CN111781531A - 开关电源故障检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种开关电源故障检测方法,包括以下步骤:步骤S10,获取开关管在一个工作周期内开关电源的相关信息;步骤S20,根据开关电源的相关信息建立第二计算公式;步骤S30,根据开关电源的相关信息建立第三计算公式;步骤S40,根据第二计算公式和第三计算公式计算输出电容的等效串联电阻值的阻值以及输出电容的容值;步骤S50,根据输出电容的等效串联电阻的阻值、输出电容的容值和输出电容的标准值以检测出开关电源电路是否出现故障。本发明,适用于各种非隔离的DC‑DC变换器,如Buck、Boost、Buck‑Boost变换器,应用范围广,适用性强。无需外加激励辅助测量,无需拆解电源,对开关电源无任何冲击影响,实用性强。
Description
技术领域
本发明属于开关电源检测技术领域,尤其涉及一种开关电源故障检测方法。
背景技术
目前,开关电源由于其优势在电子产品中得到广泛的应用,其是否正常工作直接影响到电力电子设备的安全。开关电源拓扑中输出电容对整个电源性能影响很大,电容在使用过程中,极易出现容值下降,等效串联电阻增加的现象。电容参数的退化会导致开关电源的性能下降,当电容参数退化到不能维持开关电源正常工作时,该电源失效。因此,输出电容是开关电源的薄弱环节,检测开关电源中输出电容的容值和等效串联电阻值直接关系到该电源的故障情况和使用寿命。
目前缺少对于开关电源检测方法,因此,现有技术有待于改善。
发明内容
本发明的主要目的在于提出一种开关电源故障检测方法,以解决背景技术中所提及的技术问题,该检测方法适用于非隔离DC-DC变换器,如Buck变换器、Boost变换器和Buck-Boost变换器,实用性高。
本发明提供了一种开关电源故障检测方法,包括以下步骤:
步骤S10,获取开关管在一个工作周期内开关电源的相关信息;
步骤S20,根据开关电源的相关信息建立第二计算公式,第二计算公式为其中,vo(t2)为t2时刻开关电源输出电压信号,vo(t1)为t1时刻开关电源输出电压信号,R为输出电容的等效串联电阻值的阻值,C为输出电容的容值,ic(t1)为t1时刻通过输出电容的电流,ic(t2)为t2时刻通过输出电容的电流;
步骤S40,根据第二计算公式和第三计算公式计算输出电容的等效串联电阻值的阻值以及输出电容的容值;
步骤S50,根据输出电容的等效串联电阻的阻值、输出电容的容值和输出电容的标准值以检测出开关电源电路是否出现故障。
优选地,在步骤S10中,开关电源的相关信息包括t2时刻开关电源输出电压vo(t2)、t1时刻开关电源输出电压vo(t1)、ic(t1)为t1时刻通过输出电容的电流、开关电源的电流is和负载电流io。
优选地,步骤S50具体包括:
步骤S51,判断输出电容的等效串联电阻的阻值是否高于输出电容的等效串联电阻标准值,或者判断输出电容的容值是否低于输出电容的容值标准值;
步骤S52,若输出电容的等效串联电阻的阻值高于输出电容的等效串联电阻标准值或者输出电容的容值低于输出电容的容值标准值,则开关电源电路出现故障。
优选地,t1时刻、t2时刻和t3时刻均为开关管导通阶段内的时刻。
优选地,开关管的一个工作周期内包括开关管导通阶段和开关管关断阶段。
优选地,步骤S10之前,包括:
步骤S1,开关电源工作一个工作周期。
本发明的开关电源故障检测方法,适用于各种非隔离的DC-DC变换器,如Buck、Boost、Buck-Boost变换器,应用范围广,适用性强。仅通过开关电源外侧输入电流信号、输出电压信号、负载电流信号便可以检测Buck变换器输出电容参数,仅通过输出电压信号和负载电流信号便可以检测Boost、Buck-Boost变换器输出电容参数,无需外加激励辅助测量,无需拆解电源,对开关电源无任何冲击影响,实用性强。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明开关电源故障检测方法第一实施例的流程示意图;
图2为Buck-Boost变换器基本拓扑图;
图3为Buck-Boost变换器开关导通状态;
图4为Buck-Boost变换器开关关闭状态;
图5为本发明开关电源故障检测方法第一实施例中步骤S50的细化流程示意图;
图6为Buck变换器的基本拓扑图;
图7为Buck变换器开关管导通状态拓扑图;
图8为Buck变换器开关管关闭状态拓扑图;
图9为Buck电路的电容电流和输出电压波形示意图;
图10为Boost变换器基本拓扑图;
图11为Boost变换器开关管导通状态拓扑图;
图12为Boost变换器开关管关闭状态拓扑图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例,参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
需要注意的是,相关术语如“第一”、“第二”等可以用于描述各种组件,但是这些术语并不限制该组件。这些术语仅用于区分一个组件和另一组件。例如,不脱离本发明的范围,第一组件可以被称为第二组件,并且第二组件类似地也可以被称为第一组件。术语“和/或”是指相关项和描述项的任何一个或多个的组合。
如图1、图2、图3、图4所示,图1为本发明开关电源故障检测方法第一实施例的流程示意图;图2为Buck-Boost变换器基本拓扑图;图3为Buck-Boost变换器开关导通状态;图4为Buck-Boost变换器开关关闭状态;本发明的一种开关电源故障检测方法,包括以下步骤:
步骤S10,获取开关管在一个工作周期内开关电源的相关信息;
在步骤S10中,一个工作周期包括开关管导通阶段M和开关管关断阶段N(如图9所示);开关电源的相关信息包括t2时刻开关电源输出电压vo(t2)、t1时刻开关电源输出电压vo(t1)、ic(t1)为t1时刻通过输出电容的电流、开关电源的电流is和负载电流io。其中,t1时刻、t2时刻和t3时刻均为开关管导通阶段内的时刻。即本发明的一种开关电源故障检测方法只利用开关管导通阶段中的相关信息;
步骤S20,根据开关电源的相关信息建立第二计算公式,第二计算公式为其中,vo(t2)为t2时刻开关电源输出电压,vo(t1)为t1时刻开关电源输出电压,R为等效串联电阻值的阻值,ic(t1)为t1时刻通过输出电容的电流,C为输出电容的容值,is为开关电源的电流,io为负载电流;输出电容100由输出电容的容值C和等效串联电阻R的阻值组成。
需要注意,步骤S20涉及的第二计算公式、步骤S30涉及的第三计算公式均适用于Buck变换器、Boost变换器和Buck-Boost变换器。
步骤S40,根据第二计算公式和第三计算公式计算等效串联电阻值的阻值以及输出电容的容值;
在步骤S40的计算过程中,如果开关电源为Buck-Boost变换器,则ic=-io;即存在第一关系式ic=-io,将第一关系式带入第二计算公式和第三计算公式,可以得出Buck-Boost变换器电容参数的求解公式,即得出输出电容的容值C和等效串联电阻R的阻值;如果开关电源为Buck变换器,则ic=is-io;即存在第二关系式ic=is-io,将第二关系式带入第二计算公式和第三计算公式,可以得出Buck变换器电容参数的求解公式,即得出输出电容的容值C和等效串联电阻R的阻值;如果开关电源为Boost变换器,则ic=-io;即存在第三关系式ic=-io,将第三关系式带入第二计算公式和第三计算公式,可以得出Boost变换器电容参数的求解公式,即得出输出电容的容值C和等效串联电阻R的阻值。
在步骤S40中,如果开关电源为Buck-Boost变换器;Buck-Boost变换器基本拓扑图如图2所示,电源的电流为is,通过电感的电流为iL,通过电容的电流为iC,负载电流为io;输入电压为Vin,输出电压为vo,电容两端的电压为变换器的输出电压vo。Q为开关管,L为电感,D为二极管,输出电容由纯电容C和等效串联电阻值R组成,RL为负载。图3是开关管导通时,Buck-Boost变换器拓扑图;图4是开关管关闭时,Buck-Boost变换器拓扑图。在开关管导通阶段,输出电容电流与负载电流的关系为ic=-io;即存在第一关系式ic=-io,将第一关系式带入第二计算公式和第三计算公式,可以得出Buck-Boost变换器电容参数的求解公式,即得出输出电容的容值C和等效串联电阻R的阻值。
在步骤S40中,如果开关电源为Buck变换器,如图6、图7、图8、图9所示,图6为Buck变换器的基本拓扑图;图7为Buck变换器开关管导通状态拓扑图;图8为Buck变换器开关管关闭状态拓扑图;图9为Buck电路的电容电流和输出电压波形示意图;在开关管导通阶段,电容电流与输入电流、负载电流的关系为第二关系式ic=is-io。因为开关电源输出电压总是存在纹波,在开关管导通时,输出电压上升,在开关管关断时,输出电压下降。在开关电源导通阶段,Buck变换器输出电压纹波、输入电流、负载电流与电容参数之间存在关系为第二计算公式和第三计算公式将第二关系式带入第二计算公式和第三计算公式,可以得出Buck变换器电容参数的求解公式,即得出输出电容的容值C和等效串联电阻R的阻值。
在步骤S40中,如果开关电源为Boost变换器,图10为Boost变换器基本拓扑图;图11为Boost变换器开关管导通状态拓扑图;图12为Boost变换器开关管关闭状态拓扑图。因为开关电源总是存在纹波,在开关导通时,输出电容向负载供电,电容呈现放电状态,输出电压下降。在开关关断时,电感向输出电容充电,电容呈现充电状态,输出电压上升。在开关管导通阶段,电容电流与负载电流的关系为第三关系式ic=-io。则Boost变换器输出电压纹波、输入电流、负载电流与电容参数之间存在关系为第二计算公式和第三计算公式即存在第三关系式ic=-io,将第三关系式带入第二计算公式和第三计算公式,可以得出Boost变换器电容参数的求解公式,即得出输出电容的容值C和等效串联电阻R的阻值。
步骤S50,根据等效串联电阻的阻值、输出电容的容值和输出电容的标准值以检测出开关电源电路是否出现故障。
本发明的开关电源故障检测方法,适用于各种非隔离的DC-DC变换器,如Buck、Boost、Buck-Boost变换器,应用范围广,适用性强。仅通过开关电源外侧输入电流信号、输出电压信号、负载电流信号便可以检测Buck变换器输出电容参数,仅通过输出电压信号和负载电流信号便可以检测Boost、Buck-Boost变换器输出电容参数,无需外加激励辅助测量,无需拆解电源,对开关电源无任何冲击影响,实用性强。
如图5所示,优选地,步骤S50具体包括:
步骤S51,判断输出电容的等效串联电阻的阻值是否高于输出电容的等效串联电阻标准值,或者判断输出电容的容值是否低于输出电容的容值标准值;
步骤S52,若输出电容的等效串联电阻的阻值高于输出电容的等效串联电阻标准值或者输出电容的容值低于输出电容的容值标准值,则开关电源电路出现故障。
上述优选实施例对于步骤S50进行具体限定,通过对比输出电容的等效串联电阻的阻值、输出电容的容值、输出电容的标准值,判断出待测的开关电源是否发生故障,且准确性更高。
如图1所示,优选地,步骤S10之前,包括:
步骤S1,开关电源工作一个工作周期;即需要开关电源先进行一个工作周期的工作后,再执行步骤S10。
本发明的有益效果如下:(1)本发明提出的方法,适用于各种非隔离的DC-DC变换器,如Buck、Boost、Buck-Boost变换器,应用范围广,适用性强。(2)本发明提出的方法仅通过开关电源外侧输入电流信号、输出电压信号、负载电流信号便可以检测Buck变换器输出电容参数,仅通过输出电压信号和负载电流信号便可以检测Boost、Buck-Boost变换器输出电容参数,无需外加激励辅助测量,无需拆解电源,对开关电源无任何冲击影响。(3)本方明提出的方法对开关电源的运行状态没有要求,对CCM,DCM运行状态下的开关电源均可检测。(4)本发明提出的检测方法只与开关导通阶段输入电流、输出电压信号、负载电流信号有关,不受开关电源控制回路参数主拓扑中其他参数变化的影响。(5)本发明提出的方法可在线检测开关电源的故障情况,可对停机和不停机开关电源进行检测。(6)通过输出电容的容值和等效串联电阻值可以检测开关电源的工作状态,判断开关电源故障情况。(7)在开关电源使用过程中长期检测,可以得出不同使用时间内电容的参数,通过电容参数的变化,可以判断出电源的老化情况和寿命状况。
以上仅为本发明的优选实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种开关电源故障检测方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S10,获取开关管在一个工作周期内开关电源的相关信息;
步骤S20,根据开关电源的相关信息建立第二计算公式,第二计算公式为其中,vo(t2)为t2时刻开关电源输出电压信号,vo(t1)为t1时刻开关电源输出电压信号,R为输出电容的等效串联电阻值的阻值,C为输出电容的容值,ic(t1)为t1时刻通过输出电容的电流,ic(t2)为t2时刻通过输出电容的电流;
步骤S40,根据第二计算公式和第三计算公式计算输出电容的等效串联电阻值的阻值以及输出电容的容值;
步骤S50,根据输出电容的等效串联电阻的阻值、输出电容的容值和输出电容的标准值以检测出开关电源电路是否出现故障。
2.如权利要求1所述开关电源故障检测方法,其特征在于,在步骤S10中,开关电源的相关信息包括t2时刻开关电源输出电压vo(t2)、t1时刻开关电源输出电压vo(t1)、ic(t1)为t1时刻通过输出电容的电流、开关电源的电流is和负载电流io。
3.如权利要求1所述开关电源故障检测方法,其特征在于,步骤S50具体包括:
步骤S51,判断输出电容的等效串联电阻的阻值是否高于输出电容的等效串联电阻标准值,或者判断输出电容的容值是否低于输出电容的容值标准值;
步骤S52,若输出电容的等效串联电阻的阻值高于输出电容的等效串联电阻标准值或者输出电容的容值低于输出电容的容值标准值,则开关电源电路出现故障。
4.如权利要求2所述开关电源故障检测方法,其特征在于,t1时刻、t2时刻和t3时刻均为开关管导通阶段内的时刻。
5.如权利要求1所述开关电源故障检测方法,其特征在于,开关管的一个工作周期内包括开关管导通阶段和开关管关断阶段。
6.如权利要求1所述开关电源故障检测方法,其特征在于,步骤S10之前,包括:
步骤S1,开关电源工作一个工作周期。
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