CCM降压变换器电感及输出电容的监测装置及方法与流程

本发明属于电能变换装置中的监测技术领域，特别是涉及一种ccm降压变换器电感及输出电容的监测装置及方法。

背景技术：

开关电源具有效率高、体积小等优点，在日常生产生活中广泛应用。降压(buck)、升压(boost)、升降压(buck-boost)变换器是三种最基本的开关电源变换器，其他的变换器均可以由这三种变换器衍变而来。其中，ccm(continuouscurrentmode，电流连续模式)buck变换器在计算机电源、通讯电源、航空航天等领域广泛使用。在buck变换器电路中为了得到较为稳定的输出电压，一般需要利用电容来滤除高频噪声。变换器工作一段时间之后，电容的容值(capacitance,c)和等效串联电阻(equivalentseriesresistance,esr)会发生变化，当该变化量较大时，即认为该电容已失效，将会造成电源和系统的运行故障，，因此监测ccmbuck变换器的输出滤波电容的esr和c，预测其寿命非常重要。现有的技术主要可分为离线监测技术和在线监测技术，离线检测技术使用方法简单，成本低，但一般只监测独立于电路外的电容，而在线检测技术可以检测在电路中处于工作状态的电容，但使用方法复杂，且需要知晓电路中的许多其他参数。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种ccm降压变换器电感及输出电容的监测装置及方法，能够实时监测电感的感值l以及等效串联电阻esr和电容的容值c的变化，对电解电容和电源的寿命进行准确预测。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种ccm降压变换器输出电容esr和c的监测装置包括buck变换器主功率电路、驱动电路、显示单元，一只参数已知的电容与电流互感器，以及信号处理模块，所述信号处理模块包括功率电路控制单元、开关频率fs计算单元、占空比d计算单元、输出电压采样单元、电容电流触发采样单元、电感l以及电容esr和c计算单元；

所述buck变换器主功率电路包括输入电压源vin、开关管qb、续流二极管db、滤波电感l、输出滤波电容和负载rl，所述输出滤波电容包括等效串联电阻esr和电容c，其中开关管qb的漏极与电压源vin的正极连接，续流二极管db的阴极与开关管qb的漏极连接，续流二极管db的阳极与电压源vin的负极连接，滤波电感l的一端与续流二极管db的阴极连接，滤波电感l的另一端分别与等效串联电阻esr的一端及负载rl的一端连接，等效串联电阻esr的另一端与电容c的一端连接，电容c的另一端及负载rl的另一端均与电压源vin的负极连接，负载rl两端为输出平均电压vo；

所述功率电路控制单元的输入端分别与buck变换器主功率电路的电压源vin和输出平均电压vo连接，功率电路控制单元输出端的pwm信号分别接入开关频率fs计算单元和占空比d计算单元，buck变换器主功率电路的输出平均电压vo接入输出电压采样单元，电流互感隔离放大单元和功率电路控制单元输出端的pwm信号均接入电容电流触发采样单元，开关频率fs计算单元、占空比d计算单元、输出电压采样单元和电容电流触发采样单元的输出端均接入电容esr和c计算单元，电感l以及电容esr和c计算单元的输出端接入显示单元；

所述驱动电路的输入端与功率电路控制单元输出端的pwm信号连接，驱动电路的输出端接入开关管qb的门极。

一种ccm降压变换器输出电容esr和c的监测方法，包括以下步骤：

步骤1，在输出端并联上一个参数已知的电容，在信号处理模块中创建功率电路控制单元、开关频率fs计算单元、占空比d计算单元、输出电压采样单元、电容电流触发采样单元、电感l以及电容esr和c计算单元；

步骤2，信号处理模块的功率电路控制单元根据buck变换器主功率电路的输出平均电压vo，得到pwm信号并经驱动电路驱动开关管qb；

步骤3，功率电路控制单元输出的pwm信号送入开关频率fs计算单元和占空比d计算单元，经开关频率fs计算单元处理得出变换器当前的开关频率fs，经占空比d计算单元处理得出变换器当前的占空比d；

步骤4，buck变换器主功率电路的输出平均电压vo送入输出电压采样单元，得到输出电压的平均值；

步骤5，功率电路控制单元输出的pwm信号和电流互感隔离放大单元(8)的电容电流ix送入电容电流触发采样单元，通过延时程序对电容电流等dts/10间隔采样，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个值；

步骤6，将得到的开关频率fs、占空比d、输出电压的平均值vo以及电容电流的瞬时值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)送入电感l以及电容esr和c计算单元进行曲线拟合和综合处理，得到buck变换器中电感l的值以及输出滤波电容当前等效串联电阻esr和电容c的值；

步骤7，电感l以及电容esr和c计算单元将所得的电感l以及等效串联电阻esr和电容c的值送入显示单元实时显示。

与现有技术相比，本发明的显著优点为：本发明针对ccmbuck变换器的电感和输出滤波电容，设计出一种高效稳定的电感l以及输出滤波电容等效串联电阻esr和电容c的在线监测装置及方法，该方法可以在不影响电路正常工作的情况下对电感的参数l以及电容的参数esr和c进行监测，为电容和电源的寿命预测提供依据，无需额外参数，方便实现。

附图说明

图1是ccmbuck变换器开关周期中的工作波形图。

图2是本发明ccm降压变换器电感l以及输出电容esr和c的监测装置的结构示意图。

其中：vin-输入电压，iin-输入电流，il-电感电流，ic-电容电流，icx-并联电容电流，io-输出电流，vo-输出电压平均值，qb-开关管，db-二极管，l-电感，c-输出滤波电容值，esr-等效串联电阻值，cx-并联电容的电容值，esrx-并联电容的等效串联电阻值，rl-负载，vgs-开关管qb的驱动电压，d-占空比，t-时间，fs-变换器开关频率，δil-电感电流纹波峰峰值，vesr-等效串联电阻上的电压，vc-电容上的电压。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作出进一步详细说明。

1、理论推导：

图1为ccmbuck变换器开关周期中的工作波形图。当开关管qb导通时，二极管db截止，电感l两端的电压为vo/d-vo，其电感电流il以(vo/d-vo)/l的斜率线性上升。当二极管db关断时，电感电流il通过二极管db续流，此时电感l两端的电压为-vo，电感电流il以vo/l的斜率下降。由于buck变换器工作在ccm模式，因此在开关周期结束前，电感电流il未下降到零。电感电流il在一个开关周期内的平均值即为输出电流io。

电感电流il在一个周期中的表达式如下：

其中vo为输出电压平均值，l为电感值，fs为buck变换器的开关频率，d为开关管的占空比，t为时间。

可以假设

可得，两电容的电流和ic+icx的表达式为：

两电容的电压表达式分别为

由于两电容并联，则两电容电压相等

vc(t)＝vcx(t)(9)

当时，

由式(10)求导可得

分别对式(11)等号两边做laplace变换可得

化简可得

对式(13)等号做laplace逆变换可得

其中

根据采样得到的11个并联电容电流值可以做出拟合曲线，得到x1、x2、x3和icx(0)。

把式(2)、(3)代入(15)、(16)、(17)可得：

式中，l为电感的感值，esr为等效串联电阻的阻值，c为电容的容值，fs为变换器开关频率，vo为输出电压平均值，d为变换器的占空比，esrx为所并联电容的等效串联电阻的阻值，cx为所并联电容的电容的容值，x1、x2、x3为拟合曲线的参数。

基于式(18)、(19)、(20)，可以得到ccmbuck变换器电感l以及输出滤波电容esr和c的监测方法。

2、本发明ccm降压变换器电感及输出电容的监测装置及方法

结合图2，本发明ccm降压变换器电感及输出电容的监测装置，包括buck变换器主功率电路1、驱动电路3、参数已知的电容7、电流互感隔离放大单元8、显示单元11和信号处理模块，所述信号处理模块包括功率电路控制单元2、开关频率fs计算单元4、占空比d计算单元5、输出电压采样单元6、电容电流触发采样单元9、电感l以及电容esr和c计算单元10；

所述buck变换器主功率电路1包括输入电压源vin、开关管qb、续流二极管db、滤波电感l、输出滤波电容和负载rl，所述输出滤波电容包括等效串联电阻esr和电容c，其中开关管qb的漏极与电压源vin的正极连接，续流二极管db的阴极与开关管qb的漏极连接，续流二极管db的阳极与电压源vin的负极连接，滤波电感l的一端与续流二极管db的阴极连接，滤波电感l的另一端分别与等效串联电阻esr的一端及负载rl的一端连接，等效串联电阻esr的另一端与电容c的一端连接，电容c的另一端及负载rl的另一端均与电压源vin的负极连接，负载rl与参数已知的电容(7)并联，其两端为输出平均电压vo。

所述功率电路控制单元2的输入端分别与buck变换器主功率电路1的电压源vin和输出平均电压vo连接，功率电路控制单元2输出端的pwm信号分别接入开关频率fs计算单元4和占空比d计算单元5，buck变换器主功率电路1的输出平均电压vo接入输出电压采样单元6，电流互感隔离放大单元8和功率电路控制单元2输出端的pwm信号均接入电容电流触发采样单元9，开关频率fs计算单元4、占空比d计算单元5、输出电压采样单元6和电容电流触发采样单元9的输出端均接入电容esr和c计算单元7，电感l以及电容esr和c计算单元10的输出端接入显示单元11；所述驱动电路3的输入端与功率电路控制单元2输出端的pwm信号连接，驱动电路3的输出端接入开关管qb的门极。所述信号处理模块为dsp芯片tms320f28335；所述显示单元11为1602液晶显示屏。

基于本发明ccm降压变换器电感及输出电容的监测装置的监测方法，包括以下步骤：

步骤1，在输出端并联上一个参数已知的电容7，在信号处理模块中创建功率电路控制单元2、开关频率fs计算单元4、占空比d计算单元5、输出电压采样单元6、电容电流触发采样单元9、电感l以及电容esr和c计算单元10；

步骤2，信号处理模块的功率电路控制单元2根据buck变换器主功率电路1的输出平均电压vo，得到pwm信号并经驱动电路3驱动开关管qb；

步骤3，功率电路控制单元2输出的pwm信号送入开关频率fs计算单元4和占空比d计算单元5，经开关频率fs计算单元4处理得出变换器当前的开关频率fs，经占空比d计算单元5处理得出变换器当前的占空比d；

步骤4，buck变换器主功率电路1的输出平均电压vo送入输出电压采样单元6，得到输出电压的平均值；

步骤5，功率电路控制单元2输出的pwm信号和电流互感隔离放大单元8的电容电流ix送入电容电流触发采样单元9，通过延时程序处理对电容电流等dts/10间隔采样，得到电容电流的瞬时值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个值；

步骤6，将得到的开关频率fs、占空比d、输出电压的平均值vo以及电容电流的瞬时值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)送入电感l以及电容esr和c计算单元10进行曲线拟合和综合处理，得到buck变换器中电感l的值以及输出滤波电容当前等效串联电阻esr和电容c的值，具体的：

步骤6中所述l、esr和c计算单元(10)曲线拟合方程如下：

求得x1、x2、x3和icx(0)后，所述l、esr和c计算单元(10)对拟合曲线进行综合处理，得到buck变换器中电感l的值以及输出滤波电容当前等效串联电阻esr和电容c的值，具体公式如下：

式中，l为电感的感值，esr为等效串联电阻的阻值，c为电容的容值，fs为变换器开关频率，vo为输出电压平均值，d为变换器的占空比，esrx为所并联电容的等效串联电阻的阻值，cx为所并联电容的电容的容值，x1、x2、x3为拟合曲线的参数。

步骤7，电感l以及电容esr和c计算单元10将所得的电感l以及等效串联电阻esr和电容c的值送入显示单元11实时显示。