CN111796196A - Buck变换器故障检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Buck变换器故障检测方法，包括以下步骤：步骤S10，获取开关管在一个工作周期内Buck变换器的相关信息；步骤S20，根据Buck变换器的相关信息建立第三计算公式；步骤S30，根据Buck变换器的相关信息建立第十计算公式；步骤S40，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，仅通过Buck变换器输入电流信号、输出电压信号便可以求解出输出电容的容值和等效串联电阻值，无需外加激励辅助测量，无需拆解电源，对Buck变换器无任何冲击影响。

Description

Buck变换器故障检测方法
技术领域
本发明属于Buck变换器检测技术领域，尤其涉及一种Buck变换器故障检测方法。
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应用，其是否正常工作直接影响到电力电子设备的安全。Buck变换器是一种常用的开关电源，Buck变换器拓扑中输出滤波电容对整个变换器性能影响很大，而电容在使用过程中，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Buck变换器的性能下降，当电容参数退化到不能维持其正常工作时，该电源失效。因此，输出电容是Buck变换器的薄弱环节和核心部件，检测Buck变换器拓扑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使用寿命和故障情况。
目前缺少对于Buck变换器检测方法，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Buck变换器故障检测方法，以解决背景技术中所提及的技术问题。
本发明的一种Buck变换器故障检测方法，包括以下步骤：
步骤S10，获取开关管在一个工作周期内Buck变换器的相关信息；
步骤S20，根据Buck变换器的相关信息建立第三计算公式，第三计算公式为
Figure BDA0002565660260000011
其中，Δvo为Buck变换器输出电压纹波，k1为开关管导通阶段输入电流变化斜率，D为Buck变换器的工作占空比，Ts为开关管的工作周期，ESR为输出电容的等效串联电阻的阻值；
步骤S30，根据Buck变换器的相关信息建立第十计算公式，第十计算公式为
Figure BDA0002565660260000012
其中，Δvo为输出电压纹波，v0(t1)为t1时刻Buck变换器输出电压信号，C为输出电容的容值，Vo为输出平均电压值；
步骤S40，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。
优选地，在步骤S10中，Buck变换器的相关信息包括输出平均电压值Vo、开关管导通阶段输入电流变化斜率k1、开关管的工作周期Ts、Buck变换器的工作占空比D、输出电压纹波Δvo和t1时刻Buck变换器输出电压信号v0(t1)。
优选地，步骤S40具体包括：
步骤S41，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S42，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，Buck变换器包括输入电源、电感线圈、开关管、二极管和输出电容，电源一端与开关管一端连接，电源另一端同时与二极管一端和输出电容一端连接，开关管另一端同时与二极管另一端和电感线圈一端连接，电感线圈另一端与输出电容另一端连接。
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。
本发明的Buck变换器故障检测方法，仅通过Buck变换器输入电流信号、输出电压信号便可以求解出输出电容的容值和等效串联电阻值，无需外加激励辅助测量，无需拆解电源，对Buck变换器无任何冲击影响；只与开关导通阶段输入电流信号和输出电压信号有关，不受Buck变换器控制回路参数的影响，不受Buck变换器功率电感参数的影响，不受Buck变换器拓扑中其他参数变化的影响。因此检测方法实用性高。
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Buck变换器故障检测方法第一实施例的流程示意图；
图2为本发明Buck变换器故障检测方法中Buck变换器的基本结构图；
图3为本发明Buck变换器故障检测方法中Buck变换器开关管导通状态拓扑图；
图4为本发明Buck变换器故障检测方法中Buck变换器开关管关闭状态拓扑图；
图5为本发明Buck变换器故障检测方法中Buck电路各电量波形示意图；
图6为本发明Buck变换器故障检测方法第一实施例中步骤S40的细化流程示意图。
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。
本发明的Buck变换器故障检测方法所针对的Buck变换器结构，如图2所示；Buck变换器包括输入电源Vin、电感线圈L、开关管Q、二极管D和输出电容100，电源一端与开关管一端连接，电源另一端同时与二极管一端和输出电容一端连接，开关管另一端同时与二极管另一端和电感线圈一端连接，电感线圈另一端与输出电容另一端连接；其中，输出电容100由容值C和等效串联电阻值ESR组成。
图3是开关管导通时，Buck变换器拓扑图；图4是开关管关闭时，Buck变换器拓扑图。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。
如图1、图2、图3、图4、图5所示，图1为本发明Buck变换器故障检测方法第一实施例的流程示意图；图2为本发明Buck变换器故障检测方法中Buck变换器的基本结构图；图3为本发明Buck变换器故障检测方法中Buck变换器开关管导通状态拓扑图；图4为本发明Buck变换器故障检测方法中Buck变换器开关管关闭状态拓扑图；图5为本发明Buck变换器故障检测方法中Buck电路各电量波形示意图；本发明的一种Buck变换器故障检测方法，包括以下步骤：
步骤S10，获取开关管在一个工作周期内Buck变换器的相关信息；
在步骤S10中，在步骤S10中，Buck变换器的相关信息包括输出平均电压值Vo、开关管导通阶段输入电流变化斜率k1、Buck变换器的工作占空比D、Buck变换器输出电压纹波Δvo和t1时刻Buck变换器输出电压信号v0(t1)。
步骤S20，根据Buck变换器的相关信息建立第三计算公式，第三计算公式为
Figure BDA0002565660260000041
其中，Δvo为Buck变换器输出电压纹波，k1为开关管导通阶段输入电流变化斜率，D为Buck变换器的工作占空比，Ts为开关管的工作周期，ESR为开关电源输出电容的等效串联电阻的阻值；
在步骤S20中，最终目的是计算等效串联电阻的阻值。当Buck变换器工作时，一个开关周期内其各元件的电参量的波形如图5所示。Buck变换器总是存在纹波，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。图5中，vgs为Buck变换器开关管控制信号，iL为电感电流信号，iC为输出电容的电流，vESR为输出电容中等效串联电阻部分的电压，vC为输出电容中纯电容部分的电压，Δvo为Buck变换器输出电压纹波，vo为输出电压信号，Vo为输出电压平均值，k1为开关管导通阶段输入电流变化斜率，kESR1为等效串联电阻两端的电压变化斜率。
对于Buck变换器，工作的占空比为D。t0＝0时，等效串联电阻的电压达到了谷值，而纯电容的电压为输出电压平均值Vo；在
Figure BDA0002565660260000042
时，等效串联电阻的电压为0，而纯电容的电压达到了谷值；在t2＝DTs时，等效串联电阻的电压达到了峰值，而纯电容的电压为输出电压平均值Vo。
步骤S20具体包括步骤：
步骤S21，计算输出电压纹波，利用到的第一计算公式为：vo(t2)-vo(t0)＝vESR(t2)-vESR(t0)＝Δvo；其中，v0(t2)表示t2时刻Buck变换器输出电压信号，v0(t0)表示t0时刻Buck变换器输出电压信号，vESR(t2)表示t2时刻输出电容中等效串联电阻部分的电压，表示时刻输出电容中等效串联电阻部分的电压，Δvo为Buck变换器输出电压纹波；
步骤S22，计算等效串联电阻两端的电压变化斜率，利用到的第二计算公式为：kESR1＝ESR×k1；其中，kESR1表示等效串联电阻两端的电压变化斜率，ESR为等效串联电阻的阻值，k1为开关管导通阶段输入电流变化斜率；
步骤S23，建立第三计算公式，第三计算公式为
Figure BDA0002565660260000051
上述优选实施例对于步骤S20进行具体限定，对于Buck变换器来说，在开关管导通期间，采集输入电流信号，求解其斜率，该斜率便是电容电流变化斜率的值，同时采集输出电压纹波值，结合Buck变换器的占空比和开关周期，将其带入第三计算公式中，可以求解出等效串联电阻的阻值。
步骤S30，根据Buck变换器的相关信息建立第十计算公式，第十计算公式为
Figure BDA0002565660260000052
其中，Δvo为输出电压纹波，v0(t1)为t1时刻Buck变换器输出电压信号，C为输出电容的容值，Vo为输出电压平均值；
步骤S30具体包括：
步骤S31，建立第四计算公式，第四计算公式为：
Figure BDA0002565660260000053
其中，v0(t2)为t2时刻Buck变换器输出电压信号，v0(t1)为t1时刻Buck变换器输出电压信号，ESR为等效串联电阻的阻值，C为输出电容的容值，iC(t2)为t2时刻输出电容的电流，iC(t1)为t1时刻输出电容的电流；
步骤S32，建立第六计算公式，第六计算公式为：
Figure BDA0002565660260000061
其中，ic(t2)＝icp；在步骤S32中，在第四计算公式中，由于选择ic(t1)＝0，ic(t2)＝icp，将第四计算公式转换为第五计算公式，第五计算公式为：
Figure BDA0002565660260000062
根据第五计算公式转换为第六计算公式；
步骤S33，建立第七计算公式，第七计算公式为：
Figure BDA0002565660260000063
建立第八计算公式，第八计算公式为：
Figure BDA0002565660260000064
建立第九计算公式，第九计算公式为：
Figure BDA0002565660260000065
步骤S34，将第七计算公式、第八计算公式和第九计算公式代入第六计算公式，以获取第十计算公式，第十计算公式为：
Figure BDA0002565660260000066
上述优选实施例对于步骤S30进行具体限定，对于电容电流积分来说，积分的时间段为开关管导通阶段的半个周期，而积分的波形是一个三角形，因此只需要求解出电容电流的峰值即可。电容电流的峰值为第七计算公式，而电容电流积分值为第八计算公式，第六计算公式中两个电压差为第九计算公式。
步骤S40，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。
如图6所示，优选地，步骤S40具体包括：
步骤S41，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S42，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S40进行具体限定，通过对比输出电容的等效串联电阻的阻值、输出电容的标准值、输出电容的标准值，判断出待测的开关电源是否发生故障，且准确性高。
本发明的Buck变换器故障检测方法，仅通过Buck变换器输入电流信号、输出电压信号便可以求解出输出电容的容值和等效串联电阻值，无需外加激励辅助测量，无需拆解电源，对Buck变换器无任何冲击影响；只与开关导通阶段输入电流信号和输出电压信号有关，不受Buck变换器控制回路参数的影响，不受Buck变换器功率电感参数的影响，不受Buck变换器拓扑中其他参数变化的影响。因此检测方法实用性高。
对于Buck变换器来说，本发明提出的方法计算选的时间点t1与开关管控制信号的时间差为
Figure BDA0002565660260000071
在开关管导通期间，采集t1时刻的输出电压纹波值；采集输入电流信号，求解其斜率k1的值；采集输出电压纹波大小。将这些信号和求解出的等效串联电阻值带入第十计算公式，可以计算电解电容的容值。
本发明提出的计算Buck变换器输出电容的容值只需要开关导通阶段输入电流的斜率和固定时间点t1时刻的输出电压纹波值和输出电压纹波大小即可。
当利用本发明提出的方法检测出Buck变换器输出电容的容值和等效串联电阻值，与该变换器输出电容参数的标准值进行比较，可以判断Buck变换器的工作状态，达到Buck变换器故障检测的目的。
本发明提出的方法，采集开关管导通阶段输入电流信号，仅需要计算电流上升的斜率，对于输出电压纹波而言，在计算电容的等效串联电阻时，仅需要输出电压纹波的大小，在计算电容容值时，仅需要固定时间点的输出电压纹波，因此所需采样率低。
本发明提出的方法可在线检测Buck变换器的故障情况，可对停机和不停机的Buck变换器进行检测，应用范围广；通过电容的容值和等效串联电阻值可以检测Buck变换器的工作状态，判断其故障情况；在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 (5)

1.一种Buck变换器故障检测方法，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Buck变换器的相关信息；
步骤S20，根据Buck变换器的相关信息建立第三计算公式，第三计算公式为
Figure FDA0002565660250000011
其中，Δvo为Buck变换器输出电压纹波，k1为开关管导通阶段输入电流变化斜率，D为Buck变换器的工作占空比，Ts为开关管的工作周期，ESR为输出电容的等效串联电阻的阻值；
步骤S30，根据Buck变换器的相关信息建立第十计算公式，第十计算公式为
Figure FDA0002565660250000012
其中，Δvo为Buck变换器输出电压纹波，v0(t1)为t1时刻Buck变换器输出电压信号，C为输出电容的容值，Vo为输出平均电压值；
步骤S40，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。
2.如权利要求1所述Buck变换器故障检测方法，其特征在于，在步骤S10中，Buck变换器的相关信息包括输出平均电压值Vo、开关管导通阶段输入电流变化斜率k1、Buck变换器的工作占空比D、开关管的工作周期Ts、Buck变换器输出电压纹波Δvo和t1时刻Buck变换器输出电压信号v0(t1)。
3.如权利要求1所述Buck变换器故障检测方法，其特征在于，步骤S40具体包括：
步骤S41，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S42，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1所述Buck变换器故障检测方法，其特征在于，Buck变换器的主拓扑包括输入电源、电感线圈、开关管、二极管和输出电容，电源一端与开关管一端连接，电源另一端同时与二极管一端和输出电容一端连接，开关管另一端同时与二极管另一端和电感线圈一端连接，电感线圈另一端与输出电容另一端连接。
5.如权利要求1所述Buck变换器故障检测方法，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。
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