Dcm升压变换器输出电容esr和c的监测装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种DCM升压变换器输出电容ESR和C的监测装置及方法。该装置包括Boost变换器主功率电路、驱动电路、显示单元和信号处理模块，其中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、输出电压触发采样单元、电容ESR和C计算单元；该方法为通过检测开关管的PWM驱动脉冲信号，经占空比D计算单元得到占空比，经开关频率fs计算单元得到变换器的开关频率，输出电压触发采样单元一方面检测输出电压平均值，另一方面触发采样得到输出电压的瞬时值，将上述数据送入电容ESR和C计算单元，得到Boost变换器中输出滤波电容当前ESR和C的值。本发明无需电流传感器，不影响变换器的正常工作，为电容和电源的寿命预测提供依据。
【专利说明】
DCM升压变换器输出电容ESR和C的监测装置及方法
技术领域
[0001] 本发明属于电能变换装置中的监测技术领域，特别是一种DCM升压变换器输出电 容ESR和C的监测装置及方法。
【背景技术】
[0002] 由于效率高、体积小等优点，开关电源在日常生产生活中应用十分广泛。一般而 言，为了得到较为稳定的输出电压，必须采用电容有效滤除高频噪声。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(Equivalent Series Resistance， ESR)会发生变化，与初电容值C和阻值ESR相比，当该变化量较大时，即可认为该电容已失 效，电容的失效将会造成电源和系统的运行故障。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，DCM Boost变换器在直流电动机、PFC功率因数校正电路以及直流电源等领域广 泛使用，因此监测DCM Boost变换器的输出滤波电容的ESR和C，预测其寿命非常重要，但是 现有技术无法实时监测等效串联电阻ESR和电容的容值C的变化，因此不能对电解电容和电 源的寿命进行准确预测。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种DCM升压变换器输出电容ESR和C的监测装置及方法， 能够实时监测等效串联电阻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。
[0004] 实现本发明目的的技术解决方案为:一种DCM升压变换器输出电容ESR和C的监测 装置包括Boost变换器主功率电路、驱动电路、显示单元和信号处理模块，所述信号处理模 块包括功率电路控制单元、开关频率f s计算单元、占空比D计算单元、输出电压触发采样单 元、电容ESR和C计算单元；
[0005] 所述Boost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，其中滤 波电感L的一端与电压源V in的正极连接，滤波电感L的另一端分别与开关管Qb的漏极及续流 二极管Db的阳极连接，开关管Q b的源极与电压源Vin的负极连接，续流二极管Db的阴极分别与 等效串联电阻ESR的一端以及负载R l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V in的负极连接，负载Rl两端为输出电 压Vo;
[0006] 所述功率电路控制单元的输入端分别与Boost变换器主功率电路的电压源Vin和输 出电压V。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匕计算单元和占空比 D计算单元，Boost变换器主功率电路的输出电压V。和功率电路控制单元输出端的PffM信号 均接入输出电压触发采样单元，开关频率f s计算单元、占空比D计算单元、输出电压触发采 样单元的输出端均接入电容ESR和C计算单元，电容ESR和C计算单元的输出端接入显示单 元；
[0007] 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的栅极。
[0008] 一种DCM升压变换器输出电容ESR和C的监测方法，包括以下步骤：
[0009] 步骤1，在信号处理模块中创建功率电路控制单元、开关频率匕计算单元、占空比D 计算单元、输出电压触发采样单元、电容ESR和电容量C计算单元；
[0010] 步骤2,信号处理模块的功率电路控制单元采集Boost变换器主功率电路的输出电 压V。和输入电压Vin，得到PffM信号并经驱动电路驱动开关管Q;
[0011] 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f s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;
[0012] 步骤4，功率电路控制单元输出的PWM信号和Boo st变换器主功率电路的输出电压 v。同时送入输出电压触发采样单元，经输出电压触发采样单元处理得到PWM信号上升沿时 刻对应的瞬时输出电压ν〇(0)、PWM信号上升沿和下降沿之间的中点时刻对应的瞬时输出电 压 V〇(DTs/2)和输出电压的平均值V。；
[0013] 步骤5，将得到的开关频率fs、占空比D、以及PWM信号上升沿时刻对应的瞬时输出 电压v。(0)、PffM信号上升沿和下降沿之间的中点时刻对应的瞬时输出电压v。(DT s/2)和输出 电压的平均值V。送入电容ESR和C计算单元进行综合处理，得到Boost变换器中输出滤波电 容当前等效串联电阻ESR和电容C的值；
[0014] 步骤6,电容ESR和C计算单元将所得的等效串联电阻ESR和电容C的值送入显示单 元实时显示。
[0015] 本发明与现有技术相比，其显著优点为：（1)不影响变换器的正常工作；（2)在线 监测电容的ESR和C值，为电容和电源的寿命预测提供依据；（3)无需电流传感器及其辅助电 路检测电容电流，减小了参数监测的难度。
【附图说明】：
[0016] 图1是DCM Boost变换器开关周期中的工作波形。
[0017]图2是DCM升压变换器输出电容ESR和C的监测方法示意图。
[0018] 其中：Vin-输入电压，I in-输入电流，iL-电感电流，i C-电容电流，I。一输出电 流，v。一输出电压，V。一输出电压平均值，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，Rl-负载，Vgs-开关管Qb的驱动电压，D-占空比，t-时间， Ts-变换器开关周期，fs-变换器开关频率，Δ Il--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】
[0019] 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。
[0020] 本发明设计一种在线监测工作于电感电流断续模式(DCM)的升压(Boost)变换器 输出滤波电容ESR和C的装置及方法。
[0021] 1、理论推导：
[0022] 图1为DCM Boost变换器开关周期中的工作波形。当开关管Qb导通时，二极管Db截 止，电感L两端的电压为Vin，其电感电流k以Vin/L的斜率线性上升。当二极管Db关断时，电感 电流id!过二极管Db续流，此时电感L两端的电压为v in-v。，电感电流k以(Vin-Vc1)A的斜率 下降。由于Boost变换器工作在DCM模式，因此在开关周期结束前，电感电流k下降到零。电 感电流k在一个开关周期内的平均值即为输出电流I。。电容电流k的表达式为：
[0023]
(1)
[0024]由伏秒平衡得：
[0025]
[0026]
[0027]
[0028] 电容电流为电感电流减去输出电流平均值，其表达式为：
[0029:
[0030:
[0031：
[0032]其中Vin为输入电压，V。为输出电压平均值，L为电感值，fs为Boost变换器的开关频 率，D为开关管的占空比，TsSBoost变换器的开关周期，t为时间，I。为电感电流在一个开关 周期内的平均值。
[0033] ic在C和ESR上的压降分别为Vc (t)和Vesr (t )，等效串联电阻ESR上的电压Vesr (t)波 形与电容电流ic ( t)波形形状一致，其表达式为：
[0034]
(2)
[0035] 电容电压vc(t)与电容电流ic(t)的关系如下式：
[0036]
[0037] 其中Vc(O)为零时刻对应的电容电压。
[0040] 由式可(4)得：[0041]
(5)
[0038]显然，等效串联电阻ESR上的电压直流分量为0,即vESR(t)在开关周期内的平均值 为0,因此，将式(3)在变换器的一个开关周期Ts内求平均值，即为输出电压平均值V。，如下式 所示：
[0039]
[0042]电容电压vc(t)与等效串联电阻ESR电压vESR(t)的合成电压即为输出电压瞬时值V。 (t)，根据式(2)、式(3)和式(5)，可得：
[0043] v〇(t) =VESR(t)+vc(t)
[0044]
[0045] 去除直流平均值V。可得输出电压的交流分量元的如下：
[0046]
[0047] 0时刻和DTs/2时亥Ij，输出电压的交流分量切)分别为：
[0053] 式中，ESR为等效串联电阻的阻值，C为电容的容值，L为电感值，f s为变换器开关频 率，Ts为变换器开关周期，V。为输出电压平均值，D为变换器的占空比，Vc1(O)为P丽信号上升 沿时刻对应的瞬时输出电压，ν',,(f)为PffM信号上升沿和下降沿之间的中点时刻对应的瞬 时输出电压。
[0054] 基于式（11)，可以得到DCM Boost变换器输出滤波电容ESR和C的监测方法。
[0055] 2、本发明DCM升压变换器输出电容ESR和C的监测装置及方法
[0056] 结合图2,本发明DCM升压变换器输出电容ESR和C的监测装置，包括Boost变换器主 功率电路1、驱动电路3、显示单元8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f 3计算单元4、占空比D计算单元5、输出电压触发采样单元6、电容ESR和C计 算单元7;
[0057]所述Boost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D b、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，其中滤 波电感L的一端与电压源Vin的正极连接，滤波电感L的另一端分别与开关管Q b的漏极及续流 二极管Db的阳极连接，开关管Qb的源极与电压源V in的负极连接，续流二极管Db的阴极分别与 等效串联电阻ESR的一端以及负载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V in的负极连接，负载Rl两端为输出电 压Vo;
[0058] 所述功率电路控制单元2的输入端分别与Boost变换器主功率电路1的电压源Vir^P 输出电压V。连接，功率电路控制单元2输出端的PffM信号分别接入开关频率匕计算单元4和占 空比D计算单元5, Boost变换器主功率电路1的输出电压V。和功率电路控制单元2输出端的 PWM信号均接入输出电压触发采样单元6,开关频率:^计算单元4、占空比D计算单元5、输出 电压触发采样单元6的输出端均接入电容ESR和C计算单元7，电容ESR和C计算单元7的输出 端接入显示单元8;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Q b的栅极。所述信号处理模块为DSP芯片TMS320F28335;所 述显示单元(8)为1602液晶显示屏。
[0059] 基于本发明DCM升压变换器输出电容ESR和C的监测装置的监测方法，包括以下步 骤：
[0060] 步骤1，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、输出电压触发采样单元6、电容ESR和电容量C计算单元7;
[0061 ]步骤2,信号处理模块的功率电路控制单元2采集Boost变换器主功率电路1的输出 电压v。和输入电压Vin，得到PffM信号并经驱动电路3驱动开关管Q;
[0062] 步骤3，功率电路控制单元2输出的HVM信号送入开关频率fs计算单元4和占空比D 计算单元5,经开关频率匕计算单元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;
[0063] 步骤4,功率电路控制单元2输出的PWM信号和Boost变换器主功率电路1的输出电 压V。同时送入输出电压触发采样单元6,经输出电压触发采样单元6处理得到PWM信号上升 沿时刻对应的瞬时输出电压ν〇(0)、PWM信号上升沿和下降沿之间的中点时刻对应的瞬时输 出电压 V〇(DTs/2)和输出电压的平均值V。；
[0064] 步骤5，将得到的开关频率fs、占空比D、以及P丽信号上升沿时刻对应的瞬时输出 电压v。(0)、PffM信号上升沿和下降沿之间的中点时刻对应的瞬时输出电压v。(DT s/2)和输出 电压的平均值V。送入电容ESR和C计算单元7进行综合处理，根据公式（11)得到Boost变换器 中输出滤波电容当前电容C的值，根据公式（12)得到Boost变换器中输出滤波电容当前等效 串联电阻ESR的值；
[0065] 步骤6,电容ESR和C计算单元7将所得的等效串联电阻ESR和电容C的值送入显示单 元8实时显示。
[0066]本发明针对DCM Boost变换器的输出滤波电容，设计出一种高效稳定的输出滤波 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，并且无需电 容电流检测部分，方便实现，具有重要的实际应用价值。
【主权项】
1. 一种DCM升压变换器输出电容ESR和C的监测装置，其特征在于，包括Boost变换器主 功率电路（1)、驱动电路(3)、显示单元(8)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)、输出电压触发采样单元 (6)、电容ESR和C计算单元(7); 所述Boost变换器主功率电路（1)包括输入电压源Vin、开关管化、续流二极管化、滤波电 感L、输出滤波电容和负载化，所述输出滤波电容包括等效串联电阻ESR和电容C，其中滤波 电感L的一端与电压源Vin的正极连接，滤波电感L的另一端分别与开关管化的漏极及续流二 极管化的阳极连接，开关管化的源极与电压源Vin的负极连接，续流二极管化的阴极分别与等 效串联电阻ESR的一端W及负载化的一端连接，等效串联电阻ESR的另一端与电容C的一端 连接，电容C的另一端及负载化的另一端均与电压源Vin的负极连接，负载化两端为输出电压 Vo； 所述功率电路控制单元(2)的输入端分别与Boost变换器主功率电路（1)的电压源Vin和 输出电压V。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) ,Boost变换器主功率电路（1)的输出电压V。和功率电路控制单元 (2) 输出端的PWM信号均接入输出电压触发采样单元(6)，开关频率fs计算单元(4)、占空比D 计算单元(5)、输出电压触发采样单元(6)的输出端均接入电容ESR和C计算单元(7)，电容 ESR和C计算单元(7)的输出端接入显示单元(8); 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化的栅极。2. 根据权利要求1所述的DCM升压变换器输出电容ESR和C的监测装置，其特征在于，所 述信号处理模块为DSP忍片TMS320F28335。3. 根据权利要求1所述的DCM升压变换器输出电容ESR和C的监测装置，其特征在于，所 述显示单元(8)为1602液晶显示屏。4. 一种DCM升压变换器输出电容ESR和C的监测方法，其特征在于，包括W下步骤： 步骤1，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 的十算单元(5)、输出电压触发采样单元(6)、电容ESR和电容量C计算单元(7); 步骤2,信号处理模块的功率电路控制单元(2)采集Boost变换器主功率电路（1)的输出 电压V。和输入电压Vin,得到PWM信号并经驱动电路(3)驱动开关管Q; 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)和占空比的十 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，经占空比的十算 单元(5)处理得出变换器当前的占空比D; 步骤4,功率电路控制单元(2)输出的Pmi信号和Boost变换器主功率电路（1)的输出电 压V。同时送入输出电压触发采样单元(6)，经输出电压触发采样单元(6)处理得到PWM信号 上升沿时刻对应的瞬时输出电压Vd(0)、PWM信号上升沿和下降沿之间的中点时刻对应的瞬 时输出电压Vd(DTs/2)和输出电压的平均值V。； 步骤5,将得到的开关频率fs、占空比D、W及PWM信号上升沿时刻对应的瞬时输出电压V。 (0)、PWM信号上升沿和下降沿之间的中点时刻对应的瞬时输出电压Vd(DTs/2)、输出电压的 平均值V。送入电容ESR和C计算单元(7)进行综合处理，得到Boost变换器中输出滤波电容当 前等效串联电阻ESR和电容C的值； 步骤6,电容ESR和C计算单元(7)将所得的等效串联电阻ESR和电容C的值送入显示单元 (8)实时显不。5.根据权利要求4所述的DCM升压变换器输出电容ESR和C的监测方法，其特征在于，步 骤5中所述ESR和C计算单元(7)综合处理的公式如下：式中，ESR为等效串联电阻的阻值，C为电容的容值，L为电感值，f S为变换器开关频率，Ts 为变换器开关周期，V。为输出电压平均值，D为变换器的占空比，Vd(O)为PWM信号上升沿时刻 OT 对应的瞬时输出电压，为PWM信号上升沿和下降沿之间的中点时刻对应的瞬时输出 厶 电压。
【文档编号】G01R27/26GK105915049SQ201610211415
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月6日
【发明人】韩旭芝, 姚凯, 杨思文, 周世林, 曹诚
【申请人】南京理工大学