CN111060837A - Dcdc变换器的输出电压合理性校验电路及方法 - Google Patents

Dcdc变换器的输出电压合理性校验电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种DCDC变换器的输出电压合理性校验电路及方法，该校验电路包括连接在DCDC变换器低压侧输出端之间的第一采样电路，以及连接在DCDC变换器低压侧输出端前级的滤波电路前端的第二采样电路，所述第一采样电路和第二采样电路均连接有微处理器。该校验方法为当DCDC变换器的工作模式为电压控制模式时，通过所述微处理器比较所述第一采样电路采集的第一采样电压信号与所述第二采样电路采集的第二采样电压信号的差值的绝对值是否在设定值范围内，以对DCDC变换器的输出电压合理性进行检验。本发明能够提高对输出电压诊断的覆盖率以及降低成本。

Description

DCDC变换器的输出电压合理性校验电路及方法
技术领域
本发明涉及汽车电子技术领域，特别涉及一种DCDC变换器的输出电压合理性校验电路及方法。
背景技术
在汽车电子技术领域中，DCDC变换器是为了实现高压侧电池和低压侧电池之间的能量转换，以给高压侧、低压侧的负载提供电能。
请参考图1，现有技术中提供一种隔离型DCDC变换器100，包括隔离单元130高压端和低压端，其中隔离单元130包括隔离变压器T。连接在隔离变压器T原边绕组由四个开关管Q1至Q4构成的移相全桥控制模块120以及连接在隔离变压器T副边绕组的全波整流电路140。请参考图1，隔离单元130，还可以包括串接在隔离变压器T原边绕组的第二电感L2，此时，移相全桥控制模块 120通过第二电感L2与隔离变压器T的原边绕组相连接。其中移相全桥控制模块120的输入端连接高压端，其中高压端正极H+和负极H-与移相全桥控制模块120之间包括由第零电感L0和第零电容C0构成的LC滤波电路110。全波整流电路140包括前级的开关管Q5和Q6和后级的由第一电感L1和第三电容C3 构成的LC滤波电路141。通过控制移相全桥控制模块120的交叉桥臂的开关管的移相角将能量由高压端向隔离变压器T传递，移相全桥控制模块120的输出与隔离变压器T的原边绕组相连，隔离变压器T通过中间抽头形成两个副边绕组分别连接全波整流电路140的两个开关管Q5和Q6，通过控制全波整流电路140中的两个开关管的控制端以控制两个开关管的开通和关断，实现隔离变压器T向低压端的能量传输，从而实现隔离型DCDC变换器高压侧电池到低压侧电池之间的能量转换。
请参考图3，现有技术中还提供一种车用低压非隔离型DCDC变换器，满足48V电池与12V电池之间的能量交换以及负载供电需求。该车用低压非隔离型DCDC变换器主要是由一个双向降压(Buck)-升压(Boost)电路组成，其包括连接在高压端正极H+与负极H-之间串接的第七开关管Q7和第八开关管 Q8，开关管Q7和Q8的公共交点通过由第一电感L1和第三电容C3构成的LC 滤波电路141输出。第三电容C3的两端为低压端正极B+和负极B-。当能量由高压端流向低压端时，双向DCDC转换器工作在Buck模式；能量由低压端流向高压端时，双向DCDC转换器工作在Boost工作模式。为了实现功率的升级，可以扩展为多相并联。DCDC变换器包括但不限于上述隔离型和非隔离型的技术方案。上述DCDC变换器中的开关管例如为金属氧化物半导体晶体管。
当DCDC变换器实现高压侧向低压侧负载供电且工作在电压控制模式时，在DCDC变换器低压侧输出端的输出电压信号为低压电压。该输出电压信号是 DCDC变换器通过闭环控制的反馈信号，该输出电压信号的质量，影响了车辆系统输出的稳定性和控制精度。基于上述DCDC变换器能否提供可信赖的输出电压信号对于DCDC变换器的稳定运行是至关重要的。为了获得可信赖的输出电压信号，在ISO26262规范中推荐的方法是对DCDC变换器低压侧输出端的输出电压信号的传感器范围进行诊断，或者对DCDC变换器低压侧输出端的输出电压信号进行合理性校验。该输出电压信号属于车载诊断系统(On Board Diagnosis，OBD)的检测信号，通常需要对该输出信号进行合理性校验。以上述隔离型和非隔离型的DCDC变换器的技术方案为例，对输出电压信号的合理性校验常用的方式有以下两种方法。方法一是直接对DCDC变换器低压侧输出端的输出电压信号通过硬件电路进行采样，经过微处理器的模数(AD)转换后，分两路比较两路AD转化的值，以对输出电压信号的合理性进行校验。其缺点在于，由于两种AD转化的方法完全相同，不能避免两个AD转换路径均无效的情况。请参考图2和图4，方法二是在DCDC变换器低压侧输出端增加一个功率开关器件S，DCDC变换器在待机以及正常运行时，通过检测功率开关器件S 前端ULv_Ins和后端电压ULv，以判断DCDC变换器低压侧输出端的输出电压信号是否合理。其缺点在于，由于需要额外增加功率开关器件，导致合理性检验电路的成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种DCDC变换器的输出电压合理性校验电路及方法，以提高对输出电压诊断的覆盖率以及降低成本。
为解决上述技术问题，本发明提供一种DCDC变换器的输出电压合理性校验电路，包括连接在DCDC变换器低压侧输出端之间的第一采样电路，以及连接在DCDC变换器低压侧输出端前级的滤波电路前端的第二采样电路，所述第一采样电路和第二采样电路均连接有微处理器。
进一步的，本发明提供的DCDC变换器的输出电压合理性校验电路，所述第一采样电路包括连接在DCDC变换器低压侧输出端正极与负极之间串接的第一电阻和第二电阻，所述DCDC变换器低压侧输出端负极接地，所述第一电阻和第二电阻的公共交点与地之间连接有第一电容，所述第一电阻和第二电阻的公共交点还连接所述微处理器的一个IO端口。
进一步的，本发明提供的DCDC变换器的输出电压合理性校验电路，所述第二采样电路包括连接在DCDC变换器低压侧输出端前级的滤波电路前端正极与负极之间串接的第三电阻和第四电阻，所述DCDC变换器低压侧输出端前级的滤波电路前端负极接地，所述第三电阻和第四电阻的公共交点与地之间连接有第二电容，所述第三电阻和第四电阻的公共交点还连接有所述微处理器的一个IO端口。
进一步的，本发明提供的DCDC变换器的输出电压合理性校验电路，所述滤波电路为LC滤波电路，包括串接在DCDC变换器低压侧输出端正极与其前级的滤波电路前端正极之间的第一电感，以及并接在DCDC变换器低压侧输出端正极与负极之间的第三电容。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种DCDC变换器的输出电压合理性校验方法，当DCDC变换器的工作模式为电压控制模式时，采用上述的DCDC 变换器的输出电压合理性校验电路，通过所述微处理器比较所述第一采样电路采集的第一采样电压信号与所述第二采样电路采集的第二采样电压信号的差值的绝对值是否在设定值范围内，以对DCDC变换器的输出电压合理性进行检验；当第一采样电压信号与第二采样电压信号的差值的绝对值在设定值范围内时，判断DCDC变换器的输出电压合理性为合理，否则为不合理。
进一步的，本发明提供的DCDC变换器的输出电压合理性校验方法，当 DCDC变换器的工作模式为限流模式时，不对DCDC变换器的输出电压合理性进行检验，将DCDC变换器的工作模式切换为电压控制模式后，对DCDC变换器的输出电压合理性进行检验。
进一步的，本发明提供的DCDC变换器的输出电压合理性校验方法，采用如上述的DCDC变换器的输出电压合理性校验电路，所述微处理器根据 ULv_measure＝G×ULv计算第一采样电路的第一采样电压信号，其中，ULv_measure为第一采样电压信号，ULv为DCDC变换器低压侧输出端电压信号平均值，在复数频域下第一采样电路的滤波传递函数为
Figure RE-GDA0002401944990000041
其中R1为第一电阻，R2为第二电阻，C1为第一电容，s为复数频域的变量。
进一步的，本发明提供的DCDC变换器的输出电压合理性校验方法，采用如上述的DCDC变换器的输出电压合理性校验电路，所述微处理器根据 UR_measure＝uR×GHW×GSW计算第二采样电路的第二采样电压信号，其中uR为DCDC 变换器低压侧输出端前级的滤波电路前端的电压信号，在复数频域下第二采样电路的滤波传递函数为
Figure RE-GDA0002401944990000042
微处理器的软件滤波传递函数为GSW＝ G/GHW，其中R3为第三电阻，R4为第四电阻，C2为第二电容，s为复数频域的变量。
进一步的，本发明提供的DCDC变换器的输出电压合理性校验方法，当 DCDC变换器低压侧输出端前级的滤波电路前端的电压信号uR为方波信号时，在半个开关周期内uR的平均值为UR＝UR_A×D，其中，uR的幅值为UR_A，uR的占空比为D。
进一步的，本发明提供的DCDC变换器的输出电压合理性校验方法，在复数频域下第二采样电路的滤波传递函数的采样周期小于2Tp，以采样半个开关周期内uR的平均值UR，其中Tp为一个开关周期。
本发明提供的DCDC变换器的输出电压合理性校验电路及方法，通过第二采样电路检测DCDC变换器低压侧输出端前级滤波电路前端的第二采样电压信号可以判断滤波电路是否失效，当输出端前级的滤波电路失效时，可以通过第二采样电路的第二采样电压信号进行识别，从而提高了DCDC变换器的输出电压合理性校验的诊断覆盖率。本发明的第二采样电路可以为公知技术中的任意硬件电路，与功率开关器件相比，具有成本低的优点。
附图说明
图1是现有的隔离型DCDC变换器的电路原理图；
图2是图1的隔离型DCDC变换器及其校验电路的原理图；
图3是现有的非隔离型DCDC变换器的电路原理图；
图4是图3的非隔离型DCDC变换器及其校验电路的原理图；
图5是现有的DCDC变换器低压侧输出端及其前级滤波电路的原理图；
图6至图7是本发明实施例的DCDC变换器的输出电压合理性校验电路的原理图；
图8是本发明实施例DCDC变换器的输出电压合理性校验电路的微处理器的内部结构示意图；
图9是电感电流在连续模式下的波形图；
图10是电感电流在断续模式下的波形图；
图11，本发明实施例的DCDC变换器的输出电压合理性校验方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
请参考图5至图7，本发明实施例提供一种DCDC变换器的输出电压合理性校验电路，包括连接在DCDC变换器低压侧输出端之间的第一采样电路210，以及连接在DCDC变换器低压侧输出端前级的滤波电路141前端的第二采样电路220，所述第一采样电路210和第二采样电路220均连接有微处理器230。
请参考图6，第一采样电路210包括连接在DCDC变换器低压侧输出端正极B+与负极B-之间串接的第一电阻R1和第二电阻R2，所述DCDC变换器低压侧输出端负极B-接地GND，所述第一电阻R1和第二电阻R2的公共交点与地 GND之间连接有第一电容C1，所述第一电阻R1和第二电阻R2的公共交点还连接所述微处理器230的一个IO端口。
请参考图7，第二采样电路220包括连接在滤波电路141前端正极A+与负极A-之间串接的第三电阻R3和第四电阻R4，所述DCDC变换器低压侧输出端前级的滤波电路141前端负极A-接地GND，所述第三电阻R3和第四电阻R4的公共交点与地GND之间连接有第二电容C2，所述第三电阻R3和第四电阻R4的公共交点还连接有所述微处理器230的一个IO端口。
本发明上述实施例及图6和图7中的第一采样电路210和第二采样电路220 均为串接电阻分压结构，但不限于上述实施例中的两个电阻串接构成的分压结构，还可以是任意多个电阻串接构成分压结构，其分压值满足微处理器230的 IO端口允许接收的电压范围即可。
请参考图5，本发明实施例提供的DCDC变换器的输出电压合理性校验电路，所述滤波电路141包括但不限于LC滤波电路141，还可以是例如CLC等公知技术的滤波电路。该LC滤波电路141包括串接在DCDC变换器低压侧输出端正极B+与其前级的滤波电路141前端正极A+之间的第一电感L1，以及并接在DCDC变换器低压侧输出端正极B+与负极B-之间的第三电容C3。
请参考图11，本发明实施例还提供一种DCDC变换器的输出电压合理性校验方法，该检验方法基于上述实施例中的DCDC变换器的输出电压合理性校验电路，包括以下步骤：当DCDC变换器的工作模式为电压控制模式时，通过 DCDC变换器的输出电压合理性校验电路中的微处理器230比较所述第一采样电路210采集的第一采样电压信号ULv_measure与所述第二采样电路220采集的第二采样电压信号UR_measure的差值的绝对值是否在设定值范围内，以对DCDC变换器的输出电压合理性进行检验。即判断|UR_measure-ULv_measure|<δ，其中δ为预设值，可以是一定值，也可以是一区间值。当第一采样电压信号ULv_measure与第二采样电压信号UR_measure的差值的绝对值在设定值范围内时，判断DCDC变换器的输出电压合理性为合理，即正常或者无故障，否则为不合理，即为故障。
本发明实施例提供的DCDC变换器的输出电压合理性校验方法，当DCDC 变换器的工作模式为限流模式时，不对DCDC变换器的输出电压合理性进行检验，即不校验，不诊断。将DCDC变换器的工作模式切换为电压控制模式后，对DCDC变换器的输出电压合理性进行检验。
请参考图6，本发明实施例提供的DCDC变换器的输出电压合理性校验方法，微处理器230根据以下公式(1)计算第一采样电路210的第一采样电压信号ULv_measure。
ULv_measure＝G×ULv (1)
其中，ULv_measure为第一采样电压信号，ULv为DCDC变换器低压侧输出端电压信号平均值，在复数频域下第一采样电路210的滤波传递函数为
Figure RE-GDA0002401944990000071
其中s为复数频域的变量。
请参考图7，本发明实施例提供的DCDC变换器的输出电压合理性校验方法，微处理器230根据以下公式(2)计算第二采样电路220的第二采样电压信号UR_measure。
UR_measure＝uR×GHW×GSW (2)
其中uR为DCDC变换器低压侧输出端前级的滤波电路141前端的电压信号，在复数频域下第二采样电路220的滤波传递函数为
Figure RE-GDA0002401944990000081
微处理器230的软件滤波传递函数为GSW＝G/GHW，其中s为复数频域的变量，G为复数频域下第一采样电路210的滤波传递函数。
上述第一采样电路210和第二采样电路220中的第一电容C1和第二电容C2均起到稳压滤波的作用。
本发明实施例提供的DCDC变换器的输出电压合理性校验方法，为了满足上述合理性校验的要求，对uR信号的采样电路的需求如下：
(1)uR硬件滤波电路要求
请参考图9和图10，考虑到DCDC变换器在电压控制模式的传输功率，根据电感电流波形可分为电感电流连续(CCM)和电感电流断续两种模式(DCM)。当DCDC变换器低压侧输出端前级的滤波电路141前端的电压信号uR为方波信号时，在半个开关周期内uR的平均值为UR＝UR_A×D，其中，uR的幅值为UR_A， uR的占空比为D。为了采样半个开关周期内uR的平均值UR，在复数频域下第二采样电路220的滤波传递函数GHW的采样周期小于2Tp，其中Tp为一个开关周期。
(2)uR软件滤波电路要求
为了满足UR_measure＝ULv_measure，uR软件滤波需要满足GSW＝G/GHW，其中GSW由微处理器230的软件滤波单元232进行软件滤波。
请参考图8，微处理器230包括模数转换单元231和软件滤波单元232。在计算第一采样电压信号ULv_measure时，第一采样电路210的输出端进入微处理器 230后，要将模拟信号转换为数字信号，然后根据上述公式(1)进行计算第一采样电压信号ULv_measure。在计算第二采样电压信号UR_measure时，第二采样电路 220的输出端进入微处理器230后，首先经过模数转换单元231将模拟信号转换为数字信号后，通过软件滤波单元232进行软件滤波，然后根据上述公式(2) 计算第二采样电压信号UR_measure。即计算第二采样电压信号UR_measure时，不仅包括硬件滤波，还包括软件滤波。其中微处理器230可以是MCU、DSP、CPLD或 FPGA等器件。
本发明实施例中的参数定义如下：
uR：LC滤波电路前端电压信号；
UR：LC滤波电路前端电压信号在半个开关周期内的平均值；
UR_A：LC滤波电路前端电压信号在半个开关周期内的幅值；
iL：电感电流信号；
D：占空比；
Tp：一个开关周期；
ULv：输出电压信号平均值。
本发明实施例提供的DCDC变换器的输出电压合理性校验电路及方法，通过第二采样电路220检测DCDC变换器低压侧输出端前级滤波电路141前端的第二采样电压信号可以判断滤波电路141是否失效，当输出端前级的滤波电路 141失效时，可以通过第二采样电路220的第二采样电压信号进行识别，从而提高了DCDC变换器的输出电压合理性校验的诊断覆盖率。本发明实施例的第二采样电路220可以为公知技术中的任意硬件电路例如采用串接电阻分压结构时，与功率开关器件相比，具有成本低的优点。
上述描述仅是对本发明实施例较佳实施例的描述，并非对本发明实施例范围的任何限定，本发明实施例领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种DCDC变换器的输出电压合理性校验电路，其特征在于，包括连接在DCDC变换器低压侧输出端之间的第一采样电路，以及连接在DCDC变换器低压侧输出端前级的滤波电路前端的第二采样电路，所述第一采样电路和第二采样电路均连接有微处理器。
2.如权利要求1所述的DCDC变换器的输出电压合理性校验电路，其特征在于，所述第一采样电路包括连接在DCDC变换器低压侧输出端正极与负极之间串接的第一电阻和第二电阻，所述DCDC变换器低压侧输出端负极接地，所述第一电阻和第二电阻的公共交点与地之间连接有第一电容，所述第一电阻和第二电阻的公共交点还连接所述微处理器的一个IO端口。
3.如权利要求1所述的DCDC变换器的输出电压合理性校验电路，其特征在于，所述第二采样电路包括连接在DCDC变换器低压侧输出端前级的滤波电路前端正极与负极之间串接的第三电阻和第四电阻，所述DCDC变换器低压侧输出端前级的滤波电路前端负极接地，所述第三电阻和第四电阻的公共交点与地之间连接有第二电容，所述第三电阻和第四电阻的公共交点还连接有所述微处理器的一个IO端口。
4.如权利要求1所述的DCDC变换器的输出电压合理性校验电路，其特征在于，所述滤波电路为LC滤波电路，包括串接在DCDC变换器低压侧输出端正极与其前级的滤波电路前端正极之间的第一电感，以及并接在DCDC变换器低压侧输出端正极与负极之间的第三电容。
5.一种DCDC变换器的输出电压合理性校验方法，其特征在于，当DCDC变换器的工作模式为电压控制模式时，采用权利要求1所述的DCDC变换器的输出电压合理性校验电路，通过所述微处理器比较所述第一采样电路采集的第一采样电压信号与所述第二采样电路采集的第二采样电压信号的差值的绝对值是否在设定值范围内，以对DCDC变换器的输出电压合理性进行检验；当第一采样电压信号与第二采样电压信号的差值的绝对值在设定值范围内时，判断DCDC变换器的输出电压合理性为合理，否则为不合理。
6.如权利要求5所述的DCDC变换器的输出电压合理性校验方法，其特征在于，当DCDC变换器的工作模式为限流模式时，不对DCDC变换器的输出电压合理性进行检验，将DCDC变换器的工作模式切换为电压控制模式后，对DCDC变换器的输出电压合理性进行检验。
7.如权利要求5所述的DCDC变换器的输出电压合理性校验方法，其特征在于，采用如权利要求2所述的DCDC变换器的输出电压合理性校验电路，所述微处理器根据ULv_measure＝G×ULv计算第一采样电路的第一采样电压信号，其中，ULv_measure为第一采样电压信号，ULv为DCDC变换器低压侧输出端电压信号平均值，在复数频域下第一采样电路的滤波传递函数为
Figure FDA0002347023520000021
其中R1为第一电阻，R2为第二电阻，C1为第一电容，s为复数频域的变量。
8.如权利要求7所述的DCDC变换器的输出电压合理性校验方法，其特征在于，采用如权利要求3所述的DCDC变换器的输出电压合理性校验电路，所述微处理器根据UR_measure＝uR×GHW×GSW计算第二采样电路的第二采样电压信号，其中uR为DCDC变换器低压侧输出端前级的滤波电路前端的电压信号，在复数频域下第二采样电路的滤波传递函数为
Figure FDA0002347023520000022
微处理器的软件滤波传递函数为GSW＝G/GHW，其中R3为第三电阻，R4为第四电阻，C2为第二电容，s为复数频域的变量。
9.如权利要求7所述的DCDC变换器的输出电压合理性校验方法，其特征在于，当DCDC变换器低压侧输出端前级的滤波电路前端的电压信号uR为方波信号时，在半个开关周期内uR的平均值为UR＝UR_A×D，其中，uR的幅值为UR_A，uR的占空比为D。
10.如权利要求9所述的DCDC变换器的输出电压合理性校验方法，其特征在于，在复数频域下第二采样电路的滤波传递函数的采样周期小于2Tp，以采样半个开关周期内uR的平均值UR，其中Tp为一个开关周期。
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