CN105676937A - 一种纹波电流产生电路 - Google Patents

Abstract

一种纹波电流产生方法与电路，包括直流电源U，电感L、100为包括一脉宽调制控制电路P的无损纹波电流发生器，以及被测电容、发光器200，直流电源U通过电感L对外供电的电流方向与LED的正向导通方向相反。当被测电容正常时，开关管Q的激磁电流基本上不出现在电感L中，LED不发光；被测电容的ESR上升较大时，Q的激磁电流出现在L中，且Q关断时，流过L的激磁电流无法突变，经过发光器LED续流，同时驱动LED发光，LED可以是光耦的发光器，这样来提醒使用者：滤波电容的ESR已上升，纹波电流产生电路已存在失效的风险，避免损失的扩大，具有低成本、低能耗、实施容易的特点。

Description

一种纹波电流产生电路

技术领域

本发明涉及一种纹波电流产生电路，特别涉及电解电容寿命的老化测试时的纹波电流产生电路。

背景技术

目前，开关电源应用很广，对于输入功率在75W以下，对功率因素(PF，PowerFactor，也称功率因数)不作要求的场合，反激式(Fly-back)开关电源具有迷人的优势，这在中国申请号201510753470.X和201510753730.8的两份名称均为《一种纹波电流产生方法与电路》的申请中均有介绍，同时也介绍了目前没有有效的测试方法、仪器来管控电解电容额定纹波电流，并给出了技术方案来提供一种纹波电流产生方法与电路，低成本、低能耗地提供高频纹波电流来测试电解电容。为了方便，“电解电容”以下都简称为“电解”。

上述两份专利申请按在本文中出现的顺序分别简称为：现有专利A(201510753470.X)和现有专利B(201510753730.8)。

在现有专利A中，直流电源和电感负责供电。一变压器、一二极管、一场效应管，一脉宽调制控制电路按权利要求的方法组成了电路的核心主体，它的作用是产生纹波电流，且把产生纹波电流时消耗的电能量，通过第二绕组几乎无损地返回给直流电源或被测电解电容，为了方便，把产生纹波电流及无损返回能量的这部分电路，称为无损纹波电流发生器电路，简称为无损纹波电流发生器。

在现有专利B中，直流电源和第一电感负责供电。第二电感、第一二极管、第二二极管、两只场效应管，一脉宽调制控制电路按权利要求的方法组成了电路的核心主体，它的作用是产生纹波电流，且把产生纹波电流时消耗的电能量，通过第二电感、第一二极管、第二二极管几乎无损地返回给直流电源或被测电解电容，为了方便，把产生纹波电流及无损返回能量的这部分电路，也称为无损纹波电流发生器电路，同样简称为无损纹波电流发生器。

上述两份专利申请的方案仍存在问题：当被测电解快要失效时，等效串联电阻(ESR，是EquivalentSeriesResistance的缩写)上升较大时，电解的性能已接近不能使用的边缘，这时若不停机，电解处于加速失效模式，而电解一旦失效，电解质可能炸毁，电解中电解质炸得到处都是，清理困难，将会引起很多连带失效，从而使得损失被扩大，如场效应管Q炸毁，也给试验设备的操作人员造成心里阴影，不敢上机操作。

现有的解决方法是：当试验到了一定的时间，就把电解拆下来，用LCR电桥测量其ESR，若值超过了技术手册上的高限，就停止试验。这个方法也存在问题：操作复杂，中间有停机，电解的寿命不能真实地被检测，重新把电解装机后，在下一个时间点到来之前，仍可能存在电解炸毁，引起很多连带失效。

所以，我们希望有一种纹波电流产生电路，能够在被测电解的ESR上升至某值时，提供一个指示信号，以供设备或操作人员及时停机。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决现有的纹波电流产生方法与电路的不足，提供一种纹波电流产生电路，不仅可以低成本、低能耗地提供高频纹波电流，而且能够在被测电解的ESR上升至某值时，提供一个指示信号，以供测试设备或操作人员及时停机。

本发明提供的一种纹波电流产生电路，包括直流电源、第一电感、一无损纹波电流发生器，以及连接被测电容两只引脚的输出端子，包括正端子与负端子，所述的直流电源的输出有正极和负极，所述的无损纹波电流发生器至少包括一脉宽调制控制电路；

所述的输出端子和所述的电感串联后与所述的直流电源并联；

所述的无损纹波电流发生器和所述的输出端子并联，用于产生纹波电流，且把产生纹波电流时消耗的电能量无损地返回给直流电源或被测电容；

所述的脉宽调制控制电路的最大占空比小于0.5；

还包括一发光器,其特征是：发光器具有两个端子，具有单向导电的性能，所述的发光器与所述的第一电感并联，且确保所述的直流电源通过所述的第一电感对外供电的电流方向与所述的发光器的导通方向相反。

优选地，所述的发光器为发光二极管；

优选地，所述的发光器为一个发光二极管和一个二极管同向串联；

优选地，所述的发光器为一个发光二极管、一个二极管、和第一电阻同向串联；

优选地，所述的发光器包括一个发光二极管、一个二极管、第一电阻，还包括第一电容，其连接关系为：发光二极管和电阻串联后与第一电容并联，并联后形成的第一网络再与二极管同向串联，并形成发光器；

优选地，还包括第二电阻，所述的发光二极管两端并联第二电阻；

优选地，上述的所有方案中，还包括第二电容，第二电容与所述的直流电源并联。

优选地，上述的方案中，其特征是：所述的发光二极管为光耦中的发光器，即光耦中的发光二极管。

工作原理将结合实施例，进行详细的阐述。

本发明的有益效果为：

低成本、低能耗地提供高频纹波电流；

当电解电容失效前，该发光器中的发光二极管发光或光耦中的发光二极管有电流流过，光耦输出一个隔离的信号以提示使用者或电路，且电解电容失效前的预设ESR是可以调整的。

附图说明

图1-1为本发明技术方案第一实施例原理图；

图1-2为本发明技术方案第一实施例另一种实施方法的原理图；

图2-1为本发明技术方案第二实施例原理图；

图2-2为本发明技术方案第二实施例另一种实施方法的原理图；

图3-1为本发明技术方案发光器的实施例，顺延为第三实施例；

图3-2为本发明技术方案发光器的实施例三的另一种实施方法的原理图；

图4为本发明技术方案发光器的实施例，顺延为第四实施例；

图5-1为本发明技术方案发光器的实施例，顺延为第五实施例；

图5-2本发明技术方案发光器的实施例五的另一种实施方法的原理图。

具体实施方式

第一实施例

请见图1-1，一种纹波电流产生方法与电路，包括直流电源U，第一电感L、100为无损纹波电流发生器，以及连接被测电容两只引脚的输出端子，包括正端子J+与负端子J-，直流电源U的输出有正极和负极，无损纹波电流发生器100至少包括一脉宽调制控制电路P，

输出端子和电感L串联后与直流电源U并联；

无损纹波电流发生器100和所述的输出端子并联；

脉宽调制控制电路P的最大占空比小于0.5；

还包括一发光器200,其特征是：发光器200具有两个端子，为一只发光二极管LED，具有单向导电的性能，LED与电感L并联，且满足直流电源U通过电感L对外供电的电流方向与LED的正向导通方向相反。

发光二极管LED采用Φ3mm红色高亮的，为了方便，发光二极管简称为发光管，型号为3AR2UD，无损纹波电流发生器100采用现有专利A中第一实施例的技术方案，电感L取值1mH的电感，采用线径0.6mm绕制。

被测电容为标称为450BXC47MEFC18×25的电解电容，标称耐压450V，纹波电流为1.2A，直流电源U调节为311V直流，第一实施例的电路搭好后，调节磁芯的气隙大小，使得被测电容的纹波电流为1.2A，此时LED不发光。

由于失效的电解电容难以觅得，在上述的被测电容中，串入可调电阻，来模拟性能已经下降的电解电容，可调电阻的在这里的可调范围是0-39Ω，当把可调电阻的阻值调到5Ω时，相当于47uF/400V的电解电容的ESR从良品时的0.5Ω左右已上升至5.5Ω，电解电容的性能已接近不能使用的边缘。

此时，图1-1中的发光管LED发光，且工作电流的平均值实测为0.6mA。通过选取不同感量的电感L，初步调节指示的灵敏度，电感L的感量小，灵敏度低；电感L的感量大，但不超过变压器T的原边电感量，灵敏度高。由于发光管在发光时，存在1.6V至2.2V的正向压降，完全可以在发光管LED两端并联电阻来调节灵敏度，如本例中，若并联1.6K的电阻，那么，1mA以下的电流在并联的电阻两端产生的电压在1.6V以下，这时发光管LED不发光。

工作原理：

当被测电容，这里为电解正常时，由于其ESR较小，无损纹波电流发生器100产生的纹波电流基本上被被测电容吸收，电感L中流过的电流为直流电流，当开关管Q饱和导通且激磁时，电感L中的激磁电流极小，视为不存在，电感L中流过的电流为直流电流，是直流电源U向被测电容补充电能的电流，从电感L的左端经过电感流向了电感L的右端，经过被测电容后，回到直流电源U的负极，在图1-1中，就是从左向右的电流方向，那么发光器，即图1-1中的LED导通方向与直流电源U通过电感L对外供电的电流方向相反，即LED导通方向为从右向左，LED不发光。

当被测电解不正常时，即ESR大幅上升，无损纹波电流发生器100产生的纹波电流不能被被测电容吸收，当开关管Q饱和导通且激磁时，因被测电容中存在较大的ESR，电感L中也向变压器T的原边电感提供激磁电流，当开关管Q截止时，由于电感L中的激磁电流不能突变，且该电流无法被被测电解完全吸收，因为被测电解的ESR变大了，电流总是寻找更短的路径流动，这个电流就是经过LED的阳极，到LED的阴极，然后回到电感L的另一端，在图1-1中，为电感L和直流电源U的正极相连的那一端，即电感L的左端，点亮LED。注：白光发光管的导通压降为3.0V左右，红色的与绿色的也不同，而光耦内部的发光器导通压降为1.1V左右。

那么，电解电容在性能下降后，发光管LED能发光，说明LED的电流是从LED阳极流向阴极的，即在图1-1中，存在一个电流从电感L的右端经过发光管LED流向了电感L的左端。

注：在本申请以前，本领域的技术人员认为电解电容的ESR上升至失效边缘时，仍有滤波作用，不可能存在从电感L的右端经过发光管LED流向电感L的左端这样的电路，忽视了主功率开关管Q由导通变为截止的瞬间电感L中的续流电流可以在ESR上产生电压降这一很隐蔽的因素，本发明人利用这一电压降驱动了LED发光管作为指示灯。而本领域的技术人员在本申请之前要实现本发明的目的，必须采用复杂的在线检测电路才能实现，而这样的技术方案引入开关电源后必然导致产品效率下降、体积增大以及成本提高等缺陷。

图1-2为本发明技术方案第一实施例另一种实施方法的原理图，也完全满足技术方案的连接关系与方法，同样实现发明目的。图1-2的工作原理：

当被测电容正常时，由于其ESR较小，无损纹波电流发生器100产生的纹波电流基本上被被测电容吸收，电感L中流过的电流为直流电流，当开关管Q饱和导通且激磁时，电感L中的激磁电流极小，视为不存在，电感L中流过的电流为直流电流，是直流电源U向被测电容补充电能的电流。从电感L的右端经过电感流向了电感L的左端，回到直流电源U的负极，在图中，就是从右向左的电流方向，那么发光器，即图1-2中的LED导通方向与直流电源U通过电感L对外供电的电流方向相反，即LED导通方向为从左向右，LED不发光。

当被测电解不正常时，即ESR大幅上升，无损纹波电流发生器100产生的纹波电流不能被被测电容吸收，当开关管Q饱和导通且激磁时，被测电容中存在较大的ESR，电感L中也向变压器T的原边电感提供激磁电流，这个电流和直流电流方向相同，从右向左的电流方向；当开关管Q截止时，由于电感L中的激磁电流不能突变，且该电流无法被被测电解完全吸收，因为被测电解的ESR变大了，电流总是寻找更短的路径流动，这个电流就是经过LED的阳极，到LED的阴极，然后回到电感L的另一端，在图1-2中，为电感L和直流电源U的负极相连的那一端，即电感L的左端，点亮LED，即在图1-2中，存在一个电流从电感L的左端经过发光管LED流向了电感L的右端。

第一实施例采用现有专利B中的无损纹波电流发生器一样可以工作，这就是第二实施例，详见下述。

第二实施例

请见图2-1，一种纹波电流产生方法与电路，包括直流电源U，第一电感L、100为无损纹波电流发生器，以及连接被测电容两只引脚的输出端子，包括正端子J+与负端子J-，直流电源U的输出有正极和负极，无损纹波电流发生器100至少包括一脉宽调制控制电路P，

输出端子和电感L串联后与直流电源U并联；

无损纹波电流发生器100和所述的输出端子并联；

脉宽调制控制电路P的最大占空比小于0.5；

包括一发光器200,其特征是：发光器200具有两个端子，为一只发光二极管LED，具有单向导电的性能，LED与电感L并联，且满足直流电源U通过电感L对外供电的电流方向与LED的正向导通方向相反。

发光二极管LED采用Φ5mm红色高亮的常见型号，无损纹波电流发生器100采用现有专利B中第一实施例的技术方案，电感L取值1mH的电感，采用线径0.6mm绕制。电感L2为1.3mH左右的功率电感，且气隙可调。

被测电容为标称为450BXC47MEFC18×25的电解电容，标称耐压450V，纹波电流为1.2A，直流电源U调节为420V直流，第二实施例的电路搭好后，调节磁芯的气隙大小，使得被测电容的纹波电流为1.2A，此时LED不发光。

由于失效的电解电容难以觅得，在被测电容中，仍串入可调电阻，来模拟性能已经下降的电解电容，可调电阻在这里的可调范围是0-39Ω，当把可调电阻的阻值调到4.5Ω时，相当于47uF/400V的电解电容的ESR从良品时的0.5Ω左右已上升至5Ω，电解电容的性能已接近不能使用的边缘。

此时，图2-1中的发光管LED发光，且工作电流的平均值实测为0.9mA。通过选取不同感量的电感L，初步调节指示的灵敏度，电感L的感量小，灵敏度低；电感L的感量大，但不超过电感L2的电感量，灵敏度高。

工作原理：

当被测电容，这里为电解正常时，由于其ESR较小，无损纹波电流发生器100产生的纹波电流基本上被被测电容吸收，电感L中流过的电流为直流电流，当开关管Q1和Q2同时饱和导通且对电感L2激磁时，电感L中的激磁电流极小，视为不存在，电感L中流过的电流为直流电流，是直流电源U向被测电容补充电能的电流。补充电能的直流电流从电感L的左端经过电感流向了电感L的右端，在图2-1中，就是从左向右的电流方向，那么发光器，即图2-1中的LED导通方向与直流电源U通过电感L对外供电的电流方向相反，即LED导通方向为从右向左，LED不发光。

当被测电解不正常时，即ESR大幅上升，无损纹波电流发生器100产生的纹波电流不能被被测电容吸收，当开关管Q1和Q2同时饱和导通且激磁时，被测电容中存在较大的ESR，电感L中也向电感L2提供激磁电流，当开关管Q1和Q2同时截止时，由于电感L中的激磁电流不能突变，且该电流无法被被测电解完全吸收，因为被测电解的ESR变大了，电流总是寻找更短的路径流动，这个电流就是经过LED的阳极，到LED的阴极，然后回到电感L的另一端，在图2-1中，为电感L和直流电源U的正极相连的那一端，即电感L的左端，点亮LED。

那么，电解电容在性能下降后，发光管LED能发光，说明LED的电流是从LED阳极流向阴极的，即在图2-1中，存在一个电流从电感L的右端经过发光管LED流向了电感L的左端。

图2-2示出了第二实施例的另一种方式，所述的输出端子和所述的电感串联后与所述的直流电源并联的另一种方式，也完全满足技术方案的连接关系与方法，同样实现发明目的。

第一实施例和第二实施例实现了低成本、低能耗地提供高频纹波电流，对电解的充电和放电都是高频电流，且与实际使用中的电流形状相同，而且能够在被测电解的ESR上升至某值时，提供一个指示信号，以供测试设备或操作人员及时停机。

见图1-1或图1-2或图2-1或图2-2，在上电瞬间，直流电源U处于高压状态，由于被测电容CL的端电压为零，且电容的端电压不能突变，而电感L中的电流为零，且电感中的电流不能突变，这时，上电瞬间，直流电源U的电压会大部分加到发光管LED两端，从而反向击穿发光管LED，发光管LED的耐压标称值一般只有5V至10V左右，实测在35V左右，少数厂家可以做到170V左右，但仍无法承受直流电源U的高压，下面示出的发光器的实施例就是解决这一问题的，为了方便，顺延为第三实施例。

第三实施例

请见图3-1，发光器200为一个发光二极管LED和一个二极管D同向串联，为了方便理解，图中已画上了电感L，其连接关系为：第一二极管D和第一发光二极管LED同向串联并形成两端子网络，两端子网络和电感L并联，并联时要确保所述的直流电源通过所述的第一电感对外供电的电流方向与所述的发光器的导通方向相反。

两端子网络：指一个或由两个及以上的元器件互联形成的具有两个端子的电路结构。

两端子网络的阳极、阴极：具有单向导电性能的两端子网络，阳极电压比阴极高时，能产生电流；阴极电压比阳极高时，不能产生电流。

同向串联：二个及以上的两端子网络串联，其中至少有两个两端子网络具有单向导电性能，且各两端子网络串联后仍具有单向导电性能。本申请中的各两端子网络位置可以排列组合，实施例和附图没有一一列举，各种排列组合均属于本申请的保护范围。

本实施例的同向串联：二极管具有单向导电特性，指其中一只的阴极和另一只的阳级连接，这样，串联后的两端子网络，仍具有单向导电性能，只是导通压降为原来的两只之和，这种串联，两个二极管互换位置，仍具有单向导电性能。耐压却是两只二极管耐压之和。图3-2示出了串联的另一种方式。

第一二极管D选用耐压超过直流电源U的高压最大值的二极管，考虑正向导通是工作在开关电源的高频下，可选用快恢复整流二极管，如1N4007，耐压为1000V；或SF106，耐压为400V。串入以后，上电时，由第一二极管D的两端承受高压，反向击穿发光管LED的高压被分担，第一二极管D起到保护作用。

当无损纹波电流发生器100的功率比较大时，或工作电压比较低时，主功率级产生的纹波电流较大，这时，点亮发光器的续流电流可能过大，而常见发光管以及光耦中的发光器的最大承受电流一般都在50mA左右，容易损坏，第四实施例就是解决这一问题的。

第四实施例

请见图4，在第三实施例的基础上，还包括第一电阻R，发光器200为一个发光二极管LED、一个二极管D、和第一电阻R同向串联；为了方便理解，图中已画上了电感L，其连接关系为：第一二极管D、第一发光二极管LED和第一电阻R同向串联并形成新两端子网络，新两端子网络和第一电感L并联，并联时要确保所述的直流电源通过所述的第一电感对外供电的电流方向与所述的发光器的导通方向相反。

三个器件串联，仍要实现单向导电特性，串联的方式按排列组合的方法有6种，这里不一一示出。

第四实施例装入开关电源中，同样实现发明目的。由于存在限流电阻R，当无损纹波电流发生器100功率比较大时，或工作电压比较低时，主功率级的激磁电流较大，这时，若没有限流电阻R，常见发光管以及光耦中的发光器的最大承受电流一般都在50mA左右，容易损坏，第四实施例中的限流电阻R就是解决这一问题的。由于无损纹波电流发生器100产生的是高频纹波，这也就决定了发光管LED被点亮时的电流不是直流电，而是高频电流，容易给只能工作在低频率的发光二极管或光耦中的发光器造成损坏，第五实施例示出了发光器的解决方案。

第五实施例

请见图5-1，发光器包括一个发光二极管LED、一个二极管D、第一电阻R，还包括第一电容C1，其连接关系为：发光二极管LED和电阻R串联后第一与电容C1并联，并联后形成的第一网络再与二极管D同向串联，并形成发光器200；

由上可见第一网络为：发光管LED和电阻R串联后与电容C1并联，由于电容是隔直流，通交流，那么，第一网络在直流下，仍有单向导电的特征，直流电流能流出的一端为阴极，直流电流能流入或流进的一端为阳极。这样，就好理解第一网络再与二极管D同向串联，即要保证串联后仍具有单向导电性能。发光器与电感L并联时要确保所述的直流电源通过所述的第一电感对外供电的电流方向与所述的发光器的导通方向相反。

第五实施例共有四种接法，均可实现发明目的，图5-2示出了另一种第一网络再与二极管D同向串联的电路；第一发光二极管LED和第一电阻R串联也有两种方法。这里不一一示出。

第五实施例的发光器装入电路后，续流电流先经电容C1滤波，再经过限流电阻R给LED供电，这样LED获得平滑的直流电，发光管LED可以稳定地发光，没有高频电流成份，若LED走线较长时，走线就不会引起高频电流向空间辐射，从而也改善了本发明的辐射骚扰度，降低了EMI。

当把发光管LED换成光耦中的发光器时，光耦的输出电流也是稳定的信号，不会给后续的电路造成麻烦，当光耦的输出端的集电极接上拉电阻时，当电解电容CL接近不能使用的边缘时，光耦的输出端的集电极可以输出低电平；当光耦的输出端的发射极接下拉电阻时，当被测电容接近不能使用的边缘时，光耦的输出端的发射极可以输出高电平；通知后续的智能电路作出动作，如发出报警，或自动切换到另一路开关电源，或显示在屏幕上，还可以根据光耦的输出端输出电流的大小，给出开关电源失效的时长，从而提醒使用者进一步优先选择最佳的解决方案。

或保留发光管LED，在滤波电容C1的两端再并联一个第二网络，第二网络由第二电阻和光耦中的发光器LED2串联组成，这样，既可实现光提醒，也可实现高或低电平输出。

可见，第三实施例、第四实施例、第五实施例的发光器接入本发明的电路中，同样实现发明目的。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，如在第一二极管中也串入电阻，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围，这里不再用实施例赘述，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (8)

1.一种纹波电流产生电路，包括直流电源、第一电感、一无损纹波电流发生器，以及连接被测电容两只引脚的输出端子，包括正端子与负端子，所述的直流电源的输出有正极和负极，所述的无损纹波电流发生器至少包括一脉宽调制控制电路；

所述的输出端子和所述的电感串联后与所述的直流电源并联；

所述的无损纹波电流发生器和所述的输出端子并联，用于产生纹波电流，且把产生纹波电流时消耗的电能量无损地返回给直流电源或所述的被测电容；

所述的脉宽调制控制电路的最大占空比小于0.5；

还包括一发光器,其特征是：发光器具有两个端子，具有单向导电的性能，所述的发光器与所述的第一电感并联，且确保所述的直流电源通过所述的第一电感对外供电的电流方向与所述的发光器的导通方向相反。

2.根据权利要求1所述的纹波电流产生电路，其特征在于：所述的发光器为发光二极管。

3.根据权利要求1所述的纹波电流产生电路，其特征在于：所述的发光器为一个发光二极管和一个二极管同向串联。

4.根据权利要求1所述的纹波电流产生电路，其特征在于：所述的发光器为一个发光二极管、一个二极管、和第一电阻同向串联。

5.根据权利要求1所述的纹波电流产生电路，其特征在于：所述的发光器包括一个发光二极管、一个二极管、第一电阻，还包括第一电容，其连接关系为：所述的发光二极管和所述的电阻串联后与所述的第一电容并联，并联后形成的第一网络再与所述的二极管同向串联。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的纹波电流产生电路，其特征在于：还包括第二电阻，所述的发光二极管两端并联所述的第二电阻。

7.根据权利要求2至5中任一项所述的纹波电流产生电路，其特征在于：还包括第二电容，所述的第二电容与所述的直流电源并联。

8.根据权利要求2至5中任一项所述的纹波电流产生电路，其特征在于：所述的发光二极管为光耦中的发光器。