CN114460488A - 一种非侵入式黑箱离线式开关电源故障检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种非侵入式黑箱离线式开关电源故障检测方法，其包括：当开关电源停机时，先向开关电源输出端加入恒定电流I c1 ，当输出端电压到达V m 后，将开关电源输出端所加的恒定电流I c1 切换为I c2 ，直到输出端电压到达V c 为止；测量开关电源输出端电压与时间关系信号u (t)，进行滤波处理后，求出外加电流I c1 和I c2 对应的输出端电压上升段的斜率k 1 、k 2 ；求出输出电容的容值，进而计算出输出电容的等效串联电阻值；根据计算结果，判断开关电源电路的故障情况。本发明的技术方案是一种非侵入式的黑箱检测方法，无需拆解电源，不会破坏开关电源的结构，对开关电源无任何冲击影响，计算量小，且采样率低，测量精度高。

Description

一种非侵入式黑箱离线式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领域，尤其涉及一种非侵入式黑箱离线式开关电源故障检测方法。
背景技术
开关电源由于其优势在电子产品中得到广泛的应用，其是否正常工作直接影响到电力电子设备的安全。开关电源结构复杂，AC-DC型开关电源将交流市电变为恒定的直流电时往往包含多个模块，每个模块又有不同的拓扑结构，尤其是控制回路中包含了各种辅助源、采样电阻、电感、二极管等多个器件，结构复杂。同时开关电源中DC-DC变换器的种类繁多，通常采用大容值的电解电容进行滤波，而电容在使用过程中，极易出现容值下降，等效串联电阻增加的现象。输出电容对整个开关电源性能影响很大，电容参数的退化会导致开关电源的性能下降，当电容参数退化到不能维持开关电源正常工作时，该电源失效。因此，输出电容是开关电源的薄弱环节，检测开关电源中输出电容的参数直接关系到该电源的故障情况和使用寿命。目前如果需要检测电容，一般需要拆开开关电源或卸下电容进行测量，但这些方式均可能对电源造成损伤。
发明内容
针对以上技术问题，本发明公开了一种非侵入式黑箱离线式开关电源故障检测方法，不需要拆开开关电源，仅仅从开关电源外部加入检测电流，就能计算得到输出电容的容值和等效串联电阻值，从而可以检测出开关电源电路是否出现故障。
对此，本发明采用的技术方案为：
一种非侵入式黑箱离线式开关电源故障检测方法，其包括如下步骤：
步骤S1，当开关电源停机时，先向开关电源输出端加入恒定电流Ic1，当输出端电压到达Vm后，将开关电源输出端所加的恒定电流Ic1切换为Ic2，直到输出端电压到达Vc为止，其中，Vc表示开关电源输出端电压的限压值，0<Vm<Vc，Ic1与Ic2为大小不相等的两个恒定电流；其中，Ic1、Ic2可由压控电流源产生。其中，Vc这个限压值是为了防止向开关电源输出端加入的恒定电流一直给输出电容充电破坏电源而加入的电压限定值，该限定值可以根据检测需求改变。
步骤S2，测量开关电源输出端电压与时间关系信号u(t)；
步骤S3，对输出端电压u(t)进行滤波处理后，求出外加电流Ic1对应的输出端电压上升段的斜率k1，以及外加电流Ic2对应的输出端电压上升段的斜率k2；
步骤S4，利用
Figure BDA0003543318250000021
或
Figure BDA0003543318250000022
求出输出电容的容值；可以理解为，如果出现前两者计算出来的容值不同，那么可以取两者都平均值；
步骤S5，根据开关电源输出端的电压u(t)、外加电流Ic1和Ic2，同时结合步骤S4求出的输出电容的容值，计算出输出电容的等效串联电阻值；
步骤S6，根据步骤S4求出的输出电容的容值、电容的标准容值、输出电容的等效串联电阻的阻值和等效串联电阻的标准阻值，检测开关电源电路的故障情况。
采用此技术方案，不需要拆开开关电源或卸下电容，在离线时采用外加检测信号，就可以得出输出电容的参数，从而可以进一步检测电源的故障，无需利用输出电压纹波，采样率大大降低，计算量小，属于完全的黑箱检测，实现真正意义上的AC-DC型开关电源非侵入式黑箱检测；而现有技术的电容参数在电源在线运行状态下进行检测时需要很高的检测信号采样率才可以得出结果。
作为本发明的进一步改进，步骤S5中，利用
Figure BDA0003543318250000023
计算出输出电容的等效串联电阻值；其中，t1为向开关电源输出端加入恒定电流Ic1时间段内任意选取的一个时刻，t2为开始输入向开关电源输出端加入恒定电流Ic2的时刻，t3为向开关电源输出端加入恒定电流Ic2时间段内任意选取的一个时刻。
作为本发明的进一步改进，Vc不超过该开关电源正常工作时稳定输出的电压值，而为了消除掉开关电源控制回路中的辅助源、保护电路、反馈支路等的影响，可以将Vc限定在一个PN结电压内进行输出电容参数检测。进一步的，Vc不超过0.7V。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
第一，本发明的技术方案是一种非侵入式的检测方法，无需拆解电源，不会破坏开关电源的结构，对开关电源无任何冲击影响，只需要向开关电源输出端加入两个大小不相等的恒定小电流，根据开关电源输出端的电压、外加电流，利用输出端电压上升段的斜率k1或斜率k2计算输出电容的容值，也可以同时利用两个斜率计算电容的容值，计算简单，进一步根据输出电容的容值即可计算输出电容的等效串联电阻值，计算量小，且采样率低，操作方便，测量精度高。
第二，采用本发明的技术方案，将输出端电压限定在一个PN结电压内进行输出电容参数检测，能够消除掉开关电源控制回路中的辅助源、保护电路、反馈支路等对检测精度的影响，能够对AC-DC型开关电源实现黑箱检测，实现真正意义上的非侵入式黑箱检测，应用范围广，工程应用意义大；而且该检测方法几乎适用于所有的AC-DC型开关电源输出电容的容值和等效串联电阻检测，不受DC-DC变换器中拓扑变化的影响，适用范围广。
另外，采用此检测方法，可以定期检测输出电容的容值和等效串联电阻值，得出不同使用时间后电容的参数，通过输出电容容值和等效串联电阻值的变化，可以判断出电源的老化情况和寿命状况，以检测出开关电源电路是否出现故障。
附图说明
图1是本发明实施例中的AC-DC直流开关电源基本构成框图。
图2是本发明实施例中的开关电源输出电容容值和等效串联电阻检测示意图。
图3是本发明实施例的开关电源输出电压与外加电流示意图。
具体实施方式
下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
AC-DC型直流开关电源的种类繁多，结构复杂，其基本构成框图如图1所示，主要包括输入滤波器、整流器、电容滤波器、DC-DC变换器、输出滤波器、控制回路等模块。每个模块又有不同的拓扑结构，其中DC-DC变换器模块主要有Buck变换电路、Boost变换电路、Buck-Boost变换电路、正激变换电路、反激变换电路、推挽变换电路、半桥变换电路、全桥变换电路等。输出滤波器可能包含在DC-DC变换器模块中，也可能采用LC滤波器，还可能是多种形式的组合。开关电源通常采用大容值的电解电容进行滤波，电容在使用过程中，极易出现参数退化现象。
开关电源的输出电容等效模型由容值C和等效串联电阻值ESR串联而成，其输出电容容值和等效串联电阻检测示意图如图2所示，开关电源输出端电压与外加电流示意图如图3所示。
当开关电源停机时，在电源输出端加入两个大小不相等的恒定电流Ic1和Ic2，测量开关电源输出端的电压u(t)，便可以求出输出电容的容值和等效串联电阻值。Ic可由压控电流源产生，而Vc表示开关电源输出端电压的限压值。一般情况下，Vc不超过该开关电源正常工作时稳定输出的电压值，而为了消除掉开关电源控制回路中的辅助源、保护电路、反馈支路等的影响，可以将Vc限定在一个PN结电压(如0.7V)内进行输出电容参数检测。
非侵入式黑箱离线式开关电源故障检测方法的具体实施步骤如下：
步骤S1：在开关电源停机时，先向开关电源输出端加入恒定电流Ic1，当输出端电压到达Vm后，将开关电源输出端所加的恒定电流Ic1切换为Ic2，直到输出端电压到达VC为止。其中，Vc表示开关电源输出端电压的限压值，Vm是0～Vc中的任一电压值，Ic1与Ic2为大小不相等的两个恒定电流。
步骤S2：测量开关电源输出端电压与时间关系信号u(t)。
步骤S3：对输出端电压u(t)进行滤波处理后，求出外加电流Ic1对应的输出端电压上升段的斜率k1，外加电流Ic2对应的输出端电压上升段的斜率k2。
步骤S4：利用
Figure BDA0003543318250000041
或
Figure BDA0003543318250000042
求出输出电容的容值；
步骤S5：根据开关电源输出端的电压u(t)、外加电流Ic1和Ic2，同时结合步骤S4求出的输出电容的容值，利用
Figure BDA0003543318250000043
计算出输出电容的等效串联电阻值。
步骤S6：根据输出电容的容值、电容的标准容值、等效串联电阻的阻值和等效串联电阻的标准阻值以判断开关电源电路的故障情况。
上述步骤中，输出电容容值检测原理为：
在t1–t3时间段内，先向开关电源输出端加入恒定电流Ic1，当输出端电压到达Vm后，将开关电源输出端所加的恒定电流Ic1切换为Ic2，直到输出端电压到达VC为止。其中，Vm是0～VC中的任一电压值，Ic1与Ic2为大小不相等的两个恒定电流。
在t1–t2的时间段里，开关电源输出端电压与通过电容的电流关系如式(1)所示，由于加入的电流是恒定电流Ic1，所以，ic(t1)＝ic(t2)，则将式(1)简化为式(2)，并将式(2)中电容电流的积分求解出来，得出式(3)。向开关电源输出端加入恒定电流Ic1时，输出端电压以斜率为
Figure BDA0003543318250000044
线性增加。因此，只要计算出t1–t2时间段内输出端电压线性增长的斜率大小k1，便可以计算出输出电容的容值，输出电容的容值采用式(4)计算。
同理，在t2–t3的时间段里，向开关电源输出端加入的恒定电流Ic2时，输出端电压以斜率为
Figure BDA0003543318250000051
线性增加。因此，只要计算出t2–t3时间段内输出端电压线性增长的斜率大小k2，便可以计算出输出电容的容值，输出电容的容值采用式(5)计算。为了精确计算输出端电压线性增长的斜率，使电容容值检测结果更加精确，电流Ic不宜过大。
Figure BDA0003543318250000052
Figure BDA0003543318250000053
Figure BDA0003543318250000054
Figure BDA0003543318250000055
Figure BDA0003543318250000056
输出电容等效串联电阻检测原理如下：
在t1–t3时间段内，先向开关电源输出端加入恒定电流Ic1，当输出端电压到达Vm后，将开关电源输出端所加的恒定电流Ic1切换为Ic2，直到输出端电压到达VC为止。在t1–t3的时间段内，开关电源输出端电压与通过电容的电流关系如式(6)所示。将Ic1和Ic2代入式(6)中，并求出电容电流的积分项，可推导得出等效串联电阻的计算式如式(9)所示。因此，根据开关电源输出端电压u(t)、外加电流Ic1和Ic2，同时结合输出电容的容值，即可计算出输出电容的等效串联电阻值。
Figure BDA0003543318250000057
Figure BDA0003543318250000058
Figure BDA0003543318250000059
Figure BDA0003543318250000061
采用上述技术方案，通过定期检测输出电容的容值和等效串联电阻值，得出不同使用时间后电容的参数，通过输出电容容值和等效串联电阻值的变化，可以判断出电源的老化情况和寿命状况，以检测出开关电源电路是否出现故障。
上述技术方案能够对AC-DC型开关电源实现黑箱检测，实现真正意义上的非侵入式黑箱检测，应用范围广，工程应用意义大；几乎适用于所有的AC-DC型开关电源输出电容的容值和等效串联电阻检测，不受DC-DC变换器中拓扑变化的影响，适用范围广。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种非侵入式黑箱离线式开关电源故障检测方法，其特征在于：其包括如下步骤：
步骤S1，当开关电源停机时，先向开关电源输出端加入恒定电流Ic1，当输出端电压到达Vm后，将开关电源输出端所加的恒定电流Ic1切换为Ic2，直到输出端电压到达Vc为止，其中，Vc表示开关电源输出端电压的限压值，0<Vm<Vc，Ic1与Ic2为大小不相等的两个恒定电流；
步骤S2，测量开关电源输出端电压与时间关系信号u(t)；
步骤S3，对输出端电压u(t)进行滤波处理后，求出外加电流Ic1对应的输出端电压上升段的斜率k1，以及外加电流Ic2对应的输出端电压上升段的斜率k2；
步骤S4，利用
Figure FDA0003543318240000011
或
Figure FDA0003543318240000012
求出输出电容的容值；
步骤S5，根据开关电源输出端的电压u(t)、外加电流Ic1和Ic2，同时结合步骤S4求出的输出电容的容值，计算出输出电容的等效串联电阻值；
步骤S6，根据步骤S4求出的输出电容的容值、电容的标准容值、输出电容的等效串联电阻的阻值和等效串联电阻的标准阻值，判断开关电源电路的故障情况。
2.根据权利要求1所述的非侵入式黑箱离线式开关电源故障检测方法，其特征在于：步骤S5中，利用
Figure FDA0003543318240000013
计算出输出电容的等效串联电阻值；其中，t1为向开关电源输出端加入恒定电流Ic1时间段内任意选取的一个时刻，t2为开始输入向开关电源输出端加入恒定电流Ic2的时刻，t3为向开关电源输出端加入恒定电流Ic2时间段内任意选取的一个时刻。
3.根据权利要求2所述的非侵入式黑箱离线式开关电源故障检测方法，其特征在于：Vc限定在一个PN结电压内。
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