专利名称：开关电源中光电耦合器退化监测方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及开关电源监测技术领域，特别是涉及一种开关电源中光电耦合器退化监测方法，以及一种开关电源中光电耦合器退化监测装置。
背景技术：
开关电源广泛应用于计算机、通信、航空航天等诸多领域。与其他电学子系统相t匕，开关电源比其下游的组件有更高的失效率，是系统的薄弱环节。一旦其发生故障，将导致下游组件工作异常甚至损毁，造成难以估量的严重后果。所以对开关电源的故障监测就显得尤为重要。现有的对开关电源故障监测的方式主要有内部测量和外部测量两种。外部测量的方法有通过对开关电源输出级纹波电压的监控，以达到预测滤波电容健康状况的目的。内部测量的方法有通过芯片对开关电源负反馈回路占空比的测量来反应其健康状况。开关电源中的光电稱合器是由发光二极管和光敏三极管组合而成的具有光电率禹合，电流增益和电流传输特性的元器件。其中发光二极管起到把输入电流变换成电信号的作用，而光敏三极管则起到把光信号变换成电流信号的作用。由于发光二极管和光敏三极管之间不是电与电的直接耦合，而是光与电的间接耦合，因此它是具有隔离特性的耦合器件。光电耦合器出现在开关电源的控制回路中，一般起到开关、传递取样误差信号以及承前启后的稳压控制等作用。光电耦合器的一个重要的技术参数是电流传输比(CTR)，其值等于输出电流与输入电流之比。由于发光二极管发光效率退化等原因，光电耦合器会产生退化现象，其退化的表现形式就是CTR数值的变化。现有的对光电耦合器故障诊断方式包括:将光电耦合器直接取出，测量其CTR数值；或者通过“光耦短路法”。将光电耦合器发光二极管的负极强行短地，电源输出电压应该下降，如果输出电压不变，说明光耦已坏。上述两种方式的缺点有:自行拆除光电耦合器或者将其发光二极管强行接地来测量电源输出电压都会对开关电源本身造成损害；仅能够判断出光电耦合器是否损坏，而没有反映出其退化情况，无法进行预测；未能实现对开关电源光电耦合器的在线退化监测，即在开关电源正常工作时，无法判断其光电耦合器的健康状况。
发明内容
基于此，本发明提供一种开关电源中光电耦合器退化监测方法和装置，无需对电源内部结构进行拆卸，且能在开关电源正常工作时实现对光电耦合器的实时在线监控。一种开关电源中光电耦合器退化监测方法，包括如下步骤:对开关电源输出端负载施加电流脉冲信号，获取所述开关电源的响应信号；将所述响应信号放大后整形为方波脉冲序列；读取所述方波脉冲序列中的方波脉冲个数，通过所述方波脉冲个数判断光电耦合
器是否退化。
一种开关电源中光电耦合器退化监测装置，包括脉冲发生器、信号放大电路、整形电路、计数器和处理器；所述脉冲发生器和信号放大电路分别与开关电源的输出端连接，所述信号放大电路、整形电路、计数器和处理器依次连接；所述脉冲发生器用于对开关电源输出端负载施加电流脉冲信号；所述信号放大电路用于获取所述开关电源的响应信号，将所述响应信号进行放大；所述整形电路用于将放大后的响应信号整形为方波脉冲序列；所述计数器用于读取所述方波脉冲序列中的方波脉冲个数；所述处理器用于通过所述方波脉冲个数判断光电耦合器是否退化。上述开关电源中光电耦合器退化监测方法和装置，对电源输出级负载施加电流脉冲信号，通过接收开关电源对此脉冲所产生的响应信号，对该响应信号进行处理，获取其方波脉冲个数，从方波脉冲个数的变化确定其电流传输比CTR的变化，实现对开关电源光电耦合器退化情况的实时监测，对光耦退化情况进行记录跟踪，方便使用者对电源健康状况做出判断，避免电源突然失效，防止下游电路出现严重问题；本发明可通过单片机进行数据处理，简单易行，成本低廉；本发明装置可直接接入电源输出级，无需取出光电耦合器，无需对电源内部结构进行拆卸，操作简单，既避免了对光电耦合器或其他相邻器件的损伤，同时也提高了监测效率。
图1为本发明开关电源中光电耦合器退化监测方法在一实施例中的流程示意图。图2为本发明开关电源中光电耦合器退化监测装置在一实施例中的结构示意图。图3为图2中脉冲发生器的电路结构示意图。图4为图2中信号放大电路的电路结构示意图。图5为图2中光电耦合器某一 CTR值时的正弦阻尼振荡示意图。图6为图2中光电稱合器某一 CTR值时的正弦阻尼振荡不意图。图7为图2中光电耦合器某一 CTR值时整形电路输出的方波脉冲序列。图8为图2中光电耦合器某一 CTR值时整形电路输出的方波脉冲序列。图9为图2中光电耦合器CTR值与方波脉冲个数之间的关系示意图。
具体实施例方式下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。如图1所示，是本发明开关电源中光电耦合器的监测方法在一实施例中的流程示意图，包括如下步骤:S11、对开关电源输出端负载施加电流脉冲信号，获取所述开关电源的响应信号；S12、将所述响应信号放大后整形为方波脉冲序列；S13、读取所述方波脉冲序列中的方波脉冲个数，通过所述方波脉冲个数判断光电耦合器是否退化；本发明考虑到光电耦合器的一个重要的技术参数是电流传输比(CTR)，其值等于输出电流与输入电流之比。由于发光二极管发光效率退化等原因，光电耦合器会产生退化现象，其退化的表现形式就是CTR数值的变化；若对开关电源施加电流脉冲信号，开关电源会对其产生响应信号，该响应信号为正弦阻尼振荡，此正弦阻尼振荡与开关电源控制回路有关，即环路增益越大，震荡的频率就越大，而光电耦合器出现在控制回路之中，CTR是整体环路增益的一个因子，所以，CTR数值越大，环路增益越大，正弦阻尼振荡的频率也就越大，而光电耦合器的退化又直接引起其CTR数值的下降化，所以通过对开关电源的电流脉冲信号的频率监测，就可以体现出光电耦合器CTR的大小，进而起到其退化监测的作用；因此在本实施例中，首先通过对开关电源输出端负载施加电流脉冲信号，开关电源瞬态响应，获取其响应信号；根据实际需要设置合适的放大倍数，将该响应信号进行放大，放大后的响应信号即可整形为方波脉冲序列，读取其方波个数，从而判断光电耦合器是否退化。在一较佳实施例中，所述通过所述方波脉冲个数判断光电耦合器是否退化的步骤具体为:若当前读取的所述方波脉冲个数小于上一次采样读取的方波脉冲个数，则判断所述光电耦合器退化；因此通过本发明，定期对开关电源进行检测，记录获取的方波脉冲个数，分析不同时间阶段方波脉冲个数的变化情况，从而得到开关电源中光电耦合器的退化情况，达到实时监测的目的。在一较佳实施例中，在所述将所述响应信号放大的步骤后，还可包括通过稳压电路控制所述响应信号的最大电压低于预设的电压阈值的步骤，防止信号振荡幅度过大；在一较佳实施例中，在所述将所述响应信号放大的步骤前，还包括对所述响应信号进行直流隔离的步骤，能使响应信号的波形清晰稳定；在一较佳实施例中，在所述将所述响应信号放大的步骤前,还包括对所述响应信号进行滤波的步骤，滤去毛刺杂波，能使响应信号的波形清晰稳定。本发明还提供一种开关电源中光电耦合器的监测装置，如图2所示，包括脉冲发生器21、信号放大电路22、整形电路23、计数器24和处理器25 ；所述脉冲发生器21和信号放大电路22分别与开关电源20的输出端连接，所述信号放大电路22、整形电路23、计数器24和处理器25依次连接；所述脉冲发生器21用于对开关电源20输出端负载施加电流脉冲信号；所述信号放大电路22用于获取所述开关电源20的响应信号，将所述响应信号进行放大；所述整形电路23用于将放大后的响应信号整形为方波脉冲序列；所述计数器24用于读取所述方波脉冲序列中的方波脉冲个数；所述处理器25用于通过所述方波脉冲个数判断光电耦合器是否退化；在一较佳实施例中，所述放大电路中包括稳压电路，用于控制所述响应信号的最大电压低于预设的电压阈值，防止信号振荡幅度过大；在一较佳实施例中，所述放大电路中包括隔离电容，用于对所述响应信号进行直流隔离，能使响应信号的波形清晰稳定；
在一较佳实施例中，所述放大电路中包括滤波电容，用于对所述响应信号进行滤波，滤去毛刺杂波，能使响应信号的波形清晰稳定；在一较佳实施例中，所述控制器还用于:若当前读取的所述方波脉冲个数小于上一次采样读取的方波脉冲个数，则判断所述光电耦合器退化。下面通过一具体实施例进一步说明本发明。在本实施例中，所述控制器采用单片机AT89C2051，选用试验型号为EPM—U15T5±12的常用开关电源20进行监测，脉冲发生器21连接至开关电源20的一个输出端，信号放大电路22也连接至开关电源20的输出端，通过脉冲发生器21产生一个脉宽为
10μ s的电流脉冲，将此脉冲施加的正5V输出端的负载上，输出电压产生响应信号，该响应信号为振幅递减的正弦阻尼振荡，振荡频率范围为2MHz至5MHz ;信号放大电路22、整形电路23、计数器24和处理器25依次连接；响应信号进入信号放大电路22中，在本实施例中，放大电路中设置了稳压电路、隔离电容和滤波电容，通过隔直电容和滤波电容进行直流隔离和滤去杂波，通过稳压电路的电压限制，将放大后的最高电压幅度钳制在5V左右。放大后的信号经过整形电路23，产生5V的方波脉冲序列，通过计数器24计数后，由单片机存储和显示方波脉冲的个数，起到监测脉冲响应的作用，进而达到监测光电耦合器退化情况的目的。本实施例中，可根据需监测的开关电源20的规格，选择合适的脉冲发生器21，图3示出了脉冲发生器21的其中一种电路结构示意图，其中C1=0.1 μ F，C2=0.1 μ F，C3=IOO μ F，C4=22 μ F，CY1=CY2=SO μ F，R1=2k Ω，R2=2.17k Ω，R3=Ik Ω，Rd 为大功率低值电阻；晶振型号为C2605,单片机型号为AT89C2051 ；VCC为12V，7805稳压集成电路将OUT端的电压控制在5V，通过对单片机编程使电流脉冲宽度为10 μ S，将与RD —端相连的A端口和开关电源20正5V输出端相连，接地端与开关电源20共地，即会产生正弦阻尼振荡。图4示出了信号放大电路22的其中一种电路结构示意图，其中A端口与开关电源20正5V输出端相连，脉冲发生电路产生电流脉冲后，将开关电源20产生的脉冲响应接入电路中。通过隔直电容C5将正弦阻尼振荡的正5V直流电压隔去。由于此振荡频率较大，约为2MHz至5MHz，所以选择高速运算放大器AD817，把信号放大，考虑到信号本身振幅比较大，放大倍数设置为2.5倍，之后通过稳压二极管把最高电压控制在5.2V。电路中电容C8为221pF，起到滤去毛刺杂波作用。B端口将与正5V直流电压一起接入整形电路23，产生方波脉冲序列。图5和图6为光电耦合器不同CTR值时的阻尼振荡，其中CTRl大于CTR2，通过观察可以发现振荡I的频率大于振荡2的频率，振荡I波形的可见波峰数也大于振荡2。这样就和CTR越大，阻尼振荡频率越大的理论相吻合。图7和图8为整形电路输出的方波脉冲序列。从图中可以看出，CTRl所对应的方波脉冲序列波峰个数为9个，CTR2所对应的方波脉冲序列波峰个数为6个。波峰个数直接反映出阻尼振荡的频率大小，从而直观的显示出光电耦合器的CTR数值大小。图9为光电耦合器CTR与方波脉冲个数之间的关系，改变光电耦合器的CTR，通过本装置可测出对应方波脉冲个数。需注意的是过大的CTR会使开关电源无法正常工作，甚至造成组件毁坏。本发明开关电源中光电耦合器退化监测方法和装置，对电源输出级负载施加电流脉冲信号，通过接收开关电源对此脉冲所产生的响应信号，对该响应信号进行处理，获取其方波脉冲个数，从方波脉冲个数的变化确定其电流传输比CTR的变化，实现对开关电源光电耦合器退化情况的实时监测，对光耦退化情况进行记录跟踪，方便使用者对电源健康状况做出判断，避免电源突然失效，防止下游电路出现严重问题；本发明可通过单片机进行数据处理，简单易行，成本低廉；本发明装置可直接接入电源输出级，无需取出光电耦合器，无需对电源内部结构进行拆卸，操作简单，既避免了对光电耦合器或其他相邻器件的损伤，同时也提高了监测效率。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
权利要求
1.一种开关电源中光电耦合器退化监测方法，其特征在于，包括如下步骤: 对开关电源输出端负载施加电流脉冲信号，获取所述开关电源的响应信号； 将所述响应信号放大后整形为方波脉冲序列； 读取所述方波脉冲序列中的方波脉冲个数，通过所述方波脉冲个数判断光电耦合器是否退化。
2.根据权利要求1所述的开关电源中光电耦合器退化监测方法，其特征在于，在所述将所述响应信号放大的步骤后，还包括通过稳压电路控制所述响应信号的最大电压低于预设的电压阈值的步骤。
3.根据权利要求1所述的开关电源中光电耦合器退化监测方法，其特征在于，在所述将所述响应信号放大的步骤前，还包括对所述响应信号进行直流隔离的步骤。
4.根据权利要求1或3所述的开关电源中光电耦合器退化监测方法，其特征在于，在所述将所述响应信号放大的步骤前，还包括对所述响应信号进行滤波的步骤。
5.根据权利要求1所述的开关电源中光电耦合器退化监测方法，其特征在于，所述通过所述方波脉冲个数判断光电耦合器是否退化的步骤具体为: 若当前读取的所述方波脉冲个数小于上一次采样读取的方波脉冲个数，则判断所述光电耦合器退化。
6.一种开关电源中光电耦合器退化监测装置，其特征在于，包括脉冲发生器、信号放大电路、整形电路、计数器和处理器； 所述脉冲发生器和信号放大电路分别与开关电源的输出端连接，所述信号放大电路、整形电路、计数器和处理器依次连接； 所述脉冲发生器用于对开关电源输出端负载施加电流脉冲信号； 所述信号放大电路用于获取所述开关电源的响应信号，将所述响应信号进行放大； 所述整形电路用于将放大后的响应信号整形为方波脉冲序列； 所述计数器用于读取所述方波脉冲序列中的方波脉冲个数； 所述处理器用于通过所述方波脉冲个数判断光电耦合器是否退化。
7.根据权利要求6所述的开关电源中光电耦合器退化监测装置，其特征在于，所述放大电路中包括稳压电路，用于控制所述响应信号的最大电压低于预设的电压阈值。
8.根据权利要求6所述的开关电源中光电耦合器退化监测装置，其特征在于，所述放大电路中包括隔离电容，用于对所述响应信号进行直流隔离。
9.根据权利要求6或8所述的开关电源中光电耦合器退化监测装置，其特征在于，所述放大电路中包括滤波电容，用于对所述响应信号进行滤波。
10.根据权利要求6所述的开关电源中光电耦合器退化监测装置，其特征在于，所述控制器还用于:若当前读取的所述方波脉冲个数小于上一次采样读取的方波脉冲个数，则判断所述光电耦合器退化。
全文摘要
本发明提供一种开关电源中光电耦合器退化监测方法，包括如下步骤对开关电源输出端负载施加电流脉冲信号，获取所述开关电源的响应信号；将所述响应信号放大后整形为方波脉冲序列；读取所述方波脉冲序列中的方波脉冲个数，通过所述方波脉冲个数判断光电耦合器是否退化。对应地本发明还提供一种开关电源中光电耦合器退化监测装置。本发明无需对电源内部结构进行拆卸，且能在开关电源正常工作时实现对光电耦合器的实时在线监控。
文档编号G01R31/40GK103197260SQ20131009226
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月21日 优先权日2013年3月21日
发明者李梦奇, 史峥宇, 陆裕东, 冯敬东, 孔学东, 王晓晗, 恩云飞, 黄云 申请人:工业和信息化部电子第五研究所