CN102705253A - 一种控制开关电源模块散热的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种控制开关电源模块散热的装置及方法,通过无级调速方式实时调节风冷器件的转速并实时监测风冷器件的运行状态。该方法能够减小风冷器件损耗、延长风扇使用寿命、降低开关电源模块噪声,并及时发现风扇故障及其可能导致的故障隐患;且无需专门的检测仪器设备及定期强制更换风扇,对维护人员没有要求,降低了维护成本和技术难度。
Description
技术领域
本发明涉及高频开关电源领域,尤其涉及一种控制开关电源模块散热的装置及方法。
背景技术
目前开关电源模块主要采用自冷散热和风冷散热(散热器+风扇)两种方式来给模块散热。其中,通过铝材散热器以热传导方式进行散热,称为自冷散热;通过风扇吹散热器和发热器件以热对流方式进行散热,称为风冷散热。自冷散热方式设计简单,成本低廉,只需将主功率管、整流二极管、变压器等发热器件固定在散热器上,主要利用热传导方式将热量传导到铝材散热器上,由散热器进行散热。如原来使用的铁路信号电源模块(1/2砖模块、1/4砖模块),由于其输出功率不大,且模块内部有足够的散热空间,所以通常多采用自冷散热方式。自冷散热方式中散热器体积大,重量大且按照满载工作设计,而铁路上实际应用的负载不都是工作在满载状态,大多只是工作在半载甚至更少,在很大程度上造成浪费。随着信号电源模块尺寸越做越小,而模块功率越做越大,其功率器件在工作时都会产生很大热量,这些热量如果不及时散去,会导致电源模块内部温度迅速升高而损坏功率器件,进而导致模块故障,自冷散热方式不再适用,而通过风冷散热的方式给模块散热。风冷散热方式中通常采用串电抗器调速,通过转换开关切换抽头来实现风扇有级调速。该种散热方式风扇的转速存在突变,会严重影响风扇的寿命;同时,切换转换开关会增加开关噪声,增加风扇乃至整个电源模块出现故障的几率。此外,采用有级调速对模块进行散热需要相关技术人员定期维护且定期强制更换风扇,增加了维护成本。因此,需要一种能够控制开关电源模块散热的装置及方法,实现对风扇运行状态的实时监测,使能够及时发现风扇故障及可能导致的故障隐患,降低维护成本和技术难度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足,提供一种控制开关电源模块散热的装置及方法,根据风扇驱动信号占空比与开关电源模块输出功率的瞬时有效值和散热器实时温度值的关系调节风扇驱动信号占空比,从而实时调节风扇的转速。该方法能够减小风扇损耗、延长风扇寿命、降低模块噪声,并及时发现风扇故障及其可能导致的故障隐患,降低了维护成本及技术难度。
为达到上述目的,本发明是通过以下技术方案来实现的:
一种控制开关电源模块散热的装置,该装置包括供电单元、微控制器单元、斩波电路单元、风冷器件,
所述供电单元为整个装置提供电源;
所述微控制器单元用于根据开关电源模块输出功率的瞬时有效值及开关电源模块散热器的实时温度值实时调整驱动风冷器件的PWM控制信号的占空比;
所述斩波电路单元用于根据微控制器单元输出的PWM控制信号对供电单元提供的电源进行斩波,输出风冷器件驱动信号;
所述风冷器件用于根据所述驱动信号实时调节转速。
所述斩波电路单元包括MOSFET开关管,通过微控制器单元输出的PWM控制信号控制MOSFET开关管的导通或截止,输出斩波电压,驱动风冷器件工作。
所述装置还包括分压偏置电路单元、信号采集单元和比较电路单元,所述信号采集单元用于对风冷器件的驱动电流进行采样并将采样后的信号输出到比较电路单元的反相输入端,所述分压偏置电路单元用于对供电单元提供的电源电压进行分压,输出电流信号到比较电路单元的同相输入端,所述比较电路单元通过对输入信号比较输出开关量信号到微控制器单元,所述微控制器单元根据所述开关量信号的持续时间判断风冷器件的工作状态,并在风冷器件工作异常时进行故障报警并显示。
本发明还公开一种控制开关电源模块散热的方法,包括:
S1:根据开关电源模块输出功率的瞬时有效值及开关电源模块散热器的实时温度值实时调整驱动风冷器件的PWM控制信号的占空比;
S2:根据所述具有实时占空比的PWM控制信号对电源信号进行斩波,输出风冷器件驱动信号,实时调节风冷器件的转速。
所述步骤S1进一步包括,根据开关电源模块输出功率的瞬时有效值及开关电源模块散热器的实时温度值分别计算影响风冷器件驱动信号占空比的系数,根据所述风冷器件驱动信号占空比的系数及预先设定的初始PWM控制信号的占空比,实时地计算PWM控制信号的占空比。
所述方法进一步包括,预设开关电源模块输出功率的阈值范围,根据实时测得的开关电源模块的输出电压和输出电流得到输出功率的瞬时有效值,由下述公式(1)计算输出功率的瞬时有效值影响风冷器件驱动信号占空比的系数,
KLoad=kL*(P-Pmin) (1)
其中,KLoad表示输出功率的瞬时有效值影响风冷器件驱动占空比的系数;kL=1/(Pmax-Pmin),P表示开关电源模块输出功率的瞬时有效值,限定在预设的输出功率阈值范围内;Pmin表示预设的输出功率的最小值;Pmax表示预设的输出功率的最大值;KL为负载系数。
所述方法进一步包括,预设开关电源模块散热器温度的阈值范围,根据开关电源模块散热器的实时温度值,由下述公式(2)计算散热器的实时温度值影响风冷器件驱动信号占空比的系数,
KTemp=kT*(T-Tmin) (2)
其中,KTemp表示模块散热器实时温度影响风冷器件驱动占空比的系数;kT=5/3*(Tmax-Tmin),T表示开关电源模块散热器当前温度值,限定在预设的散热器温度阈值范围内;Tmin表示预设的散热器温度最小值;Tmax表示预设的散热器温度最大值;KT为负载系数。
所述方法进一步包括,
预先设定初始PWM控制信号的占空比,根据所述初始设定的PWM控制信号占空比对电源信号进行斩波,获得风冷器件初始驱动信号,得到风冷器件的初始转速;
如开关电源模块输出功率的瞬时有效值低于预设的输出功率阈值的最小值且散热器的实时温度值低于预设的散热器温度阈值的最小值时,风冷器件按照初始转速运转;否则,
根据开关电源模块输出功率的瞬时有效值和开关电源模块散热器的实时温度值影响驱动信号占空比的系数,以及预先设定的初始PWM控制信号的占空比,由公式(3)计算实时PWM控制信号占空比,
DFan=DBase+(1-DBase)*(3*KLoad+KTemp) (3)
其中,DFan表示驱动风冷器件的PWM信号的实时占空比;DBase表示预先设定的初始PWM控制信号的占空比,对应风冷器件的初始转速。
根据所述具有实时占空比的PWM控制信号,对电源信号进行斩波获得斩波电压,调节风冷器件的转速。
所述方法还包括通过实时检测风冷器件的驱动电流并与预设的电流阈值进行比较,根据输出的开关量信号对风冷器件进行故障检测。
采用本发明的技术方案,通过无级调速方式实时调节风冷器件的转速并实时监测风冷器件的运行状态。该方法能够减小风冷器件损耗、延长风扇使用寿命、降低开关电源模块噪声,并及时发现风扇故障及其可能导致的故障隐患;且无需专门的检测仪器设备及定期强制更换风扇,对维护人员没有要求,降低了维护成本和技术难度。
附图说明
图1为本发明具体实施方式提供的控制开关电源模块散热的装置原理框图;
图2为本发明具体实施方式提供的控制开关电源模块散热的装置的电路图;
图3为本发明具体实施方式提供的控制开关电源模块散热的方法流程图;
图4为本发明具体实时方式提供的风冷器件故障检测的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。本发明以对铁路信号模块电源(1/8砖模块)散热为例进行说明。
图1为本发明具体实施方式提供的控制开关电源模块散热的装置原理框图。如图1所示,该装置包括供电单元101,微控制器单元102,斩波电路单元103,风冷器件104,分压偏置电路单元105,信号采样单元106和比较电路单元107。其中,供电单元101用于为整个装置供电;微控制器单元102用于根据开关电源模块输出功率的瞬时有效值及开关电源模块散热器的实时温度值实时调整驱动风冷器件的PWM控制信号的占空比;斩波电路单元103用于根据微控制器单元102输出的实时占空比的PWM控制信号对供电单元101提供的电源进行斩波,输出风冷器件驱动信号;所述风冷器件104用于根据所述驱动信号实时调节转速;分压偏置电路单元105用于对供电单元101提供的电源电压进行分压,经负载输出电流信号到比较电路单元107的同相输入端;信号采集单元106用于对风冷器件104的驱动电流进行采样并将采样后的信号输出到比较电路单元107的反相输入端,比较电路单元107通过对输入信号进行比较输出开关量信号到微控制器单元102,所述微控制器单元102根据比较电路单元输出的开关量信号的持续时间对风冷器件104进行故障检测,并在检测到风冷器件处于工作异常状态时发出指示信号告警。
图2为本发明具体实施方式提供的控制开关电源模块散热的装置的电路图。目前铁路信号模块电源采用25Hz的1/8砖模块电源,其包含两路输出,其中轨道输出额定电压220V,负载满载5.6A;局部输出额定电压110V,负载满载7.2A。模块在110%负载下能长时间稳定工作,模块的输出功率高达2200W,考虑整机效率90%,该模块输入功率接近2500W,由此可知,模块需要考虑的散热量高达300W。采用自冷散热方式显然不适用,本实施例中选择两路风冷器件(风扇)通过无级调速方式对开关电源模块进行散热。如图2所示,供电单元101通过电压转换或者通过电阻分压得到规定幅值的直流电压信号(如12V等)给整个装置供电;微控制器单元102采用德州仪器(TI)公司的型号为TM320F2808的DSP芯片作为开关电源模块的主控芯片,DSP芯片内部集成的ADC模块实时地对开关电源模块的电压、电流和温度参数进行采样,实时调整驱动风冷器件的PWM控制信号的占空比;斩波电路103包括MOSFET开关管,通过微控制器单元输出的实时占空比的PWM控制信号控制MOSFET开关管的导通或截止,获取斩波电压(7-11.5V),驱动风冷器件工作,所述PWM控制信号的占空比越大,得到的斩波电压越高,风冷器件的转速越大;信号采样单元106采用两个小阻值的采样电阻R8和R9分别对两组风冷器件的驱动电流进行采样并将所述两路采样电流分别输出到比较电路单元107的反相端;分压偏置电路单元通过电阻R10和R11组成的分压偏置电路对供电单元进行分压,输出电压分别经负载R12和R14输出到比较电路单元的同相端,所述比较电路单元采用型号为LM393的电压比较器,通过对输入信号进行比较输出开关量信号到微控制器单元,微控制器单元对所述开关量信号进行检测,并根据开关量信号的持续时间对风冷器件进行故障检测。如微控制器单元检测到比较器输出高电平信号持续时间达到预先设定的阈值(如1秒),则,判断对应的风冷器件工作异常,同时发出相应的指示信号告警,提示更换风冷器件。
相应的,本发明还提供一种控制开关电源模块散热的方法。图3为本发明具体实施方式提供的控制开关电源模块散热的方法流程图。如图3所示,该方法具体包括如下步骤,
S301:根据开关电源模块输出功率的瞬时有效值及开关电源模块散热器的实时温度值实时调整驱动风冷器件的PWM控制信号的占空比;
其中,根据开关电源模块输出功率的瞬时有效值及开关电源模块散热器的实时温度值分别计算影响风冷器件驱动信号占空比的系数,根据所述风冷器件驱动信号占空比的系数及预先设定的初始PWM控制信号的占空比,实时地计算PWM控制信号的占空比。
具体地,预设开关电源模块输出功率的阈值范围,根据实时测得的开关电源模块的输出电压和输出电流得到输出功率的瞬时有效值,由下述公式(1)计算输出功率的瞬时有效值影响风冷器件驱动信号占空比的系数,
KLoad=kL*(P-Pmin) (1)
其中,KLoad表示输出功率的瞬时有效值影响风冷器件驱动占空比的系数;kL=1/(Pmax-Pmin),P表示开关电源模块输出功率的瞬时有效值,限定在预设的输出功率阈值范围内;Pmin表示预设的输出功率的最小值;Pmax表示预设的输出功率的最大值;KL为负载系数。
预设开关电源模块散热器温度的阈值范围,根据开关电源模块散热器的实时温度值,由下述公式(2)计算散热器的实时温度值影响风冷器件驱动信号占空比的系数,
KTemp=kT*(T-Tmin) (2)
其中,KTemp表示模块散热器实时温度影响风冷器件驱动占空比的系数;kT=5/3*(Tmax-Tmin),T表示开关电源模块散热器当前温度值,限定在预设的散热器温度阈值范围内;Tmin表示预设的散热器温度最小值;Tmax表示预设的散热器温度最大值;KT为负载系数。
预先设定初始PWM控制信号的占空比,根据所述初始设定的PWM控制信号占空比对电源信号进行斩波,获得风冷器件初始驱动信号,得到风冷器件的初始转速;
根据开关电源模块输出功率的瞬时有效值和开关电源模块散热器的实时温度值影响驱动信号占空比的系数,以及预先设定的初始PWM控制信号的占空比,由公式(3)计算实时PWM控制信号占空比,
DFan=DBase+(1-DBase)*(3*KLoad+KTemp) (3)
其中,DFan表示驱动风冷器件的PWM信号的实时占空比;DBase表示预先设定的初始PWM控制信号的占空比,对应风冷器件的初始转速。
结合图2所示的控制开关电源模块散热的装置电路图,对方法进行详细说明。预设开关电源模块工作在0.25~1.0倍满载范围内,DSP芯片的ADC模块实时检测开关电源模块的轨道和局部两路输出电压和电流的有效值,进而得到模块输出总功率的瞬时有效值。根据上述公式(1)计算输出功率影响风扇驱动占空比的系数KLoad,
KLoad=kL*(P-Pmin) (1)
其中,P表示模块轨道和局部输出功率之和的当前值,限定在0.25~1.0倍满载范围内;kL=1/(Pmax-Pmin),KL为负载系数,Pmin为软件设定的最小输出功率,此处为满载的25%;Pmax为软件设定的最大输出功率,此处为满载(100%)。
当模块负载低于满载的25%时,输出功率不影响风扇转速。
预设开关电源模块散热器温度范围为250C~600C,DSP实时检测模块散热器温度,根据上述公式(2)计算模块散热器实时温度影响风扇驱动占空比的系数KTemp:
KTemp=kT*(T-Tmin) (2)
其中,T表示模块散热器当前温度实时检测值,限定在250C~600C;
kT=5/3*(Tmax-Tmin),kT为温度系数,Tmin为软件设定的散热器最低温度,此处为250C;Tmax为软件设定的散热器最高温度,此处为600C。
当模块散热器实时温度低于250C时,散热器温度不影响风扇转速。
设定风冷器件初始PWM控制信号占空比为0.6,根据所述PWM控制信号得到风冷器件的初始转速。
如果检测到模块带载低于满载的25%且模块散热器温度低于250C,风冷器件以初始转速运行,此种情况下,开关电源模块输出功率的瞬时有效值及开关电源模块散热器的实时温度值对风冷器件的转速无影响;如检测到模块带载量增加(大于等于满载的25%)或模块散热器温度上升(大于或等于250C)时,DSP按照上述公式(3)实时调节风扇驱动PWM信号的占空比:
DFan=DBase+(1-DBase)*(3*KLoad+KTemp) (3)
其中,DFan为风冷器件驱动PWM信号的实时占空比;DBase为预设的初始PWM控制信号的占空比0.6,对应风冷器件的初始转速。
由此可见,风冷器件驱动PWM控制信号占空比与开关电源模块的输出功率和散热器温度存在一定的比例关系,根据所述关系实时调整PWM控制信号的占空比。
S302:根据所述具有实时占空比的PWM控制信号对电源信号进行斩波,获取风冷器件驱动信号,实时调节风冷器件的转速。
根据所述具有实时占空比的PWM控制信号,对电源信号进行斩波获得斩波电压,实时调节风冷器件的转速。在负载低时,降低风扇转速,减小风扇噪声;当模块内部温度高时,提高风扇转速,使模块温升控制在要求范围内,实现风冷器件的无级调速。
此外,所述方法还包括根据实时检测风冷器件的驱动电流并与预设的电流阈值进行比较,根据输出的开关量信号对风冷器件进行故障检测。图4为本发明具体实时方式提供的风冷器件故障检测的方法流程图。如图4所示,具体步骤为:获取风冷器件驱动电流并与预设的电流阈值比较,根据风冷器件对应I/O输出高电平持续时间是否达到预先设定的阈值(如1秒)对风冷器件继续故障检测:当风冷器件对应I/O输出高电平持续时间达到预先设定的阈值(如1秒),则判断对应的风冷器件工作异常,同时发出相应的指示信号告警,提示更换风冷器件;否则,风冷器件工作正常。
本实施例中通过小阻值的采样电阻对风冷器件的驱动电流进行采样并将采样后的驱动电流输出到比较器的反相端,通过分压偏置电路对供电单元提供的电源进行分压,经负载输出电流信号到比较器的同相端,所述负载电流为比较器设定的电流阈值,比较器通过对输入信号进行比较输出开关量信号到微控制器单元,由微控制器对所述信号进行分析处理,对风冷器件进行故障检测,并在检测到风冷器件处于异常工作状态时发出指示信号告警。
采用本发明的技术方案,通过无级调速方式实时调节风冷器件的转速并实时监测风冷器件的运行状态。该方法能够减小风冷器件损耗、延长风扇使用寿命、降低开关电源模块噪声,并及时发现风扇故障及其可能导致的故障隐患;且无需专门的检测仪器设备及定期强制更换风扇,对维护人员没有要求,降低了维护成本和技术难度。
上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理,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内。
Claims (9)
1.一种控制开关电源模块散热的装置,其特征在于,该装置包括供电单元、微控制器单元、斩波电路单元、风冷器件,
所述供电单元为整个装置提供电源;
所述微控制器单元用于根据开关电源模块输出功率的瞬时有效值及开关电源模块散热器的实时温度值实时调整驱动风冷器件的PWM控制信号的占空比;
所述斩波电路单元用于根据微控制器单元输出的PWM控制信号对供电单元提供的电源进行斩波,输出风冷器件驱动信号;
所述风冷器件用于根据所述驱动信号实时调节转速。
2.根据权利要求1所述的控制开关电源模块散热的装置,其特征在于,所述斩波电路单元包括MOSFET开关管,通过微控制器单元输出的PWM控制信号控制MOSFET开关管的导通或截止,输出斩波电压,驱动风冷器件工作。
3.根据权利要求1所述的控制开关电源模块散热的装置,其特征在于,所述装置还包括分压偏置电路单元、信号采集单元和比较电路单元,所述信号采集单元用于对风冷器件的驱动电流进行采样并将采样后的信号输出到比较电路单元的反相输入端,所述分压偏置电路单元用于对供电单元提供的电源电压进行分压,输出电流信号到比较电路单元的同相输入端,所述比较电路单元通过对输入信号比较输出开关量信号到微控制器单元,所述微控制器单元根据所述开关量信号的持续时间判断风冷器件的工作状态,并在风冷器件工作异常时发出指示信号告警。
4.一种控制开关电源模块散热的方法,包括:
S1:根据开关电源模块输出功率的瞬时有效值及开关电源模块散热器的实时温度值实时调整驱动风冷器件的PWM控制信号的占空比;
S2:根据所述具有实时占空比的PWM控制信号对电源信号进行斩波,输出风冷器件驱动信号,实时调节风冷器件的转速。
5.根据权利要求4所述的控制开关电源模块散热的方法,其特征在于,所述步骤S1进一步包括,根据开关电源模块输出功率的瞬时有效值及开关电源模块散热器的实时温度值分别计算影响风冷器件驱动信号占空比的系数,根据所述风冷器件驱动信号占空比的系数及预先设定的初始PWM控制信号的占空比,实时地计算PWM控制信号的占空比。
6.根据权利要求5所述的控制开关电源模块散热的方法,其特征在于,所述方法进一步包括,预设开关电源模块输出功率的阈值范围,根据实时测得的开关电源模块的输出电压和输出电流得到输出功率的瞬时有效值,由下述公式(1)计算输出功率的瞬时有效值影响风冷器件驱动信号占空比的系数,
KLoad=kL*(P-Pmin) (1)
其中,KLoad表示输出功率的瞬时有效值影响风冷器件驱动占空比的系数;kL=1/(Pmax-Pmin),P表示开关电源模块输出功率的瞬时有效值,限定在预设的输出功率阈值范围内;Pmin表示预设的输出功率的最小值;Pmax表示预设的输出功率的最大值;KL为负载系数。
7.根据权利要求5所述的控制开关电源模块散热的方法,其特征在于,所述方法进一步包括,预设开关电源模块散热器温度的阈值范围,根据开关电源模块散热器的实时温度值,由下述公式(2)计算散热器的实时温度值影响风冷器件驱动信号占空比的系数,
KTemp=kT*(T-Tmin) (2)
其中,KTemp表示模块散热器实时温度影响风冷器件驱动占空比的系数;kT=5/3*(Tmax-Tmin),T表示开关电源模块散热器当前温度值,限定在预设的散热器温度阈值范围内;Tmin表示预设的散热器温度最小值;Tmax表示预设的散热器温度最大值;KT为负载系数。
8.根据权利要求5所述的控制开关电源模块散热的方法,其特征在于,所述方法进一步包括,
预先设定初始PWM控制信号的占空比,根据所述初始设定的PWM控制信号占空比对电源信号进行斩波,获得风冷器件初始驱动信号,得到风冷器件的初始转速;
如开关电源模块输出功率的瞬时有效值低于预设的输出功率阈值的最小值且散热器的实时温度值低于预设的散热器温度阈值的最小值时,风冷器件按照初始转速运转;否则,
根据开关电源模块输出功率的瞬时有效值和开关电源模块散热器的实时温度值影响驱动信号占空比的系数,以及预先设定的初始PWM控制信号的占空比,由公式(3)计算实时PWM控制信号占空比,
DFan=DBase+(1-DBase)*(3*KLoad+KTemp) (3)
其中,DFan表示驱动风冷器件的PWM信号的实时占空比;DBase表示预先设定的初始PWM控制信号的占空比,对应风冷器件的初始转速。
根据所述具有实时占空比的PWM控制信号,对电源信号进行斩波获得斩波电压,调节风冷器件的转速。
9.根据权利要求4所述的控制开关电源模块散热的方法,其特征在于,所述方法还包括通过实时检测风冷器件的驱动电流并与预设的电流阈值进行比较,根据输出的开关量信号对风冷器件进行故障检测。
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