CN112710963A - 基于脉冲响应的开关电源故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于脉冲响应的开关电源故障检测方法，有益效果如下：1、仅需检测开关电源输出脉冲响应的振荡频率或振荡周期，便可以求解出输出电容的容值，计算过程中所利用到的参数少。2、本发明在开关电源输出端进行检测，无需对电源内部结构进行拆卸，是一种非侵入式的开关电源故障检测方法，且能在开关电源正常工作时实现对输出滤波电容的实时在线监测。3、适用多种类型开关电源，比如Buck变换器、Boost变换器、Buck‑Boost变换器、Forward变换器、Flyback变换器、Cuk变换器等。

Description

基于脉冲响应的开关电源故障检测方法

技术领域

本发明属于开关电源故障检测技术领域，尤其涉及一种基于脉冲响应的开关电源故障检测方法。

背景技术

目前，开关电源具有体积小、重量轻、抗干扰能力强、以及模块化等一系列的优点，在航天、通信、核电以及其他各类电子产品中得到广泛的应用。开关电源几乎可以认为是电路***中最重要的部件，其是否正常工作直接影响到电力电子设备的安全。

因此对于开关电源的检测非常重要，而目前大多数检测方法比较复杂，计算过程中涉及到的参数非常多，存在计算繁琐等问题，大大减慢检测效率。

因此，现有技术有待于改善。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种基于脉冲响应的开关电源故障检测方法，以解决背景技术中所提及的技术问题。

本发明的一种基于脉冲响应的开关电源故障检测方法，包括以下步骤：

步骤S10，向第一开关电源的输出端加入第一脉冲电流，获得第一开关电源输出端产生的第一脉冲响应信号；

步骤S20，在第一开关电源输出端并联一个第一电容，再向开关电源的输出端加入第二脉冲电流，获得第一开关电源输出端产生的第二脉冲响应信号；

步骤S30，根据第一脉冲响应信号的第一相关参数和第二脉冲响应信号的第二相关参数计算出开关电源输出电容的容值；

步骤S40，将计算出的开关电源输出电容的容值与电容标准值进行比较，以实现对于开关电源故障检测。

优选地，步骤S10中的第一脉冲电流与步骤S20的第二脉冲电流相同。

优选地，步骤S30具体包括：

步骤S31，利用频率检测器检测出第一脉冲响应信号所对应的第一相关参数，其中，第一相关参数包括第一振荡周期或者第一振荡频率；

步骤S32，利用频率检测器检测出第二脉冲响应信号所对应的第二相关参数，其中，第二相关参数包括第二振荡周期或者第二振荡频率；

步骤S33，根据第一相关参数、第二相关参数和第一电容，计算出开关电源输出电容的容值。

优选地，步骤S40具体包括：

步骤S41，判断开关电源输出电容的容值是否低于标准电容值；

步骤S42，若开关电源输出电容的容值低于标准电容值，则开关电源电路出现故障。

本发明的基于脉冲响应的开关电源故障检测方法，有益效果如下：

1、仅需检测开关电源输出脉冲响应的振荡频率或振荡周期，便可以求解出开关电源输出电容的容值，计算过程中所利用到的参数少。

2、本发明在开关电源输出端进行检测，无需对电源内部结构进行拆卸，是一种非侵入式的开关电源故障检测方法，且能在开关电源正常工作时实现对输出滤波电容的实时在线监测。。

3、适用多种类型开关电源，比如Buck变换器、Boost变换器、Buck-Boost变换器、Forward变换器、Flyback变换器、Cuk变换器等。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于脉冲响应的开关电源故障检测方法第一实施例的流程示意图；

图2为本发明第一实施例中步骤S30的细化流程示意图；

图3为本发明第一实施例中步骤S40的细化流程示意图；

图4为本发明中第一脉冲响应信号的波形图；

图5为本发明中第二脉冲响应信号的波形图；

图6为检测原理中所提及的负载突变***框图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要注意的是，相关术语如“第一”、“第二”等可以用于描述各种组件，但是这些术语并不限制该组件。这些术语仅用于区分一个组件和另一组件。例如，不脱离本发明的范围，第一组件可以被称为第二组件，并且第二组件类似地也可以被称为第一组件。术语“和/或”是指相关项和描述项的任何一个或多个的组合。

如图1所示，图1为本发明基于脉冲响应的开关电源故障检测方法第一实施例的流程示意图；本发明的一种基于脉冲响应的开关电源故障检测方法，包括以下步骤：

步骤S10，向第一开关电源的输出端加入第一脉冲电流，获得第一开关电源输出端产生的第一脉冲响应信号(如图4所示)；

在步骤S10中，利用脉冲注入电路向开关电源输出端加入第一脉冲电流；

步骤S20，在第一开关电源输出端并联一个第一电容，再向开关电源的输出端加入第二脉冲电流，获得第一开关电源输出端产生的第二脉冲响应信号(如图5所示)，其中，第一电容的容值为x；

在步骤S20中，利用脉冲注入电路向已并联了一个第一电容后的开关电源输出端加入第二脉冲电流；其中，优选地，步骤S10中的第一脉冲电流与步骤S20的第二脉冲电流相同。

步骤S30，根据第一脉冲响应信号的第一相关参数和第二脉冲响应信号的第二相关参数计算出开关电源输出电容的容值；

如图2所示，步骤S30具体包括：

步骤S31，利用频率检测器检测出第一脉冲响应信号所对应的第一相关参数，其中，第一相关参数包括第一振荡周期T_s1或者第一振荡频率，第一振荡频率包括第一角频率为w₁或者第一频率f₁；

步骤S32，利用频率检测器检测出第二脉冲响应信号所对应的第二相关信息，其中，第二相关参数包括第二振荡周期T_s2或者第二振荡频率，第二振荡频率包括第二角频率为w₂或者第二频率f₂；

步骤S33，根据第一相关参数、第二相关参数和第一电容，计算出开关电源输出电容的容值。

在步骤S33中，具体计算过程为：

其中，第一脉冲响应信号的第一振荡周期为T_s1，第一角频率为w₁，第一频率为f₁，开关电源输出电容的容值为C₁；步骤S20中并联的第一电容的容值为x，第二脉冲响应信号的第二振荡周期为T_s2，第二角频率为w₂，第二频率为f₂，总电容容值为C₂。

因此，可以利用公式(10)求解开关电源输出端电容的容值。其中，k的表达式如(9)所示，通过不同的三组数据，比如第一振荡周期为T_s1和第二振荡周期为T_s2、第一角频率为w₁和第二角频率为w₂、第一频率f₁和第二频率f₂；三组数据中的任一一组，即可以求解出k的值，而x是步骤S20中所并联的第一电容的容值大小，可根据所测开关电源输出电容的等级选择与之相匹配的并联电容容值，C₁是所测开关电源输出电容的容值。

步骤S40，将计算出的开关电源输出电容的容值与电容标准值进行比较，以实现对于开关电源故障检测。

如图3所示，优选地，步骤S40具体包括：

步骤S41，判断开关电源输出电容的容值是否低于标准电容值；

步骤S42，若开关电源输出电容的容值低于标准电容值，则开关电源电路出现故障。

本发明的基于脉冲响应的开关电源故障检测方法，有益效果如下：

1、仅需检测开关电源输出脉冲响应的振荡频率或振荡周期，便可以求解出输出电容的容值，计算过程中所利用到的参数少。

2、本发明在开关电源输出端进行检测，无需对电源内部结构进行拆卸，是一种非侵入式的开关电源故障检测方法，且能在开关电源正常工作时实现对输出滤波电容的实时在线监测。

3、适用多种类型开关电源，比如Buck变换器、Boost变换器、Buck-Boost变换器、Forward变换器、Flyback变换器、Cuk变换器等。

4、本发明并联一个已知容值的电容，根据所测开关电源输出电容的等级选择与之相匹配的并联电容容值，并联的电容不会降低开关电源的性能。

5、本发明提出的方法可在线检测开关电源的故障情况，也可离线检测开关电源的故障情况。

6、通过该方法检测输出电容的容值，并与电容标准值对比，可以检测开关电源的工作状态，判断开关电源故障情况。

7、在开关电源使用过程中长期检测，可以得出不同使用时间内输出电容的容值，根据输出电容容值的变化情况，可以判断出电源的老化情况和寿命状况。

本发明中所利用到的检测原理如下：

开关电源主拓扑中包含了后级滤波电路，滤波电路中的输出电容对整个电源性能影响很大，当开关电源输出负载发生突变时，其最直接的表现为电流发生突变，开关电源负载突变***框图如图6所示。

在***框图中，T(s)为开关电源反馈环路的传递函数，它由开关电源补偿网络、PWM模块、开关电源主拓扑模块、反馈分压网络等模块共同决定，因此，不同的开关电源的T(s)存在差异。Z_out是输出阻抗，I(s)是突变电流，V_ref(s)为参考电压，V(s)为开关电源输出电压。因此，在开关电源输出端加入突变负载后，开关电源输出电压如式(1)所示：

将开关电源各环节考虑进去，可以得出得到开关电源的输出响应为式(2)，其中K为与开关电源拓扑环路参数和加入的突变负载有关的一个常数，M也是与环路参数有关的另一个常数，L、C、R是开关电源主拓扑中输出滤波电路的电感和电容以及负载电阻。

因此，整个开关电源的自然振荡角频率如式(3)所示，阻尼振荡角频率如式(4)所示，其中，Q为品质因数。因此，开关电源振荡频率与输出滤波级的电容和电感有关。

对于一个设计好的开关电源，认为该电源的控制回路参数固定，主拓扑参数也固定，而振荡角频率和振荡频率关系式如(5)所示。

w＝2πf (5)

在已知上述检测原理后，可知本发明的基于脉冲响应的开关电源故障检测方法，是一种适用多种不同类型开关电源的具备新颖性、创造性的有效检测方法。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于脉冲响应的开关电源故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S10，向第一开关电源的输出端加入第一脉冲电流，获得第一开关电源输出端产生的第一脉冲响应信号；

步骤S20，在第一开关电源输出端并联一个第一电容，再向开关电源的输出端加入第二脉冲电流，获得第一开关电源输出端产生的第二脉冲响应信号；

步骤S30，根据第一脉冲响应信号的第一相关参数和第二脉冲响应信号的第二相关参数计算出开关电源输出电容的容值；

步骤S40，将计算出的开关电源输出电容的容值与电容标准值进行比较，以实现对于开关电源故障检测。

2.如权利要求1所述基于脉冲响应的开关电源故障检测方法，其特征在于，步骤S10中的第一脉冲电流与步骤S20的第二脉冲电流相同。

3.如权利要求1所述基于脉冲响应的开关电源故障检测方法，其特征在于，步骤S30具体包括：

步骤S31，利用频率检测器检测出第一脉冲响应信号所对应的第一相关参数，其中，第一相关参数包括第一振荡周期或者第一振荡频率；

步骤S32，利用频率检测器检测出第二脉冲响应信号所对应的第二相关参数，其中，第二相关参数包括第二振荡周期或者第二振荡频率；

步骤S33，根据第一相关参数、第二相关参数和第一电容，计算出开关电源输出电容的容值。

4.如权利要求1所述基于脉冲响应的开关电源故障检测方法，其特征在于，步骤S40具体包括：

步骤S41，判断开关电源输出电容的容值是否低于标准电容值；

步骤S42，若开关电源输出电容的容值低于标准电容值，则开关电源电路出现故障。

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