CN105915049A - Dcm升压变换器输出电容esr和c的监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种DCM升压变换器输出电容ESR和C的监测装置及方法。该装置包括Boost变换器主功率电路、驱动电路、显示单元和信号处理模块，其中信号处理模块包括功率电路控制单元、开关频率f_s计算单元、占空比D计算单元、输出电压触发采样单元、电容ESR和C计算单元；该方法为通过检测开关管的PWM驱动脉冲信号，经占空比D计算单元得到占空比，经开关频率f_s计算单元得到变换器的开关频率，输出电压触发采样单元一方面检测输出电压平均值，另一方面触发采样得到输出电压的瞬时值，将上述数据送入电容ESR和C计算单元，得到Boost变换器中输出滤波电容当前ESR和C的值。本发明无需电流传感器，不影响变换器的正常工作，为电容和电源的寿命预测提供依据。

Description

DCM升压变换器输出电容ESR和C的监测装置及方法

技术领域

本发明属于电能变换装置中的监测技术领域，特别是一种DCM升压变换器输出电容ESR和C的监测装置及方法。

背景技术

由于效率高、体积小等优点，开关电源在日常生产生活中应用十分广泛。一般而言，为了得到较为稳定的输出电压，必须采用电容有效滤除高频噪声。变换器工作一段时间之后，电容的容值(Capacitance,C)和等效串联电阻(Equivalent Series Resistance,ESR)会发生变化，与初电容值C和阻值ESR相比，当该变化量较大时，即可认为该电容已失效，电容的失效将会造成电源和系统的运行故障。降压(Buck)、升压(Boost)、升降压(Buck-Boost)变换器是三种最基本的开关电源变换器，其他的变换器均可以由这三种变换器衍变而来。其中，DCM Boost变换器在直流电动机、PFC功率因数校正电路以及直流电源等领域广泛使用，因此监测DCM Boost变换器的输出滤波电容的ESR和C，预测其寿命非常重要，但是现有技术无法实时监测等效串联电阻ESR和电容的容值C的变化，因此不能对电解电容和电源的寿命进行准确预测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种DCM升压变换器输出电容ESR和C的监测装置及方法，能够实时监测等效串联电阻ESR和电容的容值C的变化，对电解电容和电源的寿命进行准确预测。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种DCM升压变换器输出电容ESR和C的监测装置包括Boost变换器主功率电路、驱动电路、显示单元和信号处理模块，所述信号处理模块包括功率电路控制单元、开关频率f_s计算单元、占空比D计算单元、输出电压触发采样单元、电容ESR和C计算单元；

所述Boost变换器主功率电路包括输入电压源V_in、开关管Q_b、续流二极管D_b、滤波电感L、输出滤波电容和负载R_L，所述输出滤波电容包括等效串联电阻ESR和电容C，其中滤波电感L的一端与电压源V_in的正极连接，滤波电感L的另一端分别与开关管Q_b的漏极及续流二极管D_b的阳极连接，开关管Q_b的源极与电压源V_in的负极连接，续流二极管D_b的阴极分别与等效串联电阻ESR的一端以及负载R_L的一端连接，等效串联电 阻ESR的另一端与电容C的一端连接，电容C的另一端及负载R_L的另一端均与电压源V_in的负极连接，负载R_L两端为输出电压v_o；

所述功率电路控制单元的输入端分别与Boost变换器主功率电路的电压源V_in和输出电压v_o连接，功率电路控制单元输出端的PWM信号分别接入开关频率f_s计算单元和占空比D计算单元，Boost变换器主功率电路的输出电压v_o和功率电路控制单元输出端的PWM信号均接入输出电压触发采样单元，开关频率f_s计算单元、占空比D计算单元、输出电压触发采样单元的输出端均接入电容ESR和C计算单元，电容ESR和C计算单元的输出端接入显示单元；

所述驱动电路的输入端与功率电路控制单元输出端的PWM信号连接，驱动电路的输出端接入开关管Q_b的栅极。

一种DCM升压变换器输出电容ESR和C的监测方法，包括以下步骤：

步骤1，在信号处理模块中创建功率电路控制单元、开关频率f_s计算单元、占空比D计算单元、输出电压触发采样单元、电容ESR和电容量C计算单元；

步骤2，信号处理模块的功率电路控制单元采集Boost变换器主功率电路的输出电压V_o和输入电压V_in，得到PWM信号并经驱动电路驱动开关管Q；

步骤3，功率电路控制单元输出的PWM信号送入开关频率f_s计算单元和占空比D计算单元，经开关频率f_s计算单元处理得出变换器当前的开关频率f_s，经占空比D计算单元处理得出变换器当前的占空比D；

步骤4，功率电路控制单元输出的PWM信号和Boost变换器主功率电路的输出电压v_o同时送入输出电压触发采样单元，经输出电压触发采样单元处理得到PWM信号上升沿时刻对应的瞬时输出电压v_o(0)、PWM信号上升沿和下降沿之间的中点时刻对应的瞬时输出电压v_o(DT_s/2)和输出电压的平均值V_o；

步骤5，将得到的开关频率f_s、占空比D、以及PWM信号上升沿时刻对应的瞬时输出电压v_o(0)、PWM信号上升沿和下降沿之间的中点时刻对应的瞬时输出电压v_o(DT_s/2)和输出电压的平均值V_o送入电容ESR和C计算单元进行综合处理，得到Boost变换器中输出滤波电容当前等效串联电阻ESR和电容C的值；

步骤6，电容ESR和C计算单元将所得的等效串联电阻ESR和电容C的值送入显示单元实时显示。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)不影响变换器的正常工作；(2)在线 监测电容的ESR和C值，为电容和电源的寿命预测提供依据；(3)无需电流传感器及其辅助电路检测电容电流，减小了参数监测的难度。

附图说明:

图1是DCM Boost变换器开关周期中的工作波形。

图2是DCM升压变换器输出电容ESR和C的监测方法示意图。

其中：V_in--输入电压，I_in--输入电流，i_L--电感电流，i_C--电容电流，I_o--输出电流，v_o--输出电压，V_o--输出电压平均值，Q_b--开关管，D_b--二极管，L--电感，C--输出滤波电容值，ESR--等效串联电阻值，R_L--负载，V_gs--开关管Q_b的驱动电压，D--占空比，t--时间，T_s--变换器开关周期，f_s--变换器开关频率，ΔI_L--电感电流纹波峰峰值，v_ESR--等效串联电阻上的电压，v_C--电容上的电压。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作出进一步详细说明。

本发明设计一种在线监测工作于电感电流断续模式(DCM)的升压(Boost)变换器输出滤波电容ESR和C的装置及方法。

1、理论推导：

图1为DCM Boost变换器开关周期中的工作波形。当开关管Q_b导通时，二极管D_b截止，电感L两端的电压为V_in，其电感电流i_L以V_in/L的斜率线性上升。当二极管D_b关断时，电感电流i_L通过二极管D_b续流，此时电感L两端的电压为V_in-V_o，电感电流i_L以(V_in-V_o)/L的斜率下降。由于Boost变换器工作在DCM模式，因此在开关周期结束前，电感电流i_L下降到零。电感电流i_L在一个开关周期内的平均值即为输出电流I_o。电容电流i_L的表达式为：

由伏秒平衡得：

V_inDT_s＝(V_o-V_in)D_RT_s

求得：

电容电流为电感电流减去输出电流平均值，其表达式为：

输出电流为：

其中V_in为输入电压，V_o为输出电压平均值，L为电感值，f_s为Boost变换器的开关频率，D为开关管的占空比，T_s为Boost变换器的开关周期,t为时间，I_o为电感电流在一个开关周期内的平均值。

i_C在C和ESR上的压降分别为v_C(t)和v_ESR(t)，等效串联电阻ESR上的电压v_ESR(t)波形与电容电流i_C(t)波形形状一致，其表达式为：

电容电压v_C(t)与电容电流i_C(t)的关系如下式：

其中V_C(0)为零时刻对应的电容电压。

显然，等效串联电阻ESR上的电压直流分量为0，即v_ESR(t)在开关周期内的平均值为0，因此，将式(3)在变换器的一个开关周期T_s内求平均值，即为输出电压平均值V_o，如下式所示：

由式可(4)得：

电容电压v_C(t)与等效串联电阻ESR电压v_ESR(t)的合成电压即为输出电压瞬时值v_o(t)，根据式(2)、式(3)和式(5)，可得：

v_o(t)＝v_ESR(t)+v_C(t)

去除直流平均值V_o可得输出电压的交流分量如下：

0时刻和DT_s/2时刻，输出电压的交流分量分别为：

根据式(8)、式(9)可得：

式中，ESR为等效串联电阻的阻值，C为电容的容值，L为电感值，f_s为变换器开关频率，T_s为变换器开关周期，V_o为输出电压平均值，D为变换器的占空比，v_o(0)为PWM信号上升沿时刻对应的瞬时输出电压，为PWM信号上升沿和下降沿之间的中点时刻对应的瞬时输出电压。

基于式(11)，可以得到DCM Boost变换器输出滤波电容ESR和C的监测方法。

2、本发明DCM升压变换器输出电容ESR和C的监测装置及方法

结合图2，本发明DCM升压变换器输出电容ESR和C的监测装置，包括Boost变换器主功率电路1、驱动电路3、显示单元8和信号处理模块，所述信号处理模块包括功率电路控制单元2、开关频率f_s计算单元4、占空比D计算单元5、输出电压触发采样单元6、电容ESR和C计算单元7；

所述Boost变换器主功率电路1包括输入电压源V_in、开关管Q_b、续流二极管D_b、滤波电感L、输出滤波电容和负载R_L，所述输出滤波电容包括等效串联电阻ESR和电容C，其中滤波电感L的一端与电压源V_in的正极连接，滤波电感L的另一端分别与开关管Q_b的漏极及续流二极管D_b的阳极连接，开关管Q_b的源极与电压源V_in的负极连接，续流二极管D_b的阴极分别与等效串联电阻ESR的一端以及负载R_L的一端连接，等效串 联电阻ESR的另一端与电容C的一端连接，电容C的另一端及负载R_L的另一端均与电压源V_in的负极连接，负载R_L两端为输出电压v_o；

所述功率电路控制单元2的输入端分别与Boost变换器主功率电路1的电压源V_in和输出电压v_o连接，功率电路控制单元2输出端的PWM信号分别接入开关频率f_s计算单元4和占空比D计算单元5，Boost变换器主功率电路1的输出电压v_o和功率电路控制单元2输出端的PWM信号均接入输出电压触发采样单元6，开关频率f_s计算单元4、占空比D计算单元5、输出电压触发采样单元6的输出端均接入电容ESR和C计算单元7，电容ESR和C计算单元7的输出端接入显示单元8；所述驱动电路3的输入端与功率电路控制单元2输出端的PWM信号连接，驱动电路3的输出端接入开关管Q_b的栅极。所述信号处理模块为DSP芯片TMS320F28335；所述显示单元(8)为1602液晶显示屏。

基于本发明DCM升压变换器输出电容ESR和C的监测装置的监测方法，包括以下步骤：

步骤1，在信号处理模块中创建功率电路控制单元2、开关频率f_s计算单元4、占空比D计算单元5、输出电压触发采样单元6、电容ESR和电容量C计算单元7；

步骤2，信号处理模块的功率电路控制单元2采集Boost变换器主功率电路1的输出电压v_o和输入电压V_in，得到PWM信号并经驱动电路3驱动开关管Q；

步骤3，功率电路控制单元2输出的PWM信号送入开关频率f_s计算单元4和占空比D计算单元5，经开关频率f_s计算单元4处理得出变换器当前的开关频率f_s，经占空比D计算单元5处理得出变换器当前的占空比D；

步骤4，功率电路控制单元2输出的PWM信号和Boost变换器主功率电路1的输出电压v_o同时送入输出电压触发采样单元6，经输出电压触发采样单元6处理得到PWM信号上升沿时刻对应的瞬时输出电压v_o(0)、PWM信号上升沿和下降沿之间的中点时刻对应的瞬时输出电压v_o(DT_s/2)和输出电压的平均值V_o；

步骤5，将得到的开关频率f_s、占空比D、以及PWM信号上升沿时刻对应的瞬时输出电压v_o(0)、PWM信号上升沿和下降沿之间的中点时刻对应的瞬时输出电压v_o(DT_s/2)和输出电压的平均值V_o送入电容ESR和C计算单元7进行综合处理，根据公式(11)得到Boost变换器中输出滤波电容当前电容C的值，根据公式(12)得到Boost变换器中输出滤波电容当前等效串联电阻ESR的值；

步骤6，电容ESR和C计算单元7将所得的等效串联电阻ESR和电容C的值送入显示单元8实时显示。

本发明针对DCM Boost变换器的输出滤波电容，设计出一种高效稳定的输出滤波电容等效串联电阻ESR和电容C的在线监测装置及方法，该方法可以在不影响电路正常工作的情况下对电容的参数ESR和C进行监测，为电容和电源的寿命预测提供依据，并且无需电容电流检测部分，方便实现，具有重要的实际应用价值。

Claims (5)

1.一种DCM升压变换器输出电容ESR和C的监测装置，其特征在于，包括Boost变换器主功率电路(1)、驱动电路(3)、显示单元(8)和信号处理模块，所述信号处理模块包括功率电路控制单元(2)、开关频率f_s计算单元(4)、占空比D计算单元(5)、输出电压触发采样单元(6)、电容ESR和C计算单元(7)；

所述Boost变换器主功率电路(1)包括输入电压源V_in、开关管Q_b、续流二极管D_b、滤波电感L、输出滤波电容和负载R_L，所述输出滤波电容包括等效串联电阻ESR和电容C，其中滤波电感L的一端与电压源V_in的正极连接，滤波电感L的另一端分别与开关管Q_b的漏极及续流二极管D_b的阳极连接，开关管Q_b的源极与电压源V_in的负极连接，续流二极管D_b的阴极分别与等效串联电阻ESR的一端以及负载R_L的一端连接，等效串联电阻ESR的另一端与电容C的一端连接，电容C的另一端及负载R_L的另一端均与电压源V_in的负极连接，负载R_L两端为输出电压v_o；

所述功率电路控制单元(2)的输入端分别与Boost变换器主功率电路(1)的电压源V_in和输出电压v_o连接，功率电路控制单元(2)输出端的PWM信号分别接入开关频率f_s计算单元(4)和占空比D计算单元(5)，Boost变换器主功率电路(1)的输出电压v_o和功率电路控制单元(2)输出端的PWM信号均接入输出电压触发采样单元(6)，开关频率f_s计算单元(4)、占空比D计算单元(5)、输出电压触发采样单元(6)的输出端均接入电容ESR和C计算单元(7)，电容ESR和C计算单元(7)的输出端接入显示单元(8)；

所述驱动电路(3)的输入端与功率电路控制单元(2)输出端的PWM信号连接，驱动电路(3)的输出端接入开关管Q_b的栅极。

2.根据权利要求1所述的DCM升压变换器输出电容ESR和C的监测装置，其特征在于，所述信号处理模块为DSP芯片TMS320F28335。

3.根据权利要求1所述的DCM升压变换器输出电容ESR和C的监测装置，其特征在于，所述显示单元(8)为1602液晶显示屏。

4.一种DCM升压变换器输出电容ESR和C的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在信号处理模块中创建功率电路控制单元(2)、开关频率f_s计算单元(4)、占空比D计算单元(5)、输出电压触发采样单元(6)、电容ESR和电容量C计算单元(7)；

步骤2，信号处理模块的功率电路控制单元(2)采集Boost变换器主功率电路(1)的输出电压V_o和输入电压V_in，得到PWM信号并经驱动电路(3)驱动开关管Q；

步骤3，功率电路控制单元(2)输出的PWM信号送入开关频率f_s计算单元(4)和占空比D计算单元(5)，经开关频率f_s计算单元(4)处理得出变换器当前的开关频率f_s，经占空比D计算单元(5)处理得出变换器当前的占空比D；

步骤4，功率电路控制单元(2)输出的PWM信号和Boost变换器主功率电路(1)的输出电压v_o同时送入输出电压触发采样单元(6)，经输出电压触发采样单元(6)处理得到PWM信号上升沿时刻对应的瞬时输出电压v_o(0)、PWM信号上升沿和下降沿之间的中点时刻对应的瞬时输出电压v_o(DT_s/2)和输出电压的平均值V_o；

步骤5，将得到的开关频率f_s、占空比D、以及PWM信号上升沿时刻对应的瞬时输出电压v_o(0)、PWM信号上升沿和下降沿之间的中点时刻对应的瞬时输出电压v_o(DT_s/2)、输出电压的平均值V_o送入电容ESR和C计算单元(7)进行综合处理，得到Boost变换器中输出滤波电容当前等效串联电阻ESR和电容C的值；

步骤6，电容ESR和C计算单元(7)将所得的等效串联电阻ESR和电容C的值送入显示单元(8)实时显示。

5.根据权利要求4所述的DCM升压变换器输出电容ESR和C的监测方法，其特征在于，步骤5中所述ESR和C计算单元(7)综合处理的公式如下：

$C=\frac{{V_{in}}^2{D}^3}{4{\mathrm{Lf}}_s^2(V_o-V_{in})\[{\tilde{v}}_o\left(0\right)-{\tilde{v}}_o\left(\frac{{\mathrm{DT}}_s}{2}\right)\]}$

$ESR=\[-\frac{2{\mathrm{Lf}}_s(V_o-V_{in})}{{V_{in}}^2{D}^3}+\frac{4{\mathrm{Lf}}_s(3V_o-2V_{in})}{3{V_{in}}^2{D}^2}\]\[{\tilde{v}}_o\left(0\right)-{\tilde{v}}_o\left(\frac{{\mathrm{DT}}_s}{2}\right)\]-\frac{2{\mathrm{Lf}}_s(V_o-V_{in})}{{V_{in}}^2{D}^2}{\tilde{v}}_o\left(0\right)$

式中，ESR为等效串联电阻的阻值，C为电容的容值，L为电感值，f_s为变换器开关频率，T_s为变换器开关周期，V_o为输出电压平均值，D为变换器的占空比，v_o(0)为PWM信号上升沿时刻对应的瞬时输出电压，为PWM信号上升沿和下降沿之间的中点时刻对应的瞬时输出电压。