Dcm降壓變換器輸出電容esr和c的監(jiān)測裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于電能變換裝置中的監(jiān)測技術領域，特別是一種DCM降壓（Buck)變換器 輸出電容ESR和C的監(jiān)測裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 由于效率高、體積小等優(yōu)點，開關電源在日常生產生活中應用十分廣泛。一 般而言，為了得到較為穩(wěn)定的輸出電壓，必須采用電容有效濾除高頻噪聲。變換器工 作一段時間之后，電容的容值（Capacitance, C)和等效串聯(lián)電阻（Equivalent Series Resistance，ESR)會發(fā)生變化，與初電容值C和阻值ESR相比，當該變化量較大時，即可認為 該電容已失效，電容的失效將會造成電源和系統(tǒng)的運行故障。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，DCM(Discontinuous Current Mode，電流斷續(xù)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，因此監(jiān)測DCM Buck變換器的輸出濾 波電容的ESR和C，預測其壽命非常重要。
[0003] 國內外學者近年來對開關電源中電解電容的參數(shù)監(jiān)測作了一定的研究，主要可分 為兩類，分別為離線式和在線式。但是使用離線式監(jiān)測電解電容時需要停止設備運行。而 在線式監(jiān)測雖然無須停止設備運行，但是它在除電流模式控制可以利用現(xiàn)有的開關管電流 檢測信號外，需要增加電流傳感器以檢測電容、電感等電流。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種DCM降壓變換器輸出電容ESR和C的監(jiān)測裝置及方 法，能夠實時監(jiān)測等效串聯(lián)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。
[0005] 實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案為：一種DCM降壓變換器輸出電容ESR和C的監(jiān) 測裝置，包括Buck變換器主功率電路、驅動電路、顯示單元和信號處理模塊，所述信號處理 模塊包括功率電路控制單元、開關頻率匕計算單元、占空比D計算單元、輸出電壓觸發(fā)采樣 單元、電容ESR和C計算單元；
[0006] 所述Buck變換器主功率電路包括輸入電壓源Vin、開關管Q b、續(xù)流二極管Db、濾波 電感L、輸出濾波電容和負載&，所述輸出濾波電容包括等效串聯(lián)電阻ESR和電容C，其中開 關管Q b的漏極與電壓源V in的正極連接，續(xù)流二極管D b的陰極與開關管Q b的源極連接，續(xù) 流二極管Db的陽極與電壓源V in的負極連接，濾波電感L的一端與續(xù)流二極管D b的陰極連 接，濾波電感L的另一端分別與等效串聯(lián)電阻ESR的一端及負載Rlj的一端連接，等效串聯(lián) 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&的另一端均與電壓源V in 的負極連接，負載&兩端為輸出電壓V ^
[0007] 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V in和輸 出電壓V。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:^計算單元和占空 比D計算單元，Buck變換器主功率電路的輸出電壓v。和功率電路控制單元輸出端的PffM信 號均接入輸出電壓觸發(fā)采樣單元，開關頻率匕計算單元、占空比D計算單元、輸出電壓觸發(fā) 采樣單元的輸出端均接入電容ESR和C計算單元，電容ESR和C計算單元的輸出端接入顯 示單元；
[0008] 所述驅動電路的輸入端與功率電路控制單元輸出端的PffM信號連接，驅動電路的 輸出端接入開關管Q b的柵極。
[0009] 一種DCM降壓變換器輸出電容ESR和C的監(jiān)測方法，包括以下步驟：
[0010] 步驟1，在信號處理模塊中創(chuàng)建功率電路控制單元、開關頻率匕計算單元、占空比 D計算單元、輸出電壓觸發(fā)采樣單元、電容ESR和C計算單元；
[0011] 步驟2,信號處理模塊的功率電路控制單元采集Buck變換器主功率電路的輸出電 壓V。和輸入電壓V in，得到PffM信號并經驅動電路驅動開關管Qb;
[0012] 步驟3,功率電路控制單元輸出的PffM信號分別送入開關頻率匕計算單元和占空 比D計算單元，經開關頻率f s計算單元處理得出變換器當前的開關頻率f s，經占空比D計 算單元處理得出變換器當前的占空比D ;
[0013] 步驟4,功率電路控制單元輸出的PffM信號和Buck變換器主功率電路的輸出電壓 V ci同時送入輸出電壓觸發(fā)采樣單元，經輸出電壓觸發(fā)采樣單元處理得到輸出電壓的瞬時值 「.(0)、vUW2)和輸出電壓的平均值V ciJs為變換器開關周期，D為變換器的占空比，：氣(〇) 為PffM信號上升沿時刻對應的瞬時輸出電壓，為PffM信號上升沿和下降沿之間的 中點時刻對應的瞬時輸出電壓；
[0014] 步驟5,將得到的開關頻率fs、占空比D、以及輸出電壓的瞬時值U〇)>「,.(D7V2) 和輸出電壓的平均值V。送入電容ESR和C計算單元進行綜合處理，得到Buck變換器中輸 出濾波電容當前等效串聯(lián)電阻ESR和電容C的值；
[0015] 步驟6,電容ESR和C計算單元將所得的等效串聯(lián)電阻ESR和電容C的值送入顯示 單元實時顯示。
[0016] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的顯著優(yōu)點為：⑴不影響變換器的正常工作；（2)在線 監(jiān)測電容的ESR和C值，為電容和電源的壽命預測提供依據；（3)無需電流傳感器及其輔助 電路檢測電容電流，減小了參數(shù)監(jiān)測的難度。
【附圖說明】
[0017] 圖1是DCM Buck變換器開關周期中的工作波形。
[0018] 圖2是本發(fā)明DCM降壓變換器輸出電容ESR和C的監(jiān)測方法示意圖。
[0019] 其中：Vin-輸入電壓，Iin-輸入電流，i「電感電流，i「電容電流，I。-輸出電流， V。-輸出電壓，V。-輸出電壓平均值，Qb-開關管，D b-二極管，L-電感，C-輸出濾波電容值， ESR-等效串聯(lián)電阻值，負載，Vgs-開關管Qb的驅動電壓，D-占空比，t-時間，T s-變換器 開關周期，fs-變換器開關頻率，A 電感電流紋波峰峰值，Vesr-等效串聯(lián)電阻上的電壓， vc-電容上的電壓。
【具體實施方式】
[0020] 下面結合附圖及具體實施例對本發(fā)明作出進一步詳細說明。
[0021] 本發(fā)明設id 種在線監(jiān)測工作于電感電流斷續(xù)模式（Discontinuous Conduction Mode，DCM)的降壓（Buck)變換器輸出濾波電容ESR和C的裝置及方法。
[0022] 1、理論推導：
[0023] 圖1為DCM Buck變換器開關周期中的工作波形。當開關管Qb導通時，二極管Db截 止，電感L兩端的電壓為V in_V。，其電感電流紅以（Vin-Vci)A的斜率線性上升。當二極管D b 關斷時，電感電流通過二極管D b續(xù)流，此時電感L兩端的電壓為-V。，電感電流紅以V。/1 的斜率下降。由于Buck變換器工作在DCM模式，因此在開關周期結束前，電感電流L已經 下降到零。電感電流1在一個開關周期內的平均值即為輸出電流IP
[0024] 電感電流紅在一個周期中的表達式如下：
[0026] V0DJs= (Vin-V0)DTs
[0027] 其中Vin為輸入電壓，V。為輸出電壓平均值，L為電感值，f 3為Buck變換器的開關 頻率，D為開關管的占空比，Dr為二極管續(xù)流的占空比，T 3為Buck變換器的開關周期，t為 時間。
[0028] 電容電流ic的表達式為：
[0031] 電容電流、在電容C和等效串聯(lián)電阻ESR上的壓降分別Sv c(t)和Vesr (t)，其波 形如結合圖1，等效串聯(lián)電阻ESR上的電壓vESR(t)波形與電容電流、(〇波形形狀一致，
[0032] 其表達式為：
[0034] 電容電壓vc(t)與電容電流ie(t)的關系如下式：
[0036] 其中Vc(O)為零時刻對應的電容電壓。
[0037] 顯然，等效串聯(lián)電阻ESR上的電壓直流分量為0,即vESR(t)在開關周期內的平均值 為0,因此，將式（4)在變換器的一個開關周期T s內求平均值，即為輸出電壓平均值Vci，如下 式所示：
[0041] 從附圖1可以看出，電容C上的電壓為電容電壓vc(t)與ESR電壓vESR(t)的合成 電壓，該電壓與電容電流i e、電容C、等效串聯(lián)電阻ESR等有關，實際電路中，根據檢測所得 的紋波電流ic(t)和合成電壓v c(t)+vESR(t)的信息即可反推出電容C和等效串聯(lián)電阻ESR 值。為此，重點考察0時刻和DT s/2兩個時刻點。
[0042] 電容電壓vc(t)與等效串聯(lián)電阻ESR電壓vESR(t)的合成電壓即為輸出電壓瞬時值 V ci⑴，根據式（3)、式⑷和式（6)，可得：
[0044] 根據式（7)的輸出電壓表達式，去除直流平均值V?？傻幂敵鲭妷旱慕涣鞣至恐? 如下：
[0052] 式中，C為電容的容值，ESR為等效串聯(lián)電阻的阻值，L為電感值，fs為變換器開關 頻率，T s為變換器開關周期，Vin為輸入電壓平均值，V。為輸出電壓平均值，I。為輸出電流， D為變換器的占空比，以〇)為PffM信號上升沿時刻對應的瞬時輸出電壓，
為PWM信號 上升沿和下降沿之間的中點時刻對應的瞬時輸出電壓。
[0053] 基于式（12)，可以得到DCM Buck變換器輸出濾波電容ESR和C的監(jiān)測方法。
[0054] 2、本發(fā)