CN108549039A - 一种开关电源纹波测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开关电源纹波测量电路，使用高速比较器和高精度DAC，实现了高频情况下的高精度纹波测量，控制器通过检测高速比较器输出脉冲信号的有无及宽度，判定DAC的输出值与纹波信号峰值或谷值的关系，并据此调整DAC的输出，当控制器恰好检测不到比较器的脉冲信号时，得到纹波信号的峰值或谷值，将二者相减得到纹波电压值。相较于直接使用高速ADC采样方案，本电路能大幅降低纹波测量的成本，且测量的误差较低。同时进纹波信号的峰值测量和谷值测量，将结果相减得到峰峰值，消除了DAC的偏移误差。在高通滤波器环节增加了保护电路，提高了测试系统的安全性。

Description

一种开关电源纹波测量电路

技术领域

本发明涉及电源测试技术领域，尤其是涉及一种开关电源纹波测量电路。

背景技术

由于开关电源特有的斩波机制，其输出电压存在纹波。纹波电压对运放、滤波、A/D变换等电路都会产生影响，例如，纹波会在设备中产生不期望的谐波，降低电源的效率；产生浪涌电压或电流，烧毁用电设备；干扰数字电路的逻辑关系，影响其正常工作；带来噪音干扰，使图像、音响设备不能正常工作等。在设计控制设备、电子仪器、摄像机等电子产品时都要尽量减小纹波。因此，准确地测量电源纹波，是选择电源系统或设计抑制纹波电压电路来满足电子系统性能指标的重要前提。

开关电源有着功耗小，效率高的优点，因而被广泛使用。但开关电源为系统提供能量的同时，也引入了较大的开关纹波。随着开关电源元件老化，其输出电压纹波逐渐增大，影响用电设备的正常工作。此外，开关电源的健康状况主要由输出端滤波铝电解电容决定，而铝电解电容的ESR随老化过程不断升高，导致输出纹波增大。因此准确测量纹波电压，也可以间接获取电源系统的健康状况。这对开关电源系统的寿命预测以及故障诊断，具有重要意义。

目前存在的纹波测量方案有：示波器测量，毫伏表测量，电压有效值测量，基于信号调理的ADC测量，以及基于高速ADC的测量。以上方案或携带不便，或精度不高，或成本高昂，未被广泛应用于工业测量场合。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种开关电源纹波测量电路。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种开关电源纹波测量电路，包括峰值测量电路和谷值测量电路，所述峰值测量电路包括高通滤波器、DAC、基准电压源、比较器件和控制器，所述高通滤波器的输入端连接开关电源的输出端，所述比较器件的输入端分别连接所述高通滤波器和DAC的输出端，所述比较器件的输出端和DAC的输入端都连接所述控制器，所述基准电压源连接所述DAC；

所述谷值测量电路在所述峰值测量电路的结构基础上，还包括负压产生电路，所述负压产生电路设于所述DAC的输出端与比较器件的输入端之间；

所述控制器通过检测比较器件的输出值判定DAC的输出值与纹波信号的峰值或谷值的关系，再通过反馈算法不断调节DAC的输出值，使比较器件的两个输入端信号的最大值或最小值相等，从而得到纹波信号的峰值或谷值，将二者相减得到纹波电压值。

优选的，所述比较器件为比较器。

优选的，所述比较器为高速比较器。

优选的，所述比较器件为高速运算放大器。

优选的，所述负压产生电路为减法电路，所述减法电路的输入端分别连接所述基准电压源和DAC的输出端。

优选的，所述负压产生电路为电压反向电路。

优选的，所述反馈算法包括：通过边沿触发采集比较器的输出脉冲边沿，使用二分法逐次逼近目标电压值，直至控制器恰好无法捕获比较器的输出脉冲信号为止。

优选的，所述反馈算法包括：通过输入捕获方式采集比较器的输出脉冲宽度，根据所采集的脉冲宽度初次计算并改变DAC的输出值，随后在误差范围内缓慢增大DAC的输出值，直至控制器恰好无法捕获比较器的输出脉冲信号为止。

优选的，所述峰值测量电路和谷值测量电路共用高通滤波器、DAC和基准电压源中的一个或多个。

优选的，所述控制器为单片机、FPGA或CPLD。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、使用高速比较器和高精度DAC，实现了高频情况下的高精度纹波测量，控制器通过检测高速比较器输出脉冲信号的有无及宽度，判定DAC的输出值与纹波信号峰值或谷值的关系，并据此调整DAC的输出，当控制器恰好检测不到比较器的脉冲信号时，得到纹波信号的峰值或谷值，相较于直接使用高速ADC采样方案，本电路能大幅降低纹波测量的成本，且测量的误差较低。

2、同时进纹波信号的峰值测量和谷值测量，将结果相减得到峰峰值，消除了DAC的偏移误差(offset error)。

3、在高通滤波器环节增加了保护电路，提高了测试系统的安全性。

附图说明

图1为本发明中带保护的高通滤波器的电路示意图；

图2为本发明中边沿触发方式反馈算法的控制流程图；

图3为本发明中输入捕获方式反馈算法的控制流程图；

图4为本发明中高速比较器的最小响应时间误差示意图；

图5为本发明中减法电路的示意图；

图6为实施例中高通滤波器的电路示意图；

图7为实施例中比较器TL3116及其外围电路图；

图8为实施例中DAC8162及其外围电路图；

图9为实施例中基准电压源REF2125及其外围电路图；

图10为实施例中峰值测量电路的结构示意图；

图11为实施例中谷值测量电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种开关电源纹波测量电路，包括峰值测量电路和谷值测量电路，分别用于测量纹波信号的峰值和谷值，将二者相减后得到峰峰值，即纹波电压值。

峰值测量电路包括高通滤波器、数字模拟转换器(DAC)、基准电压源、比较器件和控制器，高通滤波器的输入端连接开关电源的输出端，比较器件的输入端分别连接高通滤波器和DAC的输出端，比较器件的输出端和DAC的输入端都连接控制器，基准电压源连接DAC。

谷值测量电路在峰值测量电路的结构基础上，还包括负压产生电路，负压产生电路设于DAC的输出端与比较器件的输入端之间。负压产生电路可以为减法电路、反向电路或是其他电路，用于得到一个与DAC输出相关的负压。采用减法电路时，减法电路的输入端分别连接基准电压源和DAC的输出端。

高通滤波器电路用于滤除原始信号的高压直流分量。为承受高压直流，该电路为无源高通滤波器电路，如RC滤波电路。同时考虑到过压，接入瞬间的浪涌，以及隔直电容在测试夹断开后的电荷泄放等问题，需要在高通滤波器中增加保护器件。一种带保护的高通滤波器电路如图1所示。

图1中C1、R3构成高通滤波器，D1为双向保护二极管，D1、R2构成了过压保护电路，防止测量电路接到待测电路瞬间，待测电路的直流高压耦合到比较器件的输入端，损坏比较器件。R1用于提供电流泄放回路，防止测试仪断开后C1电压无法释放造成安全隐患。

纹波测量电路中的比较器件可以为高速比较器或高速运算放大器，在被测周期信号频率较低时，也可采用一般比较器。

控制器为单片机(MCU)、FPGA或CPLD。

峰值测量电路和谷值测量电路既可独立设计，也可共用高通滤波器、DAC和基准电压源中的一个或多个。

本电路可用于周期信号的峰峰值测量，其工作原理为：控制器通过检测比较器件的输出值判定DAC的输出值与纹波信号的峰值或谷值的关系，再通过反馈算法不断调节DAC的输出值，使比较器件的两个输入端信号的最大值或最小值相等，从而得到纹波信号的峰值或者谷值。

当比较器件为比较器时，反馈算法包括两种：

一、如图2所示，通过边沿触发采集比较器的输出脉冲边沿，使用二分法逐次逼近目标电压值，即每次尝试改变一个比特位的值，根据脉冲边沿触发情况判定当前值与目标电压值的关系，循环N次(N为DAC的位数)，即可使DAC的输出收敛到目标值，此时控制器恰好无法捕获比较器的输出脉冲信号。

二、如图3所示，先通过输入捕获方式采集比较器的输出脉冲宽度，根据所采集的脉冲宽度初次计算并改变DAC的输出值，此时DAC输出已接近目标值，为避免超调，随后在误差范围内缓慢增大DAC的输出值，直至控制器恰好无法捕获比较器的输出脉冲信号为止。

测量误差是测量装置最重要的评价指标，有必要对其进行周详、细致的分析。本测量电路的误差包括高通滤波器误差、DAC误差、比较器件误差、负压产生电路误差、基准电压源误差等，以比较器件为高速比较器为例分析误差如下。

1、高通滤波器误差

设高通滤波器的频率响应为G(jw)，合理设置滤波器参数，可使滤波器的转折频率远低于w₀，其中w₀为开关频率，即纹波频率。故G(jw)≈1，即误差可以忽略不计。但由于后级高速比较器有输入阻抗，保护二极管也有寄生电容，故在考虑寄生参数的前提下，高通滤波器误差为：

其中，C₁为高通滤波器的电容值，C_i为高速比较器的输入阻抗，C_s为保护二极管的寄生电容。

该误差为常数，可根据理论分析或实物测量获取误差值，并据此进行软件校正。

2、DAC误差

DAC可以将数字量转化为模拟量，其转化精度受到DAC分辨率的限制，此外还存在积分非线性、微分非线性等误差，具体数值需查阅相应的器件手册。DAC误差为：

其中，N为DAC位数，K为DAC的有效值(以LSB为单位)，选型确定以后，查阅器件手册获取该值，δ_l为DAC的其他误差，选型确定以后，查阅器件手册获取该值。

3、高速比较器误差

在高速比较器频谱范围内，其主要误差可认为等于输入失调电压(input offsetvoltage)。对低于比较器响应时间的信号，视为完全不响应。如图4所示，t_min为高速比较器的最小响应时间，因此产生的误差为δ_c。

将纹波信号近似视为三角波，则最小响应时间误差为：

则比较器误差为：

其中δ_cf为比较器的输入失调电压，选型确定以后，查阅器件手册获取该值。

4、负压产生电路误差

为获得负压，可以使用减法电路。该电路包含一个运算放大器和四个电阻，如图5所示。该误差可认为等于电阻误差的合成运放的失调误差：

其中，δ_r为单个电阻的误差，δ_af为运算放大器的输入失调误差，选型确定以后，查阅器件手册获取该值。

5、基准电压源误差

查阅所选用的基准电压源芯片手册，获取基准电压源误差，记为δ₅。

6、总误差

测量电路的总误差为：

实施例

本实施例中，峰值测量电路和谷值测量电路共用一个高通滤波器、DAC、基准电压源和控制器，控制器采用单片机芯片。

本实施例的高通滤波器如图6所示，C1、C2、R4、R5构成一个二阶高通滤波器，需要选择合适的参数，使得输入信号的高频成分可以无衰减通过滤波器。R1提供C1的电荷泄放通路，当输入断开时，C1经R1、R4放电，否则C1将保留高电压，若此时使用者接触测试夹子，可能导致触电。D1为双向保护二极管，主要考虑到测试仪刚接触待测电源时，由于此时C1、C2两端电压为零，若没有保护二极管D1，待测电源的高压将直接击穿高速比较器，造成不可挽回的损坏。故在电路中加入D1，以在接入瞬间起过压保护作用，以及消除过大纹波对测试仪的不良影响。选择C1＝100nF、C2＝100nF、R4＝100k、R5＝100k，此时滤波器对于1kHz以上的频率几乎无衰减，可以在滤除直流信号的同时，完整保留纹波信息。

比较器件采用高速比较器，必须满足以下几个条件：

①带宽足够高，以减小最小响应时间误差；

②输入失调电压尽量小，以减小相关误差；

③必须同时支持正负电压的比较，以实现峰值测量与谷值测量；

④输出电压为单极性，方便MCU进行信号处理。

根据以上要求，选择TI公司的TL3116高速比较器，其特点为：

①10ns的超高速响应时间；

②可选择5V单电源或5V双电源供电；

③两路互补输出；

④低偏置电压(常温下最大偏置电压3mV)；

⑤无压摆率要求；

⑥低至12.7mA的供电电流。

该芯片完全符合要求，故可用于本电路中。由于该芯片输出电压5V，为与3.3V的STM32F405RGT6电路相容，故TL3116的输出脉冲经电阻分压至3.3V，实际电路如图7所示。

本实施例中，DAC选用TI公司的DAC8162t，该DAC的特点为：

①14位分辨率；

②支持双路输出；

③远离零点时，最大误差为3LSB；

④最大4mV的零码误差；

⑤支持50M的SPI通信。

该芯片的外围电路如图8所示。

DAC8162t的内置基准源精度为0.2％，温漂为10ppm/℃，为实现更高的精度和更低的温漂，测量电路中选择REF2125作为外置的2.5V基准源，其精度为0.05％，温漂为6ppm/℃，性能更为优异，其外围电路如图9所示。

本实施例中选用STM32F405RGT6作为控制器的主芯片，其主频以及高级定时器的频率为168M，足以捕获TL3116发出的100M的高速脉冲。此外其内置了SPI控制器，便于与DAC8162t进行通信；该芯片内置的USART、CAN控制器也便于系统的功能扩展。为实现纹波测量的实时显示，本电路选用低功耗的128*64OLED液晶屏，使用IIC协议通信，供电电压3.3V，与STM32F405RGT6的供电电压一致。

测量电路中，为提高安全系数，在高通滤波器中，隔直电容选用高耐压的安规电容。为与示波器的探头兼容，数据输入选用BNC接口。为节省开发时间，供电部分使用12V转±5V的HDW5-12D05A1模块，并采用低压差的线性稳压器降低其纹波，减少干扰。

峰值测量电路和谷值测量电路分别如图10和图11所示，为方便理解，图中用标号①～④表示电路各节点的经典波形。图10中，①为电路的输入信号即开关电源的输出信号，是直流电压叠加一个纹波信号；②为输入信号经高通滤波器的输出，输入信号中的直流电压被滤除，仅剩下纹波信号；③为DAC的输出，在单次反馈调节过程中，可认为是直流信号；④为信号②和③经高速比较器后得到的输出，一般为脉冲信号。

MCU检测高速比较器输出的脉冲信号，反馈调整DAC的输出。当MCU恰好无法捕获脉冲信号时，说明DAC输出恰好等于纹波峰值，读取此时的DAC输出，即得到纹波电压的峰值。

图11中，①为电路的输入信号即开关电源的输出信号，是直流电压叠加一个纹波信号；②为输入信号经高通滤波器的输出，输入信号中的直流电压被滤除，仅剩下纹波信号；③为DAC的输出减去基准电压源输出的参考信号后的值，该值在单次反馈调节过程中可认为是直流信号，且其电压小于零；④为信号②和③经高速比较器后得到的输出，一般为脉冲信号。

MCU检测高速比较器输出的脉冲信号，反馈调整DAC的输出。当MCU恰好无法捕获脉冲信号时，说明节点③的电压恰好等于纹波谷值，读取此时的DAC输出，并减去参考电压，即得到纹波电压的谷值。

根据图10和图11中所述电路，得到纹波电压的峰值和谷值，二者相减，得到峰峰值，即纹波电压值。

根据本实施例所选器件，可以确定各模块误差如下：

高通滤波器衰减误差：

若DAC输出不在零点附近(输出大于20mV)，则其误差简化为：

若纹波的频率为100k，则比较器部分误差为：

减法电路误差为：

基准电压源误差为：

δ₅＝0.05％

考虑到峰值测量和谷值测量都在高速比较器引入了绝对误差，故总误差为：

一般情况下，比较器部分误差仅为0.5mV，公式中采用的3mV为最糟糕的情况。此外，若使用一定的方式校准比较器误差，绝对误差可以大幅减少。

Claims (10)

1.一种开关电源纹波测量电路，其特征在于，包括峰值测量电路和谷值测量电路，所述峰值测量电路包括高通滤波器、DAC、基准电压源、比较器件和控制器，所述高通滤波器的输入端连接开关电源的输出端，所述比较器件的输入端分别连接所述高通滤波器和DAC的输出端，所述比较器件的输出端和DAC的输入端都连接所述控制器，所述基准电压源连接所述DAC；

所述谷值测量电路在所述峰值测量电路的结构基础上，还包括负压产生电路，所述负压产生电路设于所述DAC的输出端与比较器件的输入端之间；

所述控制器通过检测比较器件的输出值判定DAC的输出值与纹波信号的峰值或谷值的关系，再通过反馈算法不断调节DAC的输出值，使比较器件的两个输入端信号的最大值或最小值相等，从而得到纹波信号的峰值或谷值，将二者相减得到纹波电压值。

2.根据权利要求1所述的一种开关电源纹波测量电路，其特征在于，所述比较器件为比较器。

3.根据权利要求2所述的一种开关电源纹波测量电路，其特征在于，所述比较器为高速比较器。

4.根据权利要求1所述的一种开关电源纹波测量电路，其特征在于，所述比较器件为高速运算放大器。

5.根据权利要求1所述的一种开关电源纹波测量电路，其特征在于，所述负压产生电路为减法电路，所述减法电路的输入端分别连接所述基准电压源和DAC的输出端。

6.根据权利要求1所述的一种开关电源纹波测量电路，其特征在于，所述负压产生电路为电压反向电路。

7.根据权利要求2所述的一种开关电源纹波测量电路，其特征在于，所述反馈算法包括：通过边沿触发采集比较器的输出脉冲边沿，使用二分法逐次逼近目标电压值，直至控制器恰好无法捕获比较器的输出脉冲信号为止。

8.根据权利要求2所述的一种开关电源纹波测量电路，其特征在于，所述反馈算法包括：通过输入捕获方式采集比较器的输出脉冲宽度，根据所采集的脉冲宽度初次计算并改变DAC的输出值，随后在误差范围内缓慢增大DAC的输出值，直至控制器恰好无法捕获比较器的输出脉冲信号为止。

9.根据权利要求1所述的一种开关电源纹波测量电路，其特征在于，所述峰值测量电路和谷值测量电路共用高通滤波器、DAC和基准电压源中的一个或多个。

10.根据权利要求1所述的一种开关电源纹波测量电路，其特征在于，所述控制器为单片机、FPGA或CPLD。