CN113433480B - 一种控制电源***的故障预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种控制电源***的故障预警方法。该方法包括：采集控制电源***的输出电压纹波数据；分析采集的历史电压纹波数据，预测当前开关周期内的开关脉冲；根据所述当前开关周期的开关脉冲与当前开关周期实际采集的电压纹波数据，判断所述开关管是否发生故障，并确定故障类型。本发明方法采用预测开关脉冲的方式，在不入侵控制电源设备内部的情况下实现其开关管的故障预警，对电源***影响小，实用性强；采用检测输出电压方式，信号采集量少，便于实现；采用本方法，在开关管发生故障后一个开关周期内即可检测到故障，故障检测效率高。

Description

一种控制电源***的故障预警方法

技术领域

本发明涉及控制电源故障检测技术领域，尤其涉及一种控制电源***的故障预警方法。

背景技术

控制电源是电力电子技术中一个非常热门的应用，它具有功耗低、高效节能等特点，广泛地应用于各种电子设备中，主要用于给后级电路提供稳定、高质量的工作电源。控制电源作为各种电子设备的核心组件，虽然其自身成本较低，但是一旦发生故障，若不能快速发现故障并采取相应措施，轻则造成电路中的器件烧毁，严重的甚至可能导致整个电子设备的损毁，对财产造成巨大损失。

目前，现有技术中的一种对控制电源***的开关器件故障进行预警的方法包括：采集开关脉冲信号或电感及电容的电流信号，通过不同故障下电流变化的不同，识别开关器件的故障类型。

上述现有技术中的一种对控制电源***的开关器件故障进行预警的方法的缺点为：在实际应用中，在不入侵设备内部的情况下，通常无法获取开关脉冲信号；控制电源设备也很少留有电感及电容电流的直接采样接口，而间接对电感及电容进行电流采样，精度较低，实施难度较大。

发明内容

本发明的实施例提供了一种控制电源***的故障预警方法，以实现有效地对控制电源***中的开关器件进行故障检测。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种控制电源***的故障预警方法，包括：

采集控制电源***的输出电压纹波数据；

分析采集的历史电压纹波数据，预测当前开关周期内的开关脉冲；

根据所述预测的当前开关周期的开关脉冲与当前开关周期实际采集的电压纹波数据，判断所述开关管是否发生故障，并确定故障类型。

优选地，所述的采集控制电源***的输出电压纹波数据，包括：

通过电压传感器采集控制电源***的输出电压，将所述输出电压经过隔直电路与放大器后得到电压纹波数据。

优选地，所述的分析采集的历史电压纹波数据，预测当前开关周期内的开关脉冲，包括：

S201：对采集的历史电压纹波数据进行斜率计算，获取输出电压纹波斜率k_v；

其中，k_v[n]为第n个采样点处输出电压的斜率，U_out[n]为第n个输出电压采样值，Δt为采样时间间隔；

S202：计算电压纹波斜率标志系数K_v：

当K_v值为1时，开关管处于闭合状态；当K_v值为0时，开关管处于断开状态；

设前三个开关周期T₁、T₂和T₃为历史开关周期，开关周期T₄为当前开关周期，将开关周期T₃时间段K_v波形的上升沿时间点记为t₁，将时间点t₁的后一个下降沿时间点记为t₂，将时间点t₂的后一个上升沿时间点记为t₃，控制电源在T₃时间段的开关周期T_s与占空比D的计算公式如下：

T_s＝t₃-t₁

S203：预测出当前开关周期T₄的开关脉冲：

其中

为开关脉冲在开关周期T₄的取值，1代表高电平，0代表低电平。

优选地，所述的方法还包括：当检测到开关周期T4的开关管闭合时长大于历史开关周期T_s时，则判断开关管发生了短路故障，发出短路故障警报；当检测到开关周期T4的开关管断开时长大于历史开关周期T_s时，则判断开关管发生了断路故障，发出断路故障警报。

优选地，所述的根据所述预测的当前开关周期的开关脉冲与当前开关周期实际采集的电压纹波数据，判断所述开关管是否发生故障，并确定故障类型，包括：

S301：在当前开关周期T₄内，根据预测的开关脉冲，分别在开关管闭合和断开时，检测电压纹波斜率标志系数K_v的值；

S302：在当前开关周期，根据预测的开关脉冲及检测获得的斜率标志系数K_v进行故障逻辑判断，

①当

的值为1且K_v的值为1时，判断开关管无断路故障，不发出警报；

②当

的值为1且K_v的值为0时，判断开关管发生了断路故障，发出断路故障警报；

③当

的值为0且K_v的值为1时，判断开关管发生了短路故障，发出短路故障警报；

④当

的值为0且K_v的值为0时，判断开关管无短路故障，不发出警报。

优选地，所述的方法还包括：

检测到开关周期T₄内开关管发生故障后，继续预测后续开关周期的开关脉冲，并判断后续开关周期内故障是否依旧存在，若后续开关周期内故障消除了，则判断开关管发生了短时故障，记录故障类型并发出短时故障警报；若在后续开关周期内故障依旧存在，则判断关管发生了永久故障，记录故障类型并发出永久故障警报。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例的方法采用预测开关脉冲的方式，在不入侵控制电源设备内部的情况下实现其开关管的故障预警，对电源***影响小，实用性强；采用检测输出电压方式，信号采集量少，便于实现；采用本方法，在开关管发生故障后一个开关周期内即可检测到故障，故障检测效率高。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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为本发明实施例提出的一种控制电源***的故障预警方法的实现原理示意图；

图2为本发明实施例提出的一种单端正激电路的输出电压纹波与开关管的脉冲的对应关系示意图；

图3为本发明实施例提出的一种控制电源***的故障预警方法的处理流程图；

图4为本发明实施例提供的一种通过分析采集的历史电压纹波数据预测当前开关周期的开关脉冲的处理流程图；

图5为本发明实施例提供的一种根据获得的控制电源历史信息，对开关管故障情况进行判断的示意图；

图6为本发明实施例提供的一种根据预测的开关脉冲与当前开关周期实际采集的电压纹波数据，判断开关管是否故障及故障类型的处理流程图；

图7为本发明实施例提供的一种优化的在开关周期T₄内，根据

与K_v的值判断开关管发生了断路故障，发生了短路故障，开关管无故障的示意图；

图8为本发明实施例提供的一种根据预测的开关脉冲与当前开关周期实际采集的电压纹波数据，判断开关管故障以及是否为短时故障的处理流程图；

图9为本发明实施例提供的一种判断开关管故障是否为短时故障的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

控制电源虽然其自身成本较低，但是一旦发生故障，就可能造成巨大损失。开关管作为控制电源的核心部件，其发生永久故障时，通常希望能够快速确定故障类型并进行相应保护动作，以避免损害；其发生短时故障时，对电源输出电压电流的平均值影响较小，一般难以检测。但是控制电源的开关管频繁发生短时故障时，一般意味着控制电源到达了使用寿命极限，因此可以通过短时故障的发生频率进行预警。

本发明实施例提出的一种控制电源***的故障预警方法的实现原理示意图如图1所示，通过预测开关脉冲的方式，在不入侵控制电源内部的情况下，完成对控制电源***开关管的故障预警。该方法只需采集控制电源的输出电压，对电源设备影响小，易于实现，能够有效预警开关管故障。

本发明实施例提出的一种单端正激电路的输出电压纹波与开关管的脉冲的对应关系示意图如图2所示，实施例中控制电源主电路为单端正激电路，由其工作原理可以知道，单端正激电路的输出电压纹波与开关管的脉冲存在对应关系，即当开关脉冲为高电平时，开关管闭合，输出电压纹波上升，斜率为正；当开关脉冲为低电平时，开关管断开，输出电压纹波下降，斜率为负。依据上述电压纹波与开关脉冲的对于关系，可以通过检测输出电压的纹波推测开关脉冲的情况。本发明正是利用了上述规律提出了一种控制电源***的故障预警方法，其基本构想为：首先采集输出电压纹波数据，然后根据采集的历史电压数据预测当前开关周期开关脉冲，最后利用预测的开关脉冲与实际采集的当前开关周期电压纹波，判断开关管是否发生故障。

如图3所示，为本发明实施例提供的一种控制电源***的故障预警方法的处理流程图，所述方法包括以下步骤：

步骤S100：采集控制电源***的输出电压纹波数据。

步骤S200：分析采集的历史电压纹波数据，预测当前开关周期的开关脉冲。

步骤S300：根据预测的开关脉冲与当前开关周期实际采集的电压纹波数据，判断开关管是否故障及故障类型，并决定是否进行报警；

作为优选，所述步骤S100具体包括，通过电压传感器采集控制电源***的输出电压，将所述输出电压经过隔直电路与放大器后得到电压纹波数据。

图4为本发明实施例提供的一种通过分析采集的历史电压纹波数据预测当前开关周期的开关脉冲的处理流程图，如图4所示，步骤S200包括以下步骤：

S201：对采集的历史电压纹波数据进行斜率计算，获取输出电压纹波斜率k_v。

本实施例采用数字信号处理方式对输出电压进行斜率计算。采用数字信号处理方式时，采集的历史电压纹波信号是离散化储存的，故通过差分计算即可实现输出电压信号的斜率计算。电压纹波斜率的计算公式如下：

其中，k_v[n]为第n个采样点处输出电压的斜率，U_out[n]为第n个输出电压采样值，Δt为采样时间间隔。

S202：引入电压纹波斜率标志系数K_v，计算控制电源历史开关周期及占空比。

为便于区分开关管不同状态的时长以及后续对开关管故障情况的逻辑判断，引入了电压纹波斜率标志系数K_v，其取值如下：

本领域技术人员可以理解的是，当K_v值为1时，开关管处于闭合状态；当K_v值为0时，开关管处于断开状态。

如图2所示，给出了四个开关周期的单端正激电路的输出电压波形，假设前三个开关周期为历史开关周期，开关周期T₄为当前开关周期。T₃时间段的开关周期T_s与占空比D计算方法为：将开关周期T₃时间段K_v波形的上升沿时间点记为t₁，将其后一个下降沿时间点记为t₂，再将其后一个上升沿时间点记为t₃，那么该控制电源在T₃时间段的开关周期T_s与占空比D可由以下公式算得：

T_s＝t₃-t₁ (3)

由于稳压型控制电源输出电压是恒定的，其开关周期与占空比基本保持不变，故通过上述计算可以间接得到控制电源的开关周期T_s与占空比D。

作为优选，可以先将T₁、T₂、T₃三个时间段的开关周期与占空比都估算出来，分别取所有开关周期与占空比的平均值后，再作为控制电源的开关周期T_s与占空比D，以提高控制电源开关周期与占空比估算的准确性。

S203：预测当前开关周期的开关脉冲。

通过式(3)(4)对控制电源的开关周期T_s与占空比D的估算，可以预测出当前开关周期T₄的开关脉冲：

其中

为开关脉冲在开关周期T₄的取值，1代表高电平，0代表低电平。

作为优选，所述步骤S200还可以包括：

S204：图5为本发明实施例提供的一种根据获得的控制电源历史信息，对开关管故障情况进行初步判断的示意图，具体为：当检测到开关周期T4开关管闭合时长大于历史开关周期T_s时，则判断开关管发生了短路故障，发出短路故障警报；当检测到开关周期T4开关管断开时长大于历史开关周期T_s时，则判断开关管发生了断路故障，发出断路故障警报。为发现故障，则进行步骤S300。

图6为本发明实施例提供的一种根据预测的开关脉冲与当前开关周期实际采集的电压纹波数据，判断开关管是否故障及故障类型的处理流程图，如图6所示，步骤S300包括以下步骤：

S301：在当前开关周期，根据预测的开关脉冲，检测电压纹波斜率。

在开关周期T₄内，根据式(5)预测的开关脉冲，分别在开关管闭合和断开时，实时采集T4周期内的电压纹波数据，计算出电压纹波斜率标志系数K_v的值。采集方法与历史电压纹波采集相同，均通过电压传感器或采样电路采集，经隔直电路与放大器后获取纹波数据。

作为优选，在进行步骤S301时，应避开预测的开关脉冲边沿检测电压纹波斜率标志系数K_v的值，以避免在开关管状态切换时，对电压斜率检测出现误差。如图6所示，当

为1时，检测时间段选取为(t₃+0.25DT_s，t₃+0.75DT_s)；当

为0时，检测时间段选取为(t₃+0.75DT_s+0.25T_s，t₃+0.25DT_s+0.75T_s)。

S302：在当前开关周期，根据预测的开关脉冲及检测获得的斜率标志系数K_v进行故障逻辑判断，完成开关管故障检测及相应故障警报。

图7为本发明实施例提供的一种优化的在开关周期T₄内，根据

与K_v的值判断开关管发生了断路故障，发生了短路故障，开关管无故障的示意图。如图7所示，在开关周期T₄内，根据

与K_v的值完成开关管故障判断，故障类型及判断逻辑如下：

①当

的值为1且K_v的值为1时，开关管无断路故障，不发出警报；

②当

的值为1且K_v的值为0时，开关管发生了断路故障，发出断路故障警报；

③当

的值为0且K_v的值为1时，此时开关管发生了短路故障，发出短路故障警报；

④当

的值为0且K_v的值为0时，开关管无短路故障，不发出警报。

图8为本发明实施例提供的一种根据预测的开关脉冲与当前开关周期实际采集的电压纹波数据，判断开关管故障以及是否为短时故障的处理流程图，如图8所示，作为优选，步骤300除了包括上面的S301和S302外，还包括：

S303：判断开关管故障是否为短时故障。

图9为本发明实施例提供的一种在开关周期T₄内，根据

与K_v的值判断开关管故障是否为短时故障的示意图。如图9所示，检测到开关周期T₄开关管发生故障后，继续预测T₅、T₆等开关周期的开关脉冲，并重复步骤S301、S302判断之后开关周期内故障是否依旧存在。若在之后开关周期内故障消除了，那么开关管发生了短时故障，记录故障类型并发出短时故障警报；若在之后一个或多个开关周期内故障依旧存在，那么开关管发生了永久故障，记录故障类型并发出永久故障警报。

综上所述，本发明实施例的方法采用预测开关脉冲的方式，在不入侵控制电源设备内部的情况下实现其开关管的故障预警，对电源***影响小，实用性强；采用检测输出电压方式，信号采集量少，便于实现；采用本方法，在开关管发生故障后一个开关周期内即可检测到故障，故障检测效率高。

本发明实施例提供了短时及永久故障警报，在电源设备接近使用寿命时，可以通过短时故障警报进行预警，提高了电源设备的可靠性。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或***实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及***实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种控制电源***的故障预警方法，其特征在于，包括：

采集控制电源***的输出电压纹波数据；

分析采集的历史电压纹波数据，预测当前开关周期内的开关脉冲；

根据所述预测的当前开关周期的开关脉冲与当前开关周期实际采集的电压纹波数据，判断所述控制电源***的开关管是否发生故障，并确定故障类型；

所述的分析采集的历史电压纹波数据，预测当前开关周期内的开关脉冲，包括：

S201：对采集的历史电压纹波数据进行斜率计算，获取输出电压纹波斜率k_v；

其中，k_v[n]为第n个采样点处输出电压的斜率，U_out[n]为第n个输出电压采样值，Δt为采样时间间隔；

S202：计算电压纹波斜率标志系数K_v：

当K_v值为1时，开关管处于闭合状态；当K_v值为0时，开关管处于断开状态；

设前三个开关周期T₁、T₂和T₃为历史开关周期，开关周期T₄为当前开关周期，将开关周期T₃时间段K_v波形的上升沿时间点记为t₁，将时间点t₁的后一个下降沿时间点记为t₂，将时间点t₂的后一个上升沿时间点记为t₃，控制电源在T₃时间段的开关周期T_s与占空比D的计算公式如下：

T_s＝t₃-t₁

S203：预测出当前开关周期T₄的开关脉冲：

其中

为开关脉冲在开关周期T₄的取值，1代表高电平，0代表低电平。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的采集控制电源***的输出电压纹波数据，包括：

通过电压传感器采集控制电源***的输出电压，将所述输出电压经过隔直电路与放大器后得到电压纹波数据。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的方法还包括：当检测到开关周期T₄的开关管闭合时长大于历史开关周期T_s时，则判断开关管发生了短路故障，发出短路故障警报；当检测到开关周期T₄的开关管断开时长大于历史开关周期T_s时，则判断开关管发生了断路故障，发出断路故障警报。

4.根据权利要求1或者3所述的方法，其特征在于，所述的根据所述预测的当前开关周期的开关脉冲与当前开关周期实际采集的电压纹波数据，判断所述开关管是否发生故障，并确定故障类型，包括：

S301：在当前开关周期T₄内，根据预测的开关脉冲，分别在开关管闭合和断开时，实时采集电压纹波数据，计算出电压纹波斜率标志系数K_v的值；

S302：在当前开关周期，根据预测的开关脉冲及检测获得的斜率标志系数K_v进行故障逻辑判断，

①当

的值为1且K_v的值为1时，判断开关管无断路故障，不发出警报；

②当

的值为1且K_v的值为0时，判断开关管发生了断路故障，发出断路故障警报；

③当

的值为0且K_v的值为1时，判断开关管发生了短路故障，发出短路故障警报；

④当

的值为0且K_v的值为0时，判断开关管无短路故障，不发出警报。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的方法还包括：

检测到开关周期T₄内开关管发生故障后，继续预测后续开关周期的开关脉冲，并判断后续开关周期内故障是否依旧存在，若后续开关周期内故障消除了，则判断开关管发生了短时故障，记录故障类型并发出短时故障警报；若在后续开关周期内故障依旧存在，则判断开关管发生了永久故障，记录故障类型并发出永久故障警报。

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