CN107153137A - Dcm升压变换器电感及输出电容的监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种DCM升压变换器电感及输出电容的ESR和C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、参数已知的并联输出电容、电流互感隔离放大单元、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fs计算单元、占空比D计算单元、输出电压采样单元、电容电流触发采样单元、电容ESR和C计算单元。本发明可以在不影响电路正常工作的情况下对电感的参数L以及电容的参数ESR和C进行监测，为电容和电源的寿命预测提供依据，无需额外参数，方便实现。
Description
技术领域
本发明属于电能变换装置中的监测技术领域，特别是涉及一种DCM升压变换器电感及输出电容的监测装置及方法。
背景技术
开关电源具有效率高、体积小等优点，在日常生产生活中广泛应用。为了得到较为稳定的输出电压，一般需要利用电容来滤除高频噪声。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，当该变化量较大时，即认为该电容已失效，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(Continuous Current Mode，电流连续模式)Boost变换器在计算机电源、通讯电源、航空航天等领域广泛使用，因此监测DCMBoost变换器的输出滤波电容的ESR和C的其寿命非常重要。现有的技术主要可分为离线监测技术和在线监测技术，离线检测技术使用方法简单，成本低，但一般只监测独立于电路外的电容，而在线检测技术可以检测在电路中处于工作状态的电容，但使用方法复杂，且需要知晓电路中的许多其他参数。在现实生活中，大部分电容都是处于工作状态，所以在线检测更具有实用性，为了弥补在线监测技术需要其他参数的缺点，本发明提出了一种准在线检测的技术，可以在Boost变换器电感值未知的情况下监测出输出电容的参数。
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，当容值减小为初始值的80％，或ESR增大为初始值的2-3倍时，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(Continuous Current Mode，电流连续模式)Boost变换器在计算机电源、通讯电源、航空航天等领域广泛使用，因此监测DCM Boost变换器的输出滤波电容的ESR和C的其寿命非常重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种DCM升压变换器电感及输出电容的监测装置及方法，能够实时监测电感的感值L以及等效串联电阻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、参数已知的并联输出电容、电流互感隔离放大单元、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fs计算单元、占空比D计算单元、输出电压采样单元、电容电流触发采样单元、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Vin、开关管Qb、续流二极管Db、滤波电感L、输出滤波电容和负载RL，所述输出滤波电容包括等效串联电阻ESR和电容C，其中，电压源Vin的正极与电感L的一端连接，电感L的另一端与开关管Qb的漏极和续流二极管Db的阳极连接，续流二极管Db的阴极分别与等效串联电阻ESR的一端及负载RL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、开关管Qb的源极及负载RL的另一端均与电压源Vin的负极连接，负载RL与参数已知的并联输出电容并联，其两端为输出平均电压Vo；
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Vin和输出平均电压Vo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fs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平均电压Vo接入输出电压采样单元，电流互感隔离放大单元和功率电路控制单元输出端的PWM信号均接入电容电流触发采样单元，开关频率fs计算单元、占空比D计算单元、输出电压采样单元和电容电流触发采样单元的输出端都接入电容ESR和C计算单元，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Qb的门极。
基于上述DCM升压变换器电感及输出电容的监测装置的检测方法，包括以下步骤：
步骤1：在输出端并联上一个参数已知的电容，在信号处理模块中创建功率电路控制单元、开关频率fs计算单元、占空比D计算单元、输出电压采样单元、电容电流触发采样单元、电感L以及电容ESR和C计算单元；
步骤2：Boost变换器主功率电路的输出平均电压Vo送入输出电压采样单元，得到输出电压的平均值；
步骤3：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平均电压Vo和输入电压Vin，得到PWM信号并经驱动电路驱动开关管Qb；
步骤4：功率电路控制单元输出的PWM信号送入开关频率fs计算单元和占空比D计算单元，经开关频率fs计算单元处理得出变换器当前的开关频率fs，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5：功率电路控制单元输出的PWM信号和电流互感隔离放大单元的电容电流ix送入电容电流触发采样单元，通过延时程序处理对电容电流等DTs/10间隔采样，得到电容电流的瞬时值ix(DTs)、ix[(Ts-DTs)/10+DTs]、ix[(Ts-DTs)/5+DTs]、ix[3(Ts-DTs)/10+DTs]、ix[2(Ts-DTs)/5+DTs]、ix[(Ts-DTs)/2+DTs]、ix[3(Ts-DTs)/5+DTs]、ix[7(Ts-DTs)/10+DTs]、ix[4(Ts-DTs)/5+DTs]、ix[9(Ts-DTs)/10+DTs]、ix(Ts)共11个值；
步骤6：将得到的开关频率fs、占空比D、输出电压的平均值Vo以及电容电流的瞬时值ix(DTs)、ix[(Ts-DTs)/10+DTs]、ix[(Ts-DTs)/5+DTs]、ix[3(Ts-DTs)/10+DTs]、ix[2(Ts-DTs)/5+DTs]、ix[(Ts-DTs)/2+DTs]、ix[3(Ts-DTs)/5+DTs]、ix[7(Ts-DTs)/10+DTs]、ix[4(Ts-DTs)/5+DTs]、ix[9(Ts-DTs)/10+DTs]、ix(Ts)送入电感L以及电容ESR和C计算单元进行曲线拟合和综合处理，得到Boost变换器中电感L的值以及输出滤波电容当前等效串联电阻ESR和电容C的值；
步骤7：电感L以及电容ESR和C计算单元将所得的电感L以及等效串联电阻ESR和电容C的值送入显示单元实时显示。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：本发明针对DCM升压变换器的电感和输出滤波电容，设计出一种高效稳定的电感L以及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感的参数L以及电容的参数ESR和C进行监测，为电容和电源的寿命预测提供依据，无需额外参数，方便实现。
附图说明：
图1是DCM升压变换器开关周期中的工作波形图。
图2是本发明DCM升压变换器电感L以及输出电容ESR和C的监测装置的结构示意图。
其中：Vin-输入电压，Iin-输入电流，iL-电感电流，iC-电容电流，iCx-并联电容电流，Io-输出电流，Vo-输出电压平均值，Qb-开关管，Db-二极管，L-电感，C-输出滤波电容值，ESR-等效串联电阻值，Cx-并联电容的电容值，ESRx-并联电容的等效串联电阻值，RL-负载，Vgs-开关管Qb的驱动电压，D-占空比，t-时间，fs-变换器开关频率，ΔIL-电感电流纹波峰峰值，vESR-等效串联电阻上的电压，vC-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给出进一步详细说明。
1、理论推导：
图1为DCM升压变换器开关周期中的工作波形。当开关管Qb导通时，电源向电感充电，其电感电流iL以Vin/L的斜率线性上升，同时电容向负载供电。当开关管关断时，电源和电感同时向电容充电，并向负载提供能量，此时电感电流iL以(Vin-Vo)/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iL已经下降到零。
电感电流iL在一个周期中的表达式如下：
其中Vin为输入电压，Vo为输出电压平均值，L为电感值，fs为Boost变换器的开关频率，D为开关管的占空比，DR为二极管续流的占空比，t为时间。
可以假设：
b1＝-Io (4)
可得，两电容的电流和iC+iCx的表达式为：
两电容的电压表达式分别为：
由于两电容并联，则两电容电压相等：
vC(t)＝vCx(t) (10)
当D≤t/TS＜(D+DR)时，
由式(11)求导可得：
分别对公式(12)等号两边做Laplace变换可得：
化简可得：
对式(14)等号做Laplace逆变换可得：
其中：
根据采样得到的11个并联电容电流值可以做出拟合曲线，得到X1、X2、X3和iCx(0)。
把式(4)、(5)代入(17)、(18)、(19)可得：
式中：L为电感的感值，ESR为等效串联电阻的阻值，C为电容的容值，fs为变换器开关频率，Vin为输入电压平均值，Vo为输出电压平均值，D为变换器的占空比，ESRx为所并联电容的等效串联电阻的阻值，Cx为所并联电容的容值，X1、X2、X3为拟合曲线的参数。
基于公式(17)、(18)、(19)，可以得到DCM升压变换器电感L以及输出滤波电容ESR和C的监测方法。
2、本发明DCM升压变换器电感及输出电容的监测装置及方法
结合图2，本发明DCM升压变换器电感及输出电容的监测装置，包括Boost变换器主功率电路1、驱动电路3、显示单元8、参数已知的电容7、电流互感隔离放大单元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fs计算单元4、占空比D计算单元5、输出电压采样单元6、电容电流触发采样单元9、电感L以及电容ESR和C计算单元10；
如图2所示，所述Boost变换器主功率电路1包括输入电压源Vin、开关管Qb、续流二极管Db、滤波电感L、输出滤波电容和负载RL，所述输出滤波电容包括等效串联电阻ESR和电容C，其中，电压源Vin的正极与电感L的一端连接，电感L的另一端与开关管Qb的漏极及续流二极管Db的阳极连接，续流二极管Db的阴极分别与等效串联电阻ESR的一端及负载RL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、开关管Qb的源极及负载RL的另一端均与电压源Vin的负极连接，负载RL与参数已知的并联输出电容7并联，其两端为输出平均电压Vo。
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Vin和输出平均电压Vo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fs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的输出平均电压Vo接入输出电压采样单元6，电流互感隔离放大单元8和功率电路控制单元2输出端的PWM信号均接入电容电流触发采样单元9，开关频率fs计算单元4、占空比D计算单元5、输出电压采样单元6和电容电流触发采样单元9的输出端均接入电容ESR和C计算单元7，电感L以及电容ESR和C计算单元10的输出端接入显示单元11；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Qb的门极。所述信号处理模块为DSP芯片TMS320F28335；所述显示单元11为1602液晶显示屏。
基于本发明DCM升压变换器电感及输出电容的监测装置的监测方法，包括以下步骤：
步骤1：在输出端并联上一个参数已知的电容7，在信号处理模块中创建功率电路控制单元2、开关频率fs计算单元4、占空比D计算单元5、输出电压采样单元6、电容电流触发采样单元9、电感L以及电容ESR和C计算单元10；
步骤2：Boost变换器主功率电路的输出平均电压Vo送入输出电压采样单元，得到输出电压的平均值；
步骤3：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平均电压Vo和输入电压Vin，得到PWM信号并经驱动电路驱动开关管Qb；
步骤4：功率电路控制单元输出的PWM信号送入开关频率fs计算单元和占空比D计算单元，经开关频率fs计算单元处理得出变换器当前的开关频率fs，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5：功率电路控制单元2输出的PWM信号和电流互感隔离放大单元8的电容电流ix送入电容电流触发采样单元9，通过延时程序处理对电容电流等DTs/10间隔采样，得到电容电流的瞬时值ix(DTs)、ix[(Ts-DTs)/10+DTs]、ix[(Ts-DTs)/5+DTs]、ix[3(Ts-DTs)/10+DTs]、ix[2(Ts-DTs)/5+DTs]、ix[(Ts-DTs)/2+DTs]、ix[3(Ts-DTs)/5+DTs]、ix[7(Ts-DTs)/10+DTs]、ix[4(Ts-DTs)/5+DTs]、ix[9(Ts-DTs)/10+DTs]、ix(Ts)共11个值；
步骤6：将得到的开关频率fs、占空比D、输出电压的平均值Vo以及电容电流的瞬时值ix(DTs)、ix[(Ts-DTs)/10+DTs]、ix[(Ts-DTs)/5+DTs]、ix[3(Ts-DTs)/10+DTs]、ix[2(Ts-DTs)/5+DTs]、ix[(Ts-DTs)/2+DTs]、ix[3(Ts-DTs)/5+DTs]、ix[7(Ts-DTs)/10+DTs]、ix[4(Ts-DTs)/5+DTs]、ix[9(Ts-DTs)/10+DTs]、ix(Ts)送入电感L以及电容ESR和C计算单元10进行曲线拟合和综合处理，得到Boost变换器中电感L的值以及输出滤波电容当前等效串联电阻ESR和电容C的值；
所述L、ESR和C计算单元(10)曲线拟合方程如下：
求得X1、X2、X3和iCx(0)后，所述L、ESR和C计算单元(10)对拟合曲线进行综合处理，得到Boost变换器中电感L的值以及输出滤波电容当前等效串联电阻ESR和电容C的值，具体公式如下：
式中，L为电感的感值，ESR为等效串联电阻的阻值，C为电容的容值，fs为变换器开关频率，Vin为输入电压平均值，Vo为输出电压平均值，D为变换器的占空比，ESRx为所并联电容的等效串联电阻的阻值，Cx为所并联电容的容值，X1、X2、X3为拟合曲线的参数。
步骤7：电感L以及电容ESR和C计算单元10将所得的电感L以及等效串联电阻ESR和电容C的值送入显示单元11实时显示。
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)、参数已知的并联输出电容(7)、电流互感隔离放大单元(8)、显示单元(11)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fs计算单元(4)、占空比D计算单元(5)、输出电压采样单元(6)、电容电流触发采样单元(9)、电容ESR和C计算单元(10)；
所述Boost变换器主功率电路(1)包括输入电压源Vin、开关管Qb、续流二极管Db、滤波电感L、输出滤波电容和负载RL，所述输出滤波电容包括等效串联电阻ESR和电容C，其中，电压源Vin的正极与电感L的一端连接，电感L的另一端与开关管Qb的漏极、续流二极管Db的阳极连接，续流二极管Db的阴极分别与等效串联电阻ESR的一端及负载RL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、开关管Qb的源极及负载RL的另一端均与电压源Vin的负极连接，负载RL与参数已知的并联输出电容(7)并联，其两端为输出平均电压Vo；
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Vin和输出平均电压Vo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fs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)的输出平均电压Vo接入输出电压采样单元(6)，电流互感隔离放大单元(8)和功率电路控制单元(2)输出端的PWM信号均接入电容电流触发采样单元(9)，开关频率fs计算单元(4)、占空比D计算单元(5)、输出电压采样单元(6)和电容电流触发采样单元(9)的输出端均接入电容ESR和C计算单元(10)，计算单元(10)的输出端接入显示单元(11)；
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Qb的门极。
2.根据权利要求1所述的DCM升压变换器电感及输出电容的监测装置，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升压变换器电感及输出电容的监测装置，其特征在于，所述显示单元(11)为1602液晶显示屏。
4.一种DCM升压变换器电感L以及输出电容ESR和C的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在输出端并联上一个参数已知的电容(7)，在信号处理模块中创建功率电路控制单元(2)、开关频率fs计算单元(4)、占空比D计算单元(5)、输出电压采样单元(6)、电容电流触发采样单元(9)、电感L以及电容ESR和C计算单元(10)；
步骤2：Boost变换器主功率电路(1)的输出平均电压Vo送入输出电压采样单元(6)，得到输出电压的平均值；
步骤3：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)的输出平均电压Vo和输入电压Vin，得到PWM信号并经驱动电路(3)驱动开关管Qb；
步骤4：功率电路控制单元(2)输出的PWM信号送入开关频率fs计算单元(4)和占空比D计算单元(5)，经开关频率fs计算单元(4)处理得出变换器当前的开关频率fs，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5：功率电路控制单元(2)输出的PWM信号和电流互感隔离放大单元(8)的电容电流ix送入电容电流触发采样单元(9)，通过延时程序处理对电容电流等DTs/10间隔采样，得到电容电流的瞬时值ix(DTs)、ix[(Ts-DTs)/10+DTs]、ix[(Ts-DTs)/5+DTs]、ix[3(Ts-DTs)/10+DTs]、ix[2(Ts-DTs)/5+DTs]、ix[(Ts-DTs)/2+DTs]、ix[3(Ts-DTs)/5+DTs]、ix[7(Ts-DTs)/10+DTs]、ix[4(Ts-DTs)/5+DTs]、ix[9(Ts-DTs)/10+DTs]、ix(Ts)共11个值；
步骤6：将得到的开关频率fs、占空比D、输出电压的平均值Vo以及电容电流的瞬时值ix(DTs)、ix[(Ts-DTs)/10+DTs]、ix[(Ts-DTs)/5+DTs]、ix[3(Ts-DTs)/10+DTs]、ix[2(Ts-DTs)/5+DTs]、ix[(Ts-DTs)/2+DTs]、ix[3(Ts-DTs)/5+DTs]、ix[7(Ts-DTs)/10+DTs]、ix[4(Ts-DTs)/5+DTs]、ix[9(Ts-DTs)/10+DTs]、ix(Ts)送入电感L以及电容ESR和C计算单元(10)进行曲线拟合和综合处理，得到Boost变换器中电感L的值以及输出滤波电容当前等效串联电阻ESR和电容C的值；
步骤7：电感L以及电容ESR和C计算单元(10)将所得的电感L以及等效串联电阻ESR和电容C的值送入显示单元(11)实时显示。
5.根据权利要求4所述的DCM升压变换器电感L以及输出电容ESR和C的监测方法，其特征在于，步骤6中所述L、ESR和C计算单元(10)曲线拟合方程如下：
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求得X1、X2、X3和iCx(0)后，所述L、ESR和C计算单元(10)对拟合曲线进行综合处理，得到Boost变换器中电感L的值以及输出滤波电容当前等效串联电阻ESR和电容C的值，具体公式如下：
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式中，L为电感的感值，ESR为等效串联电阻的阻值，C为电容的容值，fs为变换器开关频率，Vin为输入电压平均值，Vo为输出电压平均值，D为变换器的占空比，ESRx为所并联电容的等效串联电阻的阻值，Cx为所并联电容的容值，X1、X2、X3为拟合曲线的参数。
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