本發(fā)明屬于電能變換裝置中的監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種ccm降壓變換器電感及輸出電容的監(jiān)測裝置及方法。

背景技術(shù)：

開關(guān)電源具有效率高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，在日常生產(chǎn)生活中廣泛應(yīng)用。降壓(buck)、升壓(boost)、升降壓(buck-boost)變換器是三種最基本的開關(guān)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(xù)模式)buck變換器在計(jì)算機(jī)電源、通訊電源、航空航天等領(lǐng)域廣泛使用。在buck變換器電路中為了得到較為穩(wěn)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后，電容的容值(capacitance,c)和等效串聯(lián)電阻(equivalentseriesresistance,esr)會發(fā)生變化，當(dāng)該變化量較大時，即認(rèn)為該電容已失效，將會造成電源和系統(tǒng)的運(yùn)行故障，，因此監(jiān)測ccmbuck變換器的輸出濾波電容的esr和c，預(yù)測其壽命非常重要?，F(xiàn)有的技術(shù)主要可分為離線監(jiān)測技術(shù)和在線監(jiān)測技術(shù)，離線檢測技術(shù)使用方法簡單，成本低，但一般只監(jiān)測獨(dú)立于電路外的電容，而在線檢測技術(shù)可以檢測在電路中處于工作狀態(tài)的電容，但使用方法復(fù)雜，且需要知曉電路中的許多其他參數(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種ccm降壓變換器電感及輸出電容的監(jiān)測裝置及方法，能夠?qū)崟r監(jiān)測電感的感值l以及等效串聯(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(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種ccm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(qū)動電路、顯示單元，一只參數(shù)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(guān)頻率fs計(jì)算單元、占空比d計(jì)算單元、輸出電壓采樣單元、電容電流觸發(fā)采樣單元、電感l(wèi)以及電容esr和c計(jì)算單元；

所述buck變換器主功率電路包括輸入電壓源vin、開關(guān)管qb、續(xù)流二極管db、濾波電感l(wèi)、輸出濾波電容和負(fù)載rl，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(guān)管qb的漏極與電壓源vin的正極連接，續(xù)流二極管db的陰極與開關(guān)管qb的漏極連接，續(xù)流二極管db的陽極與電壓源vin的負(fù)極連接，濾波電感l(wèi)的一端與續(xù)流二極管db的陰極連接，濾波電感l(wèi)的另一端分別與等效串聯(lián)電阻esr的一端及負(fù)載rl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(fù)載rl的另一端均與電壓源vin的負(fù)極連接，負(fù)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(guān)頻率fs計(jì)算單元和占空比d計(jì)算單元，buck變換器主功率電路的輸出平均電壓vo接入輸出電壓采樣單元，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(fā)采樣單元，開關(guān)頻率fs計(jì)算單元、占空比d計(jì)算單元、輸出電壓采樣單元和電容電流觸發(fā)采樣單元的輸出端均接入電容esr和c計(jì)算單元，電感l(wèi)以及電容esr和c計(jì)算單元的輸出端接入顯示單元；

所述驅(qū)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(qū)動電路的輸出端接入開關(guān)管qb的門極。

一種ccm降壓變換器輸出電容esr和c的監(jiān)測方法，包括以下步驟：

步驟1，在輸出端并聯(lián)上一個參數(shù)已知的電容，在信號處理模塊中創(chuàng)建功率電路控制單元、開關(guān)頻率fs計(jì)算單元、占空比d計(jì)算單元、輸出電壓采樣單元、電容電流觸發(fā)采樣單元、電感l(wèi)以及電容esr和c計(jì)算單元；

步驟2，信號處理模塊的功率電路控制單元根據(jù)buck變換器主功率電路的輸出平均電壓vo，得到pwm信號并經(jīng)驅(qū)動電路驅(qū)動開關(guān)管qb；

步驟3，功率電路控制單元輸出的pwm信號送入開關(guān)頻率fs計(jì)算單元和占空比d計(jì)算單元，經(jīng)開關(guān)頻率fs計(jì)算單元處理得出變換器當(dāng)前的開關(guān)頻率fs，經(jīng)占空比d計(jì)算單元處理得出變換器當(dāng)前的占空比d；

步驟4，buck變換器主功率電路的輸出平均電壓vo送入輸出電壓采樣單元，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(fā)采樣單元，通過延時程序?qū)﹄娙蓦娏鞯萪ts/10間隔采樣，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(guān)頻率fs、占空比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(wèi)以及電容esr和c計(jì)算單元進(jìn)行曲線擬合和綜合處理，得到buck變換器中電感l(wèi)的值以及輸出濾波電容當(dāng)前等效串聯(lián)電阻esr和電容c的值；

步驟7，電感l(wèi)以及電容esr和c計(jì)算單元將所得的電感l(wèi)以及等效串聯(lián)電阻esr和電容c的值送入顯示單元實(shí)時顯示。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)為：本發(fā)明針對ccmbuck變換器的電感和輸出濾波電容，設(shè)計(jì)出一種高效穩(wěn)定的電感l(wèi)以及輸出濾波電容等效串聯(lián)電阻esr和電容c的在線監(jiān)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(shù)l以及電容的參數(shù)esr和c進(jìn)行監(jiān)測，為電容和電源的壽命預(yù)測提供依據(jù)，無需額外參數(shù)，方便實(shí)現(xiàn)。

附圖說明

圖1是ccmbuck變換器開關(guān)周期中的工作波形圖。

圖2是本發(fā)明ccm降壓變換器電感l(wèi)以及輸出電容esr和c的監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)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-并聯(lián)電容電流，io-輸出電流，vo-輸出電壓平均值，qb-開關(guān)管，db-二極管，l-電感，c-輸出濾波電容值，esr-等效串聯(lián)電阻值，cx-并聯(lián)電容的電容值，esrx-并聯(lián)電容的等效串聯(lián)電阻值，rl-負(fù)載，vgs-開關(guān)管qb的驅(qū)動電壓，d-占空比，t-時間，fs-變換器開關(guān)頻率，δil-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(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明作出進(jìn)一步詳細(xì)說明。

1、理論推導(dǎo)：

圖1為ccmbuck變換器開關(guān)周期中的工作波形圖。當(dāng)開關(guān)管qb導(dǎo)通時，二極管db截止，電感l(wèi)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(dāng)二極管db關(guān)斷時，電感電流il通過二極管db續(xù)流，此時電感l(wèi)兩端的電壓為-vo，電感電流il以vo/l的斜率下降。由于buck變換器工作在ccm模式，因此在開關(guān)周期結(jié)束前，電感電流il未下降到零。電感電流il在一個開關(guān)周期內(nèi)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(dá)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(guān)頻率，d為開關(guān)管的占空比，t為時間。

可以假設(shè)

可得，兩電容的電流和ic+icx的表達(dá)式為：

兩電容的電壓表達(dá)式分別為

由于兩電容并聯(lián)，則兩電容電壓相等

vc(t)＝vcx(t)(9)

當(dāng)時，

由式(10)求導(dǎo)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(jù)采樣得到的11個并聯(lián)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(lián)電阻的阻值，c為電容的容值，fs為變換器開關(guān)頻率，vo為輸出電壓平均值，d為變換器的占空比，esrx為所并聯(lián)電容的等效串聯(lián)電阻的阻值，cx為所并聯(lián)電容的電容的容值，x1、x2、x3為擬合曲線的參數(shù)。

基于式(18)、(19)、(20)，可以得到ccmbuck變換器電感l(wèi)以及輸出濾波電容esr和c的監(jiān)測方法。

2、本發(fā)明ccm降壓變換器電感及輸出電容的監(jiān)測裝置及方法

結(jié)合圖2，本發(fā)明ccm降壓變換器電感及輸出電容的監(jiān)測裝置，包括buck變換器主功率電路1、驅(qū)動電路3、參數(shù)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(guān)頻率fs計(jì)算單元4、占空比d計(jì)算單元5、輸出電壓采樣單元6、電容電流觸發(fā)采樣單元9、電感l(wèi)以及電容esr和c計(jì)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(guān)管qb、續(xù)流二極管db、濾波電感l(wèi)、輸出濾波電容和負(fù)載rl，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(guān)管qb的漏極與電壓源vin的正極連接，續(xù)流二極管db的陰極與開關(guān)管qb的漏極連接，續(xù)流二極管db的陽極與電壓源vin的負(fù)極連接，濾波電感l(wèi)的一端與續(xù)流二極管db的陰極連接，濾波電感l(wèi)的另一端分別與等效串聯(lián)電阻esr的一端及負(fù)載rl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(fù)載rl的另一端均與電壓源vin的負(fù)極連接，負(fù)載rl與參數(shù)已知的電容(7)并聯(lián)，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(guān)頻率fs計(jì)算單元4和占空比d計(jì)算單元5，buck變換器主功率電路1的輸出平均電壓vo接入輸出電壓采樣單元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(fā)采樣單元9，開關(guān)頻率fs計(jì)算單元4、占空比d計(jì)算單元5、輸出電壓采樣單元6和電容電流觸發(fā)采樣單元9的輸出端均接入電容esr和c計(jì)算單元7，電感l(wèi)以及電容esr和c計(jì)算單元10的輸出端接入顯示單元11；所述驅(qū)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(qū)動電路3的輸出端接入開關(guān)管qb的門極。所述信號處理模塊為dsp芯片tms320f28335；所述顯示單元11為1602液晶顯示屏。

基于本發(fā)明ccm降壓變換器電感及輸出電容的監(jiān)測裝置的監(jiān)測方法，包括以下步驟：

步驟1，在輸出端并聯(lián)上一個參數(shù)已知的電容7，在信號處理模塊中創(chuàng)建功率電路控制單元2、開關(guān)頻率fs計(jì)算單元4、占空比d計(jì)算單元5、輸出電壓采樣單元6、電容電流觸發(fā)采樣單元9、電感l(wèi)以及電容esr和c計(jì)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(jù)buck變換器主功率電路1的輸出平均電壓vo，得到pwm信號并經(jīng)驅(qū)動電路3驅(qū)動開關(guān)管qb；

步驟3，功率電路控制單元2輸出的pwm信號送入開關(guān)頻率fs計(jì)算單元4和占空比d計(jì)算單元5，經(jīng)開關(guān)頻率fs計(jì)算單元4處理得出變換器當(dāng)前的開關(guān)頻率fs，經(jīng)占空比d計(jì)算單元5處理得出變換器當(dāng)前的占空比d；

步驟4，buck變換器主功率電路1的輸出平均電壓vo送入輸出電壓采樣單元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(fā)采樣單元9，通過延時程序處理對電容電流等dts/10間隔采樣，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(guān)頻率fs、占空比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(wèi)以及電容esr和c計(jì)算單元10進(jìn)行曲線擬合和綜合處理，得到buck變換器中電感l(wèi)的值以及輸出濾波電容當(dāng)前等效串聯(lián)電阻esr和電容c的值，具體的：

步驟6中所述l、esr和c計(jì)算單元(10)曲線擬合方程如下：

求得x1、x2、x3和icx(0)后，所述l、esr和c計(jì)算單元(10)對擬合曲線進(jìn)行綜合處理，得到buck變換器中電感l(wèi)的值以及輸出濾波電容當(dāng)前等效串聯(lián)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(lián)電阻的阻值，c為電容的容值，fs為變換器開關(guān)頻率，vo為輸出電壓平均值，d為變換器的占空比，esrx為所并聯(lián)電容的等效串聯(lián)電阻的阻值，cx為所并聯(lián)電容的電容的容值，x1、x2、x3為擬合曲線的參數(shù)。

步驟7，電感l(wèi)以及電容esr和c計(jì)算單元10將所得的電感l(wèi)以及等效串聯(lián)電阻esr和電容c的值送入顯示單元11實(shí)時顯示。