CN102116849B - 开关电源工作参数的非接触式测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式开关电源占空比及开关频率测量系统和测量方法，主要解决现有测量方法需要接触被测开关电源电路板而引起的效率低下，无法对绝缘处理过的电路板进行测试的问题。测量时，通过非接触磁探头(202)耦合开关电源磁性元件(201)的磁场辐射信号，输出电压信号；将该电压信号输入至放大调理装置(203)进行放大调理；然后通过信号处理装置(204)对放大调理后的电压信号进行数字采样和数字信号处理，即可得到占空比和开关频率，完成开关电源工作参数的测量。本发明不需要接触被测电路板，具有操作简单，安全可靠且不影响被测电路的工作的优点，可用于开关电源的系统测试和故障诊断领域。

Description

开关电源工作参数的非接触式测量系统及测量方法

技术领域

本发明属于测试领域，涉及一种测量装置和测量方法，可用于对降压型开关电源关键工作参数进行非接触式测量。

背景技术

在开关电源的测试过程中，开关频率及占空比是反映开关电源工作状态的关键参数。开关电源以脉冲宽度调制信号为其控制信号，正常工作时只需改变控制信号的开关频率或占空比，便可实现对输出电压的控制，达到稳定输出电压的目的。不同状态下，占空比和开关频率表征不同。测量得到开关频率和占空比等工作参数后，经过分析计算，可以获得开关电源工作在何种状态和输出电压等信息。

在开关电源工作参数测试测量过程中，分为人工方法和自动测试方法。

人工方法，是用数字万用表或示波器直接测量对应节点电压信号，通过分析节点电压波形，得到占空比和开关频率等工作参数，判断开关电源工作状态。这种方法操作繁琐，效率很低；并且由于开关电源含有高压电路，如果操作失误，会对被测仪器和测试人员造成损害。

自动测试方法，主要依靠测试针床、程控飞针等手段获取节点电压信号，得到相关工作参数。自动测试系统会因探针磨损、接触不良等寿命问题而降低可靠性。

上述无论是人工方法还是自动测试方法都需要直接接触到开关电路电路板，若电路板已做灌封等绝缘保护处理，其测试节点与外界完全隔绝，无法接触测量。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种非接触式的开关电源占空比和开关频率测量方法，从开关电源磁性元件的漏磁辐射中提取工作参数，以消除被测电源与测试装置之间的电气连接，实现对开关电源占空比和开关频率的非接触测量。

为实现上述目的，本发明提供了非接触式开关电源工作参数测量系统，包括：

非接触式磁探头，用于感应被测开关电源中磁性元件的空间磁场变化，耦合漏磁辐射信号，将耦合出的信号输入给放大调理装置。

放大调理装置，采用差分式放大器，用于对信号的放大和消除共模干扰，将放大后的信号输入给信号处理模块。

信号处理装置，对放大调理后的电压模拟信号进行数字采样和数字处理，得到开关电源占空比和开关频率。

所述的非接触探头包括高频磁芯、探测线圈和屏蔽层，该高频磁芯上缠有线圈置于屏蔽层内，以消除电场的干扰。

所述的屏蔽层的接缝处留有一处缝隙，割断涡流电流的环路，以避免屏蔽层的涡流效应对信号造成损失。

所述的探测线圈的两端分别与放大调理装置的两个输入端连接；该探测线圈两端输出的电压信号正比于穿过线圈的磁场强度的变化量；该电压信号包含开关电源占空比和开关频率等工作参数。

为实现上述目的，本发明的非接触式开关电源工作参数测量方法，包括如下步骤：

(1)将非接触探头正对开关电源磁性元件，以耦合漏磁辐射信号，并对非接触探头输出的模拟电压信号进行放大调理；

(2)对放大调理后的电压模拟信号进行数字采样并输出，采样后的数字信号长度至少要有5个周期；

(3)对采样后的数字信号进行FFT变换，得到采样后的数字信号的功率谱；

(4)根据步骤(3)得到数字信号的功率谱，选取除直流分量外幅值最大的4个点，按频率从小到大依次排列，将这4个点分别作为开关电源开关频率的基频频率f₁、三次谐波频率f₃、五次谐波频率f₅和七次谐波频率f₇，并计算开关电源的开关频率f：

f＝(f₁+f₃/3+f₅/5+f₇/7)/4；

(5)根据步骤(3)得到数字信号的功率谱，选取除直流分量外幅值最大的点，将这个点作为开关电源开关频率的基频频率，使低通滤波的截止频率等于基频频率的10倍，根据截止频率对采样后的数字信号进行低通滤波；

(6)选取低通滤波后的数字信号的极大值点和极小值点，将所有极点按时间从小到大依次排列，按极值点比对选取法对各极值点进行优化选取，得到最小峰值点和最大峰值点，对所有峰值点再按时间从小到大依次排列，并计算开关电源的占空比d：

d＝(a_i-b_i-1)/T

其中T为低通滤波后的数字信号周期，设一个周期以最小峰值点为起始，a_i为第i周期最小峰值点时间，b_i-1为第i-1周期最大峰值点时间；

步骤(5)所述的按极值点比对选取法对各极值点进行优化选取，是将极大值点与其前后各30个点幅值比较，若此极大值点最大则保留，作为一个周期内的最大峰值点，反之则抛弃；将极小值点与其前后各30个点幅值比较，若此极小值点最小则保留，为一个周期内的最小峰值点，反之则抛弃。

本发明由于采用了基于磁场辐射耦合原理的非接触测量方法获取开关电源工作参数，保证了整个测试过程中，无需接触被测开关电源，只需将非接触磁探头接近开关电源的磁性元件，即可获得工作参数，因此具有操作简单方便、安全可靠和无磨损的特点；同时本发明针对开关电源磁漏辐射信号特点设计了极值点比对选取法，保证了系统能够从开关电源磁漏辐射信号中提取开关电源的峰值点，通过计算这些峰值点的时间值即可得到开关电源的占空比，实现了非接触测量。

下面结合附图对本发明作进一步说明：

附图说明

图1是本发明非接触磁探头结构示意图；

图2是本发明开关电源工作参数测量系统结构图；

图3是本发明开关电源工作参数测量方法流程图。

具体实施方式

参照图2，本发明的开关电源工作参数测量系统由被测开关电源磁性元件201、非接触磁探头202、放大调理装置203、数据处理装置204组成。其中被测开关电源磁性元件201是开关电源中的变压器或是电感。非接触磁探头202的结构如图1所示，其中，图1(a)为非接触磁探头的俯视图，图1(b)为非接触磁探头的剖面图。它由高频磁芯101、探测线圈102和屏蔽层103组成，高频磁芯101上缠有线圈102置于屏蔽层103内，以消除电场的干扰，该屏蔽层103的接缝处留有一处缝隙，以割断涡流电流的环路，避免屏蔽层103的涡流效应对信号造成损失。非接触磁探头202正对被测开关电源磁性元件201，耦合漏磁辐射信号，输出电压信号，该电压信号反应了被测开关电源磁性元件201上的电流变化，并包含开关电源的占空比和开关频率等参数。放大调理装置203与非接触磁探头202相连，对非接触磁探头202输出的电压信号进行放大调理。放大调理装置203采用差分放大器结构，其中运算放大器采用OP37，但不局限于此芯片。信号处理装置204与放大调理装置203相连，对放大调理后的电压信号进行数字采样和数字处理，得到开关电源占空比和开关频率，该信号处理装置204的数据处理芯片采用DSP芯片TMS320LF2407，但不限于此芯片，该信号处理装置204的模数转换芯片采用12位高速模数转换芯片AD9225，但不限于此芯片。

参照图3，本发明的开关电源工作参数测量方法包括如下步骤：

步骤1，获取开关电源电磁辐射信号

开关电源在工作时磁性元件上的电流变化会引起周围磁场的变化，这种变化在开关电源磁性元件周围最为明显，将非接触探头正对开关电源磁性元件，以耦合此漏磁辐射信号，并对非接触探头输出的模拟电压信号进行放大调理。

步骤2，数字采样

对放大调理后的电压模拟信号进行数字采样输出，由于开关电源开关频率都在100KHz以上，有的开关电源开关频率甚至达到2MHz，所以采样频率必须要大于20MHz才能较完整的得到完整频率成分，采样后的数字信号至少要有5个周期。

步骤3，FFT变换

对步骤2采样后的数字信号进行FFT变换，得到采样后的数字信号的功率谱。根据电磁耦合原理，该数字信号反应的是开关电源工作时磁性元件上的电流变化，所以，数字信号的功率谱也反映了该信号的频域变化。

步骤4，计算开关频率

选取步骤3得到的数字信号功率谱中除直流分量外幅值最大的4个点，按频率从小到大依次排列，将这4个点分别作为开关电源开关频率的基频频率f₁、三次谐波频率f₃、五次谐波频率f₅和七次谐波频率f₇，并计算开关电源的开关频率f：

f＝(f₁+f₃/3+f₅/5+f₇/7)/4。

步骤5，低通滤波

选取步骤3得到的数字信号功率谱中除直流分量外幅值最大的点，将这个点作为开关电源开关频率的基频频率，使低通滤波的截止频率等于基频频率的10倍，根据截止频率对采样后的数字信号进行数字低通滤波，其中，数字低通滤波设计采用加汉宁窗的有限频率响应数字滤波器结构，但不局限于此结构。

步骤6，计算占空比

根据步骤5得到的低通滤波后的数字信号进行如下占空比计算：

步骤6a，选取步骤3低通滤波后的数字信号的极大值点和极小值点，将所有极值点按时间从小到大依次排列；

步骤6b，由于低通滤波不能够将所有噪声信号滤除掉，毛刺信号也会被当做极值点被选取，故按极值点比对选取法对各极值点进行优化选取，优选时，对于极大值点，与前后各30个点幅值比较，若此极大值点最大则保留，作为一个周期内的最大峰值点；反之则抛弃；对于极小值点，与前后各30个点幅值比较，若此极小值点最小则保留，作为一个周期内的最小峰值点；反之则抛弃；

步骤6c，将优化选取得到的最小峰值点和最大峰值点再按时间从小到大依次排列，并计算开关电源的占空比d：

d＝(a_i-b_i-1)/T

其中T为低通滤波后的数字信号周期，设一个周期以最小峰值点为起始，a_i为第i周期最小峰值点时间，b_i-1为第i-1周期最大峰值点时间。

该实施例仅是对本发明的参考说明，并不构成对本发明内容的任何限制。

Claims (2)

1.一种非接触式开关电源工作参数测量系统，包括： 

非接触式磁探头(202)，用于感应被测开关电源中磁性元件的空间磁场变化，耦合漏磁辐射信号，将耦合出的信号输入给放大调理装置； 

放大调理装置(203)，采用差分式放大器，用于对信号的放大和消除共模干扰，将放大后的信号输入给信号处理模块； 

信号处理装置(204)，对放大调理后的电压模拟信号进行数字采样和数字处理，得到开关电源占空比和开关频率； 

所述的非接触探头(202)，包括高频磁芯(101)、探测线圈(102)和屏蔽层(103)，该高频磁芯(101)上缠有线圈(102)，置于屏蔽层(103)内，以消除电场的干扰；该屏蔽层(103)的接缝处留有一处缝隙，割断涡流电流的环路，以避免屏蔽层的涡流效应对信号造成损失；该探测线圈(102)的两端分别与放大调理装置(203)的两个输入端连接；探测线圈(102)两端输出的电压信号正比于穿过线圈的磁场强度的变化量，该两端输出的电压信号包含开关电源占空比和开关频率工作参数。 

2.一种非接触式开关电源工作参数测量方法，包括如下步骤： 

(1)将非接触探头正对开关电源磁性元件，以耦合漏磁辐射信号，并对非接触探头输出的模拟电压信号进行放大调理； 

(2)对放大调理后的电压模拟信号进行数字采样并输出，采样后的数字信号长度至少要有5个周期； 

(3)对采样后的数字信号进行FFT变换，得到采样后的数字信号的功率谱； 

(4)根据步骤(3)得到数字信号的功率谱，选取除直流分量外幅值最大的4个点，按频率从小到大依次排列，将这4个点分别作为开关电源开关频率的基频频率f₁、三次谐波频率f₃、五次谐波频率f₅和七次谐波频率f₇，并计算开关电源的开关频率f： 

f＝(f₁+f₃/3+f₅/5+f₇/7)/4； 

(5)根据步骤(3)得到数字信号的功率谱，选取除直流分量外幅值最大的点，将这个点作为开关电源开关频率的基频频率，使低通滤波的截止频率等于基频频率的10倍，根据截止频率对采样后的数字信号进行低通滤波； 

(6)选取低通滤波后的数字信号的极大值点和极小值点，将所有极点按时间从小 到大依次排列，按极值点比对选取法对各极值点进行优化选取，即对于极大值点，与前后各30个点幅值比较，若此极大值点最大则保留，作为一个周期内的最大峰值点，反之则抛弃；对于极小值点，与前后各30个点幅值比较，若此极小值点最小则保留，作为一个周期内的最小峰值点，反之则抛弃；对所有峰值点再按时间从小到大依次排列，并计算开关电源的占空比d： 

d＝(a_i-b_i-1)/T 

其中T为低通滤波后的数字信号周期，设一个周期以最小峰值点为起始，a_i为第i周期最小峰值点时间，b_i-1为第i-1周期最大峰值点时间。

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