CN112098880B - 线性电源故障检测方法 - Google Patents

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张东来
朱雪丽
高伟
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    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/40—Testing power supplies

Abstract

本发明公开了一种线性电源故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S10，在线性电源电路中的整流电容模块持续一次充电过程和一次放电过程后，获取线性电源电路中的电源输入电流、负载电流以及线性电源输入电压；步骤S20，根据电源输入电流和负载电流计算整流电容模块中电容的电流；步骤S30，根据电源输入电流和电容的电流计算电容的容值以及等效串联电阻的阻值；步骤S40，根据电容的容值、等效串联电阻的阻值和等效串联电阻的标准阻值以检测出线性电源电路是否出现故障。本发明的线性电源故障检测方法，可以准确求解出整流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，对线性电源无任何冲击影响。

Description

线性电源故障检测方法
技术领域
本发明属于线性电源故障检测技术领域，尤其涉及一种线性电源故障检测方法。
背景技术
目前，线性直流稳压电源具有纹波系数小、电源稳定度和负载稳定度高、瞬态响应速度较快、无高频开关噪声等优点，其是否正常工作直接影响到设备的安全。
为了保证线性电源能够正常工作，需在整流电路后采用大容值的整流电容(尤其是电解电容)进行稳压，以保证三端稳压器的输入端电压大于输出端电压，线性电源正常工作。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。当电容的等效串联电阻增加，电容的容值下降到不能保持三端稳压器的输入端电压大于输出端电压时，该线性电源不能正常工作。因此，检测线性电源电路中的整流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老化状况。
目前缺少检测方法，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线性电源故障检测方法，以解决背景技术中所提及的技术问题。
本发明的一种线性电源故障检测方法，包括以下步骤：
步骤S10，在线性电源电路中的整流电容模块持续一次充电过程和一次放电过程后，获取线性电源电路中电源输入电流、负载电流以及线性电源输入电压；
步骤S20，根据电源输入电流和负载电流计算整流电容模块中电容的电流；
步骤S30，根据电源输入电流、负载电流、线性电源输入电压和电容的电流计算电容的容值和等效串联电阻的阻值；
步骤S40，根据电容的容值、电容的标准电容值、等效串联电阻的阻值和等效串联电阻的标准阻值以检测出线性电源电路是否出现故障。
优选地，步骤S40具体包括：
步骤S41，判断电容的容值是否低于电容的标准电容值，或者判断等效串联电阻的阻值是否大于等效串联电阻的标准阻值；
步骤S42，若电容的容值低于电容的标准电容值或者等效串联电阻的阻值大于等效串联电阻的标准阻值，则线性电源电路出现故障。
优选地，在步骤S20中，计算出电容的电流分别为iC(t1)、iC(t2)和iC(t3)；步骤S30具体包括：
步骤S31，建立第一公式，第一公式为
Figure GDA0003797192640000021
其中，U(t2)表示t2时刻线性电源输入电压，U(t1)表示t1时刻线性电源输入电压，C表示电容的容值，iC(t1)表示t1时刻电容的电流，ic(t2)表示t2时刻电容的电流，R表示等效串联电阻的阻值，i指的是电源输入电流，io指的是负载电流，i-io代表的是电容电流；
步骤S32，建立第二公式，第二公式为
Figure GDA0003797192640000022
其中，U(t3)表示t3时刻线性电源输入电压，ic(t3)表示t3时刻电容的电流；
步骤S33，求解出t1-t2时间段内电容的电流对时间的积分和t1-t3时间段内电容的电流对时间的积分，再将t1时刻线性电源输入电压、t2时刻线性电源输入电压、t3时刻线性电源输入电压和各时刻通过电容的电流值带入第一公式以及第二公式中，以计算出电容的容值C和等效串联电阻的阻值R其中，t1、t2、t3是整流电容模块持续一次充电过程中的时刻，且t1＜t2＜t3。
优选地，线性电源电路包括二极管整流桥、整流电容和线性电路，二极管整流桥通过整流电容与线性电路连接。
优选地，在步骤S30和步骤S40之间包括步骤：
步骤S36，建立第三公式，第三公式为
Figure GDA0003797192640000023
U(t5)表示t5时刻线性电源输入电压，ic(t5)表示t5时刻电容的电流，t4是整流电容模块持续一次放电过程中的起始时刻，t5是整流电容模块持续一次放电过程中的终止时刻；
步骤S37，建立第四公式，第四公式为
Figure GDA0003797192640000031
U(t4)表示t4时刻线性电源输入电压；
步骤S38，计算出电容的容值C和等效串联电阻的阻值R；
步骤S39，判断步骤S38计算出的电容的容值C是否等于步骤S33计算出的电容的容值C，以及判断步骤S38计算出的等效串联电阻的阻值R是否等于步骤S33计算出的等效串联电阻的阻值R，若都是，则执行步骤S40。
本发明的线性电源故障检测方法，仅通过电源外侧输入电压信号、输入电流信号、负载输出电流信号便可以准确求解出整流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，对线性电源无任何冲击影响。该方法不受线性电源输入信号存在的杂波影响，对任何形式的输入信号均可以准确检测。并且该方法消除了二极管管压降对检测结果的影响。
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为本发明线性电源故障检测方法第一实施例的流程示意图；
图2为本发明线性电源故障检测方法第一实施例中步骤S30的细化流程示意图；
图3为本发明线性电源故障检测方法第二实施例的流程示意图；
图4为本发明线性电源故障检测方法第一实施例中步骤S40的细化流程示意图；
图5为本发明线性电源故障检测方法第一实施例中线性电源电路的电路连接示意图；
图6为本发明线性电源故障检测方法第一实施例中线性电源电路充电过程等效电路模型；
图7为本发明线性电源故障检测方法第一实施例中放电过程等效电路模型；
图8为本发明线性电源故障检测方法第一实施例中线性电源外侧输入电流和输入电压波形示意图；
图9为本发明线性电源故障检测方法中电容为300uF时线性电源输入电压电流和负载电压波形
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5所示，图1为本发明线性电源故障检测方法第一实施例的流程示意图；图5为本发明线性电源故障检测方法第一实施例中线性电源电路的电路连接示意图。
本发明的一种线性电源故障检测方法，针对线性电源电路，如图5所示；优选地，线性电源电路包括二极管整流桥、整流电容模块和线性电路，二极管整流桥通过整流电容模块与线性电路连接。具体地，包括二极管整流桥(D1-D4)、整流电容模块、输出滤波电容Co和负载Zo，整流电容模块包括电容和与电容连接的等效串联电阻；可在二极管整流桥和线性电路之间加入滤波电路，也可在二极管整流桥之前加入滤波电路。线性电源外侧输入电压信号、输入电流信号、输出电压信号如图9所示。
线性电源电路工作过程分析：将线性电路等效为电流源，根据二极管整流桥(D1-D4)的工作状态可以将电路的工作过程分为整流电容充电过程和整流电容放电过程，充电过程等效电路如图6所示，放电过程等效电路如图7所示。线性电源电路在工作过程中，线性电源外侧输入电流信号和输入电压信号的波形示意图如图8所示。在图8中，t0-t4二极管整流桥导通，是电容充电阶段；t4-t5二极管整流桥关断，是电容放电阶段。在电容充电阶段，输入电流不为零，在电容放电阶段时，输入电流为零。
本发明的一种线性电源故障检测方法，包括以下步骤：
步骤S10，在线性电源电路中的整流电容模块持续一次充电过程和一次放电过程后，获取线性电源电路中电源输入电流i、负载电流io以及线性电源输入电压U；具体地，比如图8中，获取整流电容模块充电过程中t1、t2和t3时刻所对应的电源输入电流i、负载电流io以及线性电源输入电压U；其中，当二极管整流桥导通表示整流电容模块充电过程，等效电路如图6所示。其中，如图5所示，整流电容模块包括电容和与电容连接的等效串联电阻。
步骤S20，根据电源输入电流i和负载电流io计算整流电容模块中电容的电流ic；具体地，根据t1、t2和t3时刻所对应的电源输入电流i和负载电流io计算t1、t2和t3时刻整流电容模块中电容的电流ic；在步骤S20中，根据i＝ic+io；可计算出t1、t2和t3三个时刻电容的电流ic；
步骤S30，根据电源输入电流i、负载电流io、线性电源输入电压U和电容的电流ic计算电容的容值C和等效串联电阻R的阻值(如图5所示)；
在步骤S20中，计算出电容的电流包括iC(t1)、iC(t2)和iC(t3)；如图2所示，步骤S30具体包括：
步骤S31，建立第一公式，第一公式为
Figure GDA0003797192640000051
其中，U(t2)表示t2时刻线性电源输入电压，U(t1)表示t1时刻线性电源输入电压，C表示电容的容值，iC(t1)表示t1时刻电容的电流，ic(t2)表示t2时刻电容的电流，R表示等效串联电阻的阻值；
步骤S32，建立第二公式，第二公式为
Figure GDA0003797192640000052
其中，U(t3)表示t3时刻线性电源输入电压，ic(t3)表示t3时刻电容的电流，i指的是电源输入电流，io指的是负载电流，i-io代表的是电容电流，i指的是电源输入电流，io指的是负载电流，i-io代表的是电容电流；
步骤S33，求解出t1-t2时间段内电容的电流对时间的积分和t1-t3时间段内电容的电流对时间的积分，再将t1时刻线性电源输入电压、t2时刻线性电源输入电压、t3时刻线性电源输入电压和各时刻通过电容的电流值带入第一公式以及第二公式中，以计算出电容的容值C和等效串联电阻的阻值R其中，t1、t2、t3是整流电容模块持续一次充电过程中的时刻，且t1＜t2＜t3；即计算出整流电容模块中两个参数。
步骤S40，根据电容的容值、电容的标准电容值、等效串联电阻的阻值和等效串联电阻的标准阻值以检测出线性电源电路是否出现故障。
如图5所示的t1、t2、t3时刻，计算出电容的参数如下表1所示。从实验结果可以验证该方法完全可以实现线性电源的故障检测。
表1电容为300uF时测试结果与实验对比
Figure GDA0003797192640000061
本发明的线性电源故障检测方法，仅通过电源外侧输入电压信号、输入电流信号、负载输出电流信号便可以准确求解出整流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，对线性电源无任何冲击影响。
如图4所示，优选地，步骤S40具体包括：
步骤S41，判断电容的容值是否低于电容的标准电容值，或者判断等效串联电阻的阻值是否大于等效串联电阻的标准阻值；
步骤S42，若电容的容值低于电容的标准电容值或者等效串联电阻的阻值大于等效串联电阻的标准阻值，则线性电源电路出现故障。
当求解得到的电容值低于出厂时的电容值或者等效串联电阻的阻值大于等效串联电阻的标准阻值，说明该电源开始退化，求解得出的电容值与出厂时的电容值差距越大，说明该电源退化越严重，求解得出的R值与出厂时的R值差距越大，说明该电源退化越严重，即可判断该电源的故障情况和老化状态。其中，电容的标准电容值表示整流电容模块出厂时电容的容值；等效串联电阻的标准阻值表示整流电容模块出厂时等效串联电阻的阻值。
如图3所示，优选地，在步骤S30和步骤S40之间包括步骤：
步骤S36，建立第三公式，第三公式为
Figure GDA0003797192640000062
U(t5)表示t5时刻线性电源输入电压，ic(t5)表示t5时刻电容的电流，t4是整流电容模块持续一次放电过程中的起始时刻，t5是整流电容模块持续一次放电过程中的终止时刻；公式中涉及数据，如图8所示，获取整流电容模块放电过程中t4和t5时刻所对应的电源输入电流i、负载电流io以及线性电源输入电压U。
步骤S37，建立第四公式，第四公式为
Figure GDA0003797192640000071
U(t4)表示t4时刻线性电源输入电压；
步骤S38，计算出电容的容值C和等效串联电阻的阻值R；
步骤S39，判断步骤S38计算出的电容的容值C是否等于步骤S33计算出的电容的容值C，以及判断步骤S38计算出的等效串联电阻的阻值R是否等于步骤S33计算出的等效串联电阻的阻值R，若都是，则执行步骤S40。
基于步骤S36、步骤S37、步骤S38、步骤S39，是通过在电容放电阶段所获取的数据进行电容的容值C和等效串联电阻的阻值R计算；其计算过程与步骤S33之前的计算过程不同，步骤S31、步骤S32、步骤S33是利用电容充电阶段获取的数据进行的计算过程；本优选实施例利用电容放电过程阶段的数据计算C和R，以验算步骤S31、步骤S32、步骤S33(电容充电过程)所计算出的C和R。达到精确计算目的。
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 (4)

1.一种线性电源故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S10，在线性电源电路中的整流电容模块持续一次充电过程和一次放电过程后，获取线性电源电路中的电源输入电流、负载电流以及线性电源输入电压；
步骤S20，根据电源输入电流和负载电流计算整流电容模块中电容的电流，计算出电容的电流分别为iC(t1)、iC(t2)和iC(t3)；
步骤S30，根据电源输入电流、负载电流、线性电源输入电压和电容的电流计算电容的容值以及等效串联电阻的阻值；
步骤S30具体包括：
步骤S31，建立第一公式，第一公式为
Figure FDA0003797192630000011
其中，U(t2)表示t2时刻线性电源输入电压，U(t1)表示t1时刻线性电源输入电压，C表示电容的容值，iC(t1)表示t1时刻电容的电流，ic(t2)表示t2时刻电容的电流，R表示等效串联电阻的阻值，i指的是电源输入电流，io指的是负载电流，i-io代表的是电容电流；
步骤S32，建立第二公式，第二公式为
Figure FDA0003797192630000012
其中，U(t3)表示t3时刻线性电源输入电压，ic(t3)表示t3时刻电容的电流；
步骤S33，求解出t1-t2时间段内电容的电流对时间的积分和t1-t3时间段内电容的电流对时间的积分，再将t1时刻线性电源输入电压、t2时刻线性电源输入电压、t3时刻线性电源输入电压和各时刻通过电容的电流值带入第一公式以及第二公式中，以计算出电容的容值C和等效串联电阻的阻值R，其中，t1、t2、t3是整流电容模块持续一次充电过程中的时刻，且t1＜t2＜t3；
步骤S40，根据电容的容值、电容的标准电容值、等效串联电阻的阻值和等效串联电阻的标准阻值以检测出线性电源电路是否出现故障。
2.如权利要求1所述线性电源故障检测方法，其特征在于，步骤S40具体包括：
步骤S41，判断电容的容值是否低于电容的标准电容值，或者判断等效串联电阻的阻值是否大于等效串联电阻的标准阻值；
步骤S42，若电容的容值低于电容的标准电容值或者等效串联电阻的阻值大于等效串联电阻的标准阻值，则线性电源电路出现故障。
3.如权利要求1所述线性电源故障检测方法，其特征在于，线性电源电路包括二极管整流桥、整流电容和线性电路，二极管整流桥通过整流电容与线性电路连接。
4.如权利要求1所述线性电源故障检测方法，其特征在于，在步骤S30和步骤S40之间包括步骤：
步骤S36，建立第三公式，第三公式为
Figure FDA0003797192630000021
U(t5)表示t5时刻线性电源输入电压，U(t4)表示t4时刻线性电源输入电压，iC(t4)表示t4时刻电容的电流，ic(t5)表示t5时刻电容的电流，t4是整流电容模块持续一次放电过程中的起始时刻，t5是整流电容模块持续一次放电过程中的终止时刻；
步骤S37，建立第四公式，第四公式为
Figure FDA0003797192630000022
U(t4)表示t4时刻线性电源输入电压；
步骤S38，计算出电容的容值C和等效串联电阻的阻值R；
步骤S39，判断步骤S38计算出的电容的容值C是否等于步骤S33计算出的电容的容值C，以及判断步骤S38计算出的等效串联电阻的阻值R是否等于步骤S33计算出的等效串联电阻的阻值R，若都是，则执行步骤S40。
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