CCM降壓變換器電感及輸出電容的監測裝置及方法與流程
2023-06-07 18:27:01 3
本發明屬於電能變換裝置中的監測技術領域，特別是涉及一種ccm降壓變換器電感及輸出電容的監測裝置及方法。
背景技術：
開關電源具有效率高、體積小等優點，在日常生產生活中廣泛應用。降壓(buck)、升壓(boost)、升降壓(buck-boost)變換器是三種最基本的開關電源變換器，其他的變換器均可以由這三種變換器衍變而來。其中，ccm(continuouscurrentmode，電流連續模式)buck變換器在計算機電源、通訊電源、航空航天等領域廣泛使用。在buck變換器電路中為了得到較為穩定的輸出電壓，一般需要利用電容來濾除高頻噪聲。變換器工作一段時間之後，電容的容值(capacitance,c)和等效串聯電阻(equivalentseriesresistance,esr)會發生變化，當該變化量較大時，即認為該電容已失效，將會造成電源和系統的運行故障，，因此監測ccmbuck變換器的輸出濾波電容的esr和c，預測其壽命非常重要。現有的技術主要可分為離線監測技術和在線監測技術，離線檢測技術使用方法簡單，成本低，但一般只監測獨立於電路外的電容，而在線檢測技術可以檢測在電路中處於工作狀態的電容，但使用方法複雜，且需要知曉電路中的許多其他參數。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種ccm降壓變換器電感及輸出電容的監測裝置及方法，能夠實時監測電感的感值l以及等效串聯電阻esr和電容的容值c的變化，對電解電容和電源的壽命進行準確預測。
實現本發明目的的技術解決方案為：一種ccm降壓變換器輸出電容esr和c的監測裝置包括buck變換器主功率電路、驅動電路、顯示單元，一隻參數已知的電容與電流互感器，以及信號處理模塊，所述信號處理模塊包括功率電路控制單元、開關頻率fs計算單元、佔空比d計算單元、輸出電壓採樣單元、電容電流觸發採樣單元、電感l以及電容esr和c計算單元；
所述buck變換器主功率電路包括輸入電壓源vin、開關管qb、續流二極體db、濾波電感l、輸出濾波電容和負載rl，所述輸出濾波電容包括等效串聯電阻esr和電容c，其中開關管qb的漏極與電壓源vin的正極連接，續流二極體db的陰極與開關管qb的漏極連接，續流二極體db的陽極與電壓源vin的負極連接，濾波電感l的一端與續流二極體db的陰極連接，濾波電感l的另一端分別與等效串聯電阻esr的一端及負載rl的一端連接，等效串聯電阻esr的另一端與電容c的一端連接，電容c的另一端及負載rl的另一端均與電壓源vin的負極連接，負載rl兩端為輸出平均電壓vo；
所述功率電路控制單元的輸入端分別與buck變換器主功率電路的電壓源vin和輸出平均電壓vo連接，功率電路控制單元輸出端的pwm信號分別接入開關頻率fs計算單元和佔空比d計算單元，buck變換器主功率電路的輸出平均電壓vo接入輸出電壓採樣單元，電流互感隔離放大單元和功率電路控制單元輸出端的pwm信號均接入電容電流觸發採樣單元，開關頻率fs計算單元、佔空比d計算單元、輸出電壓採樣單元和電容電流觸發採樣單元的輸出端均接入電容esr和c計算單元，電感l以及電容esr和c計算單元的輸出端接入顯示單元；
所述驅動電路的輸入端與功率電路控制單元輸出端的pwm信號連接，驅動電路的輸出端接入開關管qb的門極。
一種ccm降壓變換器輸出電容esr和c的監測方法，包括以下步驟：
步驟1，在輸出端並聯上一個參數已知的電容，在信號處理模塊中創建功率電路控制單元、開關頻率fs計算單元、佔空比d計算單元、輸出電壓採樣單元、電容電流觸發採樣單元、電感l以及電容esr和c計算單元；
步驟2，信號處理模塊的功率電路控制單元根據buck變換器主功率電路的輸出平均電壓vo，得到pwm信號並經驅動電路驅動開關管qb；
步驟3，功率電路控制單元輸出的pwm信號送入開關頻率fs計算單元和佔空比d計算單元，經開關頻率fs計算單元處理得出變換器當前的開關頻率fs，經佔空比d計算單元處理得出變換器當前的佔空比d；
步驟4，buck變換器主功率電路的輸出平均電壓vo送入輸出電壓採樣單元，得到輸出電壓的平均值；
步驟5，功率電路控制單元輸出的pwm信號和電流互感隔離放大單元(8)的電容電流ix送入電容電流觸發採樣單元，通過延時程序對電容電流等dts/10間隔採樣，得到ix(0)、ix(dts/10)、ix(dts/5)、ix(3dts/10)、ix(2dts/5)、ix(dts/2)、ix(3dts/5)、ix(7dts/10)、ix(4dts/5)、ix(9dts/10)、ix(dts)共11個值；
步驟6，將得到的開關頻率fs、佔空比d、輸出電壓的平均值vo以及電容電流的瞬時值ix(0)、ix(dts/10)、ix(dts/5)、ix(3dts/10)、ix(2dts/5)、ix(dts/2)、ix(3dts/5)、ix(7dts/10)、ix(4dts/5)、ix(9dts/10)、ix(dts)送入電感l以及電容esr和c計算單元進行曲線擬合和綜合處理，得到buck變換器中電感l的值以及輸出濾波電容當前等效串聯電阻esr和電容c的值；
步驟7，電感l以及電容esr和c計算單元將所得的電感l以及等效串聯電阻esr和電容c的值送入顯示單元實時顯示。
與現有技術相比，本發明的顯著優點為：本發明針對ccmbuck變換器的電感和輸出濾波電容，設計出一種高效穩定的電感l以及輸出濾波電容等效串聯電阻esr和電容c的在線監測裝置及方法，該方法可以在不影響電路正常工作的情況下對電感的參數l以及電容的參數esr和c進行監測，為電容和電源的壽命預測提供依據，無需額外參數，方便實現。
附圖說明
圖1是ccmbuck變換器開關周期中的工作波形圖。
圖2是本發明ccm降壓變換器電感l以及輸出電容esr和c的監測裝置的結構示意圖。
其中：vin-輸入電壓，iin-輸入電流，il-電感電流，ic-電容電流，icx-並聯電容電流，io-輸出電流，vo-輸出電壓平均值，qb-開關管，db-二極體，l-電感，c-輸出濾波電容值，esr-等效串聯電阻值，cx-並聯電容的電容值，esrx-並聯電容的等效串聯電阻值，rl-負載，vgs-開關管qb的驅動電壓，d-佔空比，t-時間，fs-變換器開關頻率，δil-電感電流紋波峰峰值，vesr-等效串聯電阻上的電壓，vc-電容上的電壓。
具體實施方式
下面結合附圖及具體實施例對本發明作出進一步詳細說明。
1、理論推導：
圖1為ccmbuck變換器開關周期中的工作波形圖。當開關管qb導通時，二極體db截止，電感l兩端的電壓為vo/d-vo，其電感電流il以(vo/d-vo)/l的斜率線性上升。當二極體db關斷時，電感電流il通過二極體db續流，此時電感l兩端的電壓為-vo，電感電流il以vo/l的斜率下降。由於buck變換器工作在ccm模式，因此在開關周期結束前，電感電流il未下降到零。電感電流il在一個開關周期內的平均值即為輸出電流io。
電感電流il在一個周期中的表達式如下：
其中vo為輸出電壓平均值，l為電感值，fs為buck變換器的開關頻率，d為開關管的佔空比，t為時間。
可以假設
可得，兩電容的電流和ic+icx的表達式為：
兩電容的電壓表達式分別為
由於兩電容並聯，則兩電容電壓相等
vc(t)＝vcx(t)(9)
當時，
由式(10)求導可得
分別對式(11)等號兩邊做laplace變換可得
化簡可得
對式(13)等號做laplace逆變換可得
其中
根據採樣得到的11個並聯電容電流值可以做出擬合曲線，得到x1、x2、x3和icx(0)。
把式(2)、(3)代入(15)、(16)、(17)可得：
式中，l為電感的感值，esr為等效串聯電阻的阻值，c為電容的容值，fs為變換器開關頻率，vo為輸出電壓平均值，d為變換器的佔空比，esrx為所並聯電容的等效串聯電阻的阻值，cx為所並聯電容的電容的容值，x1、x2、x3為擬合曲線的參數。
基於式(18)、(19)、(20)，可以得到ccmbuck變換器電感l以及輸出濾波電容esr和c的監測方法。
2、本發明ccm降壓變換器電感及輸出電容的監測裝置及方法
結合圖2，本發明ccm降壓變換器電感及輸出電容的監測裝置，包括buck變換器主功率電路1、驅動電路3、參數已知的電容7、電流互感隔離放大單元8、顯示單元11和信號處理模塊，所述信號處理模塊包括功率電路控制單元2、開關頻率fs計算單元4、佔空比d計算單元5、輸出電壓採樣單元6、電容電流觸發採樣單元9、電感l以及電容esr和c計算單元10；
所述buck變換器主功率電路1包括輸入電壓源vin、開關管qb、續流二極體db、濾波電感l、輸出濾波電容和負載rl，所述輸出濾波電容包括等效串聯電阻esr和電容c，其中開關管qb的漏極與電壓源vin的正極連接，續流二極體db的陰極與開關管qb的漏極連接，續流二極體db的陽極與電壓源vin的負極連接，濾波電感l的一端與續流二極體db的陰極連接，濾波電感l的另一端分別與等效串聯電阻esr的一端及負載rl的一端連接，等效串聯電阻esr的另一端與電容c的一端連接，電容c的另一端及負載rl的另一端均與電壓源vin的負極連接，負載rl與參數已知的電容(7)並聯，其兩端為輸出平均電壓vo。
所述功率電路控制單元2的輸入端分別與buck變換器主功率電路1的電壓源vin和輸出平均電壓vo連接，功率電路控制單元2輸出端的pwm信號分別接入開關頻率fs計算單元4和佔空比d計算單元5，buck變換器主功率電路1的輸出平均電壓vo接入輸出電壓採樣單元6，電流互感隔離放大單元8和功率電路控制單元2輸出端的pwm信號均接入電容電流觸發採樣單元9，開關頻率fs計算單元4、佔空比d計算單元5、輸出電壓採樣單元6和電容電流觸發採樣單元9的輸出端均接入電容esr和c計算單元7，電感l以及電容esr和c計算單元10的輸出端接入顯示單元11；所述驅動電路3的輸入端與功率電路控制單元2輸出端的pwm信號連接，驅動電路3的輸出端接入開關管qb的門極。所述信號處理模塊為dsp晶片tms320f28335；所述顯示單元11為1602液晶顯示屏。
基於本發明ccm降壓變換器電感及輸出電容的監測裝置的監測方法，包括以下步驟：
步驟1，在輸出端並聯上一個參數已知的電容7，在信號處理模塊中創建功率電路控制單元2、開關頻率fs計算單元4、佔空比d計算單元5、輸出電壓採樣單元6、電容電流觸發採樣單元9、電感l以及電容esr和c計算單元10；
步驟2，信號處理模塊的功率電路控制單元2根據buck變換器主功率電路1的輸出平均電壓vo，得到pwm信號並經驅動電路3驅動開關管qb；
步驟3，功率電路控制單元2輸出的pwm信號送入開關頻率fs計算單元4和佔空比d計算單元5，經開關頻率fs計算單元4處理得出變換器當前的開關頻率fs，經佔空比d計算單元5處理得出變換器當前的佔空比d；
步驟4，buck變換器主功率電路1的輸出平均電壓vo送入輸出電壓採樣單元6，得到輸出電壓的平均值；
步驟5，功率電路控制單元2輸出的pwm信號和電流互感隔離放大單元8的電容電流ix送入電容電流觸發採樣單元9，通過延時程序處理對電容電流等dts/10間隔採樣，得到電容電流的瞬時值ix(0)、ix(dts/10)、ix(dts/5)、ix(3dts/10)、ix(2dts/5)、ix(dts/2)、ix(3dts/5)、ix(7dts/10)、ix(4dts/5)、ix(9dts/10)、ix(dts)共11個值；
步驟6，將得到的開關頻率fs、佔空比d、輸出電壓的平均值vo以及電容電流的瞬時值ix(0)、ix(dts/10)、ix(dts/5)、ix(3dts/10)、ix(2dts/5)、ix(dts/2)、ix(3dts/5)、ix(7dts/10)、ix(4dts/5)、ix(9dts/10)、ix(dts)送入電感l以及電容esr和c計算單元10進行曲線擬合和綜合處理，得到buck變換器中電感l的值以及輸出濾波電容當前等效串聯電阻esr和電容c的值，具體的：
步驟6中所述l、esr和c計算單元(10)曲線擬合方程如下：
求得x1、x2、x3和icx(0)後，所述l、esr和c計算單元(10)對擬合曲線進行綜合處理，得到buck變換器中電感l的值以及輸出濾波電容當前等效串聯電阻esr和電容c的值，具體公式如下：
式中，l為電感的感值，esr為等效串聯電阻的阻值，c為電容的容值，fs為變換器開關頻率，vo為輸出電壓平均值，d為變換器的佔空比，esrx為所並聯電容的等效串聯電阻的阻值，cx為所並聯電容的電容的容值，x1、x2、x3為擬合曲線的參數。
步驟7，電感l以及電容esr和c計算單元10將所得的電感l以及等效串聯電阻esr和電容c的值送入顯示單元11實時顯示。