后变换器的开关频率fsp及占空比Dp,并将计算得到的开关频率fsp及占空比Dp送入计算单元,处理得到纹波电压采样时刻tzp;
步骤6,PWM整形电路3输出的信号送入信号处理模块5中的脉冲捕捉单元,在信号波的上升沿启动信号处理模块5内部的定时器单元,定时tzp秒后启动信号处理模块5中的模数转换单元;
步骤7,纹波隔离放大电路4的输出信号送入信号处理模块5中的模数转换单元,处理得到tzp时刻的电压纹波vop(tzp);
步骤8,将得到的开关频率fs、占空比D、输出电压纹波vo(tz)以及输出端并联电容后的开关频率fsp、占空比Dp、输出电压纹波vo(tzp)送入信号处理模块5中的计算单元进行综合处理,得到Buck变换器输出滤波电容等效串联电阻ESR和电感L的值;
步骤9,将所得的Buck变换器输出电容等效串联电阻ESR和电感L的值送入显示单元6实时显示。
进一步地,步骤8中所述ESR和L的计算公式如下:
式中,ESR为输出电容等效串联电阻的阻值,L为电感值,ESRp为并联电容等效串联电阻的阻值,fs为变换器开关频率,fsp为变换器输出端并联电容后的开关频率,Vo为输出电压平均值,Vop为变换器输出端并联电容后的输出电压平均值,D为变换器的占空比,Dp为变换器输出端并联电容后的占空比,为变换器tz时刻对应的输出电压纹波值,为变换器输出端并联电容后tzp时刻对应的输出电压纹波值。
本发明能够实时监测CCM模式Buck DC/DC变换器的输出电容等效串联电阻ESR和电感的感值L的变化,从而对电解电容和电源的寿命进行准确预测。
Claims (8)
1.一种降压DC/DC变换器ESR和L的监测装置,其特征在于,包括Buck开环电路(1)、电容投切电路(2)、PWM整形电路(3)、纹波隔离放大电路(4)、信号处理模块(5)和显示单元(6);其中
电容投切电路(2)的输入端与Buck开环电路(1)的输出端连接,
电容投切电路(2)的输出端与纹波隔离放大电路(4)的输入端连接,
纹波隔离放大电路(4)的输出端与信号处理模块(5)的一个输入端连接,
信号处理模块(5)的另一个输入端与PWM整形电路(3)的输出端连接,
PWM整形电路(3)的输入端与Buck开环电路(1)中的控制单元连接,
继电器K触点的一端与Buck开环电路(1)的输出端和纹波隔离放大电路(4)的输入端连接,
电感L的另一端同时与输出电容等效串联电阻ESR的一端和负载电阻R L 的一端连接,
第一运算放大器amp1的反相输入端和第一运算放大器amp1的输出端同时与信号处理模块(5)的一个输入端连接。
5.根据权利要求1所述的监测装置,其特征在于,所述信号处理模块(5)为DSP芯片TMS320F28335。
6.根据权利要求1所述的监测装置,其特征在于,所述显示单元(6)为1602液晶显示屏。
7.一种降压DC/DC变换器ESR和L的监测方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,PWM整形电路(3)输出的信号送入信号处理模块(5)中的脉冲捕捉单元,处理得出变换器当前的开关频率f s 及占空比D,并将得到的开关频率及占空比D送入计算单元,处理得到输出电容对应的输出电压纹波值为0时的采样时刻;
步骤4,信号处理模块(5)产生的驱动信号送入Buck开环电路(1)中的开关三极管的基极,使得开关三极管导通,继电器K线圈通电,继电器K触点闭合,并联电容和并联电容等效串联电阻并联在Buck变换器输出端;
步骤8,将得到的开关频率、占空比D、输出电压纹波以及输出端并联电容后的开关频率、占空比、输出电压纹波 送入信号处理模块(5)中的计算单元进行综合处理,得到Buck变换器输出滤波电容等效串联电阻ESR和电感L的值;
步骤9,将所得的Buck变换器输出电容等效串联电阻ESR和电感L的值送入显示单元(6)实时显示。
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