CN110542796B

CN110542796B - 测量电解电容和esr的简易装置

Info

Publication number: CN110542796B
Application number: CN201910561955.7A
Authority: CN
Inventors: 陈杰楠; 姚凯; 杨坚; 马春伟; 张震; 邬程健; 管婵波; 李凌格
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2019-06-26
Filing date: 2019-06-26
Publication date: 2021-11-09
Anticipated expiration: 2039-06-26
Also published as: CN110542796A

Abstract

本发明提供了一种测量电解电容和ESR的简易装置，包括正弦波发生器、直流电源、待测电容、四个参数已知的功率负载高频无感电阻、采样电路、触发电路和数字信号处理器DSP。正弦波发生装置产生的正弦波加上直流偏置后接入待测电容和功率负载电阻的串联电路中。通过调节正弦波发生电路的参数可以得到一定幅值下的100Hz和100kHz的正弦波信号，首先通过测量负载电阻上的某一时刻电压值来进行功率负载电阻的切换，接着通过测量负载电阻上的某两时刻电压值即可计算得到电容在100Hz下的电容值和100kHz下的等效串联电阻值ESR。

Description

测量电解电容和ESR的简易装置

技术领域

本发明涉及一种电能变换装置中的测量技术，特别是一种测量电解电容和ESR的简易装置。

背景技术

近年来，电力电子技术的发展十分迅速。随着理论与技术的不断完善，其应用也愈发广泛。它广泛的应用于工业、交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调等家用电器及其他领域也有着广泛的应用。电力电子系统及设备的应用正影响着人们生活的方方面面。同时，伴随着电力电子系统及设备的广泛应用，其可靠性也开始受到越来越多的关注。

铝电解电容具有电容值大、耐压高、成本低的特点。因而，常以储能元件被广泛地应用于各种电力电子系统中。但是，铝电解电容又是电力电子系统中最易发生失效进而导致系统故障的元器件。研究表明，与电力电子设备或系统中的其他元器件相比，由于铝电解电容失效进而造成的电路工作故障的概率超过60%。作为影响电力电子系统使用寿命和性能的关键元器件，铝电解电容的性能和寿命的检测是十分有必要的。通过对铝电解电容的性能参数的检测，可以在电路故障发生之前及时更换电容。由此，可以减少电路故障的发生，延长系统的使用寿命。铝电解电容有两个重要的性能参数，即等效串联电阻（Equivalent Series Resistance, ESR）和电容值（Capacitance, C）。通常情况下，电容制造商会提供铝电解电容在100kHz时的等效串联电阻ESR和100Hz时的电容值C的初始值。采用某种测量手段得到ESR和C的值之后，利用铝电解电容的失效判据和寿命模型，比较这两个参数的测量值与初始值的变化量就可以对电容的寿命进行预估以及判断电容是否失效。因此本发明提出了一种测量电解电容C和ESR的简易装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量电解电容和ESR的简易装置。

实现本发明目的的技术方案为：一种测量电解电容和ESR的简易装置，包括正弦波发生电路1、直流电压源2、待测电容3、功率负载电阻4、采样电路5、触发电路6和数字信号处理器DSP；所述的正弦波产生电路1包括第一运算放大器A ₁、正反馈网络的第一电容C ₁、第一电阻R ₁、第二电容C ₂、第五电阻R ₅，负反馈网络的反馈电阻R _f、第二电阻R ₂、第三电阻R ₃、第四电阻R ₄、第一稳压二极管D _Z1、第二稳压二极管D _Z2，其中正反馈网络中的第一电容C ₁和第一电阻R ₁分别以并联的方式进行连接同时兼做选频网络，第二电容C ₂和电阻R ₅串联且与第一电容C ₁和第一电阻R ₁构成串并联结构，第二电容C ₂连接第一运算放大器A ₁的正向输入端且电阻R ₅另一端连接放大器的输出端，第一电容C ₁和电阻R ₁并联时一端连接第一运算放大器A ₁的正向输入端且另一端连接零电位参考点，负反馈网络中R ₂的一端与第一运算放大器A ₁的负向输入端连接且另一端连接参考电位零点，反馈电阻R _f的一端与第一运算放大器A ₁的负向输入端连接且另一端连接第三电阻R ₃，第四电阻R ₄、第一稳压二极管D _Z1、第二稳压二极管D _Z2并联连接构成负反馈网络中的稳幅环节且一端和第三电阻R ₃连接且另一端和第一运算放大器A ₁的输出端连接；所述的直流电压源2的正向端与待测电容3的正极连接，负向端与第一运算放大器A ₁输出端连接，所述的待测电容3包括电容C _m及其等效串联电阻ESR，其中电容C _m和等效串联电阻ESR串联后一端与直流电压源2的正向端连接；所述的功率负载电阻4包括若干阻值不同的电阻且每一电阻一端设置端点通过开关与选频网络连接且每一电阻另一端与等效串联电阻ESR另一端连接；采样电路5包括第二放大器A ₂、第一比较器comp1，等效串联电阻ESR上的电压送入第二运算放大器A ₂组成的放大电路，第二运算放大器A ₂的输出端与第一比较器comp1的同相输入端相连，第一比较器comp1的输出再通过一个电阻R ₁₄和电容C ₃并联的组合接地且经过由D ₂和D ₃组成的限幅电路送进DSP；触发电路6包括第三运算放大器A ₃、第四运算放大器A ₄、第五运算放大器A ₅，一个乘法器Multiplier和第二比较器comp ₂、第三比较器comp ₃、第四比较器comp ₄，正弦波产生电路1产生的输入电压v _in送入第三运算放大器A ₃，第三运算放大器A ₃的输出端与第二比较器comp ₂的同相输入端相连，第二比较器comp ₂的反相输入端经第十八电阻R ₁₈接地且输出端与第一D触发器的CLK引脚相连，第三运算放大器A ₃的输出端还连接乘法器Multiplier的两个输入端，乘法器Multiplier的输出端通过第四电容C ₄和第十九电阻R ₁₉组成的滤波网络与第四运算放大器A ₄的同相输入端相连，第四运算放大器A ₄的负向输入端与第三比较器comp ₃的同相输入端相连，第三比较器comp ₃的反相输入端经第二十电阻R ₂₀接地且输出端与第二D触发器的CLK引脚相连，第四运算放大器A ₄的负向输入端还要送入第五运算放大器A ₅，第五运算放大器A ₅的输出再与第四比较器comp ₄的同相输入端相连，第四比较器comp ₄的反相输入端经第二十三电阻R ₂₃接地且输出端与第三D触发器的CLK引脚相连，第一D触发器、第二D触发器、第三D触发器输出送进DSP。

进一步地，功率负载电阻4包括阻值为0.1Ω的第六电阻R ₆，阻值为1Ω的第七电阻R ₇，阻值为10Ω的第八电阻R ₈，阻值100Ω的第九电阻R ₉。

与现有技术相比，本发明的显著优点为：（1）可准确测量电容的ESR和C值；（2）电路结构简单；（3）成本低。

下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。

附图说明

图1是电容测量装置的电路结构图。

图2是电容测量装置的主电路简化示意图。

图3是不同阻值情况下采样电压随电解电容的电容值变化曲线示意图。

图4是采样电压随ESR和R的变化曲线示意图。

图5是低频时Ts/4时刻采样电压随电容值变化情况示意图。

图6是高频时Ts/4时刻采样电压随ESR变化情况示意图。

图7是离线测量方案软件设计流程示意图。

具体实施方式

一定频率和幅值正弦波的关键是RC串并联选频网络，其频率特性如下：

（1）

其中，

是选频的输出电压，

是选频的输出电压。

整理后，可得：

（2）

令

，可得：

（3）

将式(3)代入式(2)，可得：

（4）

幅频特性为：

（5）

相频特性为：

（6）

即当

时，输出的电压幅值最大，并且输出电压是输入电压的1/3，同时输出电压与输出电压相同。该RC串并联选频网络，通过改变R、C的取值，可得到100Hz和100kHz频率下的信号。同时，还要为RC串并联选频网络匹配一个电压放大倍数等于3（即输入电压与输出电压相同且放大倍数的值为3）的放大电路即可构成正弦波振荡电路，放大倍数可以通过调节滑动变阻器R _f的值来实现，放大倍数的表达式为：

（7）

为了便于分析，将正弦波发生电路简化为正弦波信号，得到电容测量装置的简化示意图，如图2所示，根据测量电路写出电路达到稳态之后的KVL方程：

（8）

在上述方程中，V _c为铝电解电容的初始值；i(t)为测量电路中流过的电流；R为采样电阻；ESR为铝电解电容的等效串联电阻；C为铝电解电容的纯电容部分；V _m为激励信号幅值。

对式(8)进行求导之后可得：

（9）

对式(9)进行拉普拉斯变换之后，可以得到表达式：

（10）

对式(10)进行化简得到i(t)的频域表达式：

（11）

对I(S)进行反拉普拉斯变换，得到i(t)的时域表达式，电流i(t)由两部分组成，包括指数衰减部分和正弦振荡部分。

（12）

（13）

（14）

根据式(8)可以得到：

（15）

利用t和V _c之间的关系式：

（16）

求出以ESR和C表示的V _c的表达式：

（17）

将其代入式(12)、(13)和(14)后化简得到回路电流的表达式：

（18）

进而可以得到功率负载电阻4上电压，功率以及铝电解电容两端的电压：

（19）

（20）

（21）

通过对功率负载电阻4电压表达式的观察，发现功率负载电阻4上的电压的表达式(19)中仅有ESR和C两个未知量。为了求解ESR和C这两个未知量，则需要采样两个时刻的功率负载电阻4上电压值，并通过方程组求解出结果。

低频时，电容的容抗远大于其等效串联电阻。为了简化分析，在之后的低频测量电容的分析中忽略ESR的影响。

在忽略ESR影响之后，表达式(18)-(21)可以改写为：

（22）

（23）

（24）

（25）

利用式(23)可以得到采样电压在不同功率负载电阻4阻值的情况下随电解电容的电容值变化情况，如图3所示。（以Ts/8时刻为例）

通过图3可以观察到各个阻值下功率负载电阻4上的电压随电容值的变化情况。可以观察到功率负载电阻4上的电压随电容变化的曲线上存在极大值点。该极值点随着功率负载电阻4的阻值的增大而左移，且极大值大小不变。利用式(19)进行求导计算，可以得到该极大值点与采样时刻θ的关系。

当电容的取值满足：

（26）

取到极大值：

（27）

由式(26)和(27)可知，该极值点仅与采样时刻有关。利用此极值点进一步划分电容的测量范围，选择合适的功率负载电阻4。得到功率负载电阻4大小与对应的电容值的范围，待测电容3容值在10μF到100μF时，功率负载电阻4取100Ω；待测电容3容值在100μF到1000μF时，功率负载电阻4取10Ω；待测电容3容值在1000μF到10000μF时，功率负载电阻4取1Ω，。

求解ESR时，需将测量电路的工作频率定为100kHz。电路工作在高频状态。ESR的典型值从10mΩ到1Ω。高频情况下，电容的容抗很小。此时，电容容抗小于ESR。对大电容的电解电容而言，其容抗甚至远小于ESR。

根据式(19)可以得到功率负载电阻4上电压在不同阻值情况下随ESR的变化情况（以Ts/8时刻为例）。如图4所示。

由图4可知，当功率负载电阻4为1Ω时，采样电压在ESR为10mΩ到100mΩ的范围内变化很小。为了提高测量的准确性，在等效串联电阻较小时应减小功率负载电阻4值。在ESR为100mΩ到1Ω时，功率负载电阻4取为1Ω；在ESR为10mΩ到100mΩ时，功率负载电阻4取为0.1Ω。

确定电路的采样时刻为0时刻、T _s/8时刻以及T _s/4时刻。0时刻和T _s/8时刻为低频下的采样时刻。T _s/8时刻以及T _s/4时刻为高频下的采样时刻。

低频时，利用T _s/4时刻的电压信号，以V _R /V _m=0.25作为阈值，并且设定接入功率负载电阻4的顺序为阻值由大到小（如图5）。当采集的电压信号小于阈值时，选择切换功率负载电阻4大小。高频时，功率负载电阻4的投切方案设计与低频时的思路一致。并且，可以根据测得电容值预估ESR。利用T _s/4时刻的电压信号，选择V _R /V _m=0.5作为阈值，并且设定接入功率负载电阻4的顺序为阻值由大到小（如图6）。当采集的电压信号小于阈值时，选择切换功率负载电阻4大小。

低频时，电路的测量关注电容的电容值。利用关系式求出铝电解电容的电容值。根据功率负载电阻4上的电压表达式(19)可以得到0时刻和T _s/8时刻的电阻电压表达式：

（28）

（29）

将上面两个方程组成方程组求解得到铝电解电容的电容值的表达式：

（30）

在高频时，电路实现ESR的测量。利用采样电阻上的电压可以T _s/8时刻和T _s/4时刻的功率负载电阻4电压表达式：

（31）

（32）

将上面两个方程组成方程组求解可得到铝电解电容的等效串联电阻的表达式：

（33）

铝电解电容参数的测量除了需要硬件电路之外，还需要利用DSP芯片完成信号的采集、转换和计算。本方案采用型号为TMS320F28335的DSP芯片实现测量目标。结合从触发电路6和采样电路5获得的信号，设计DSP芯片的工作流程，实现测量目标。

DSP芯片的工作流程如图7所示。软件设计主要涉及DSP的ADC转换单元、输入输出模块GPIO及SCI模块。在系统上电、初始化、变量定义操作之后，利用输入输出模块采集三路触发信号。中断触发采用上升沿触发中断。产生中断之后，三路ADC对信号进行采样、转换及保存。将连续采样的8组信号取平均值后，利用表达式(30)、(33)求解C和ESR。结果送到显示屏显示。