本發(fā)明屬于電能變換裝置中的監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種CCM降壓變換器輸出電容ESR和C的監(jiān)測(cè)裝置及方法。

背景技術(shù)：
由于效率高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)關(guān)電源在日常生產(chǎn)生活中應(yīng)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(shí)間之后，電容的容值(Capacitance,C)和等效串聯(lián)電阻(EquivalentSeriesResistance,ESR)會(huì)發(fā)生變化，與初電容值C和阻值ESR相比，當(dāng)該變化量較大時(shí)，即可認(rèn)為該電容已失效，電容的失效將會(huì)造成電源和系統(tǒng)的運(yùn)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(kāi)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(lái)。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，因此監(jiān)測(cè)CCMBuck變換器的輸出濾波電容的ESR和C，預(yù)測(cè)其壽命非常重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種CCM降壓變換器輸出電容ESR和C的監(jiān)測(cè)裝置及方法，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)等效串聯(lián)電阻ESR和電容的容值C的變化，對(duì)電解電容和電源的壽命進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。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(cè)裝置包括Buck變換器主功率電路、驅(qū)動(dòng)電路、顯示單元和信號(hào)處理模塊，所述信號(hào)處理模塊包括功率電路控制單元、開(kāi)關(guān)頻率fs計(jì)算單元、占空比D計(jì)算單元、輸出電壓觸發(fā)采樣單元、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(kāi)關(guān)管Qb、續(xù)流二極管Db、濾波電感L、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(kāi)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(kāi)關(guān)管Qb的源極連接，續(xù)流二極管Db的陽(yáng)極與電壓源Vin的負(fù)極連接，濾波電感L的一端與續(xù)流二極管Db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(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和輸出電壓vo連接，功率電路控制單元輸出端的PWM信號(hào)分別接入開(kāi)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電壓vo和功率電路控制單元輸出端的PWM信號(hào)均接入輸出電壓觸發(fā)采樣單元，開(kāi)關(guān)頻率fs計(jì)算單元、占空比D計(jì)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(jì)算單元，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(dòng)電路的輸入端與功率電路控制單元輸出端的PWM信號(hào)連接，驅(qū)動(dòng)電路的輸出端接入開(kāi)關(guān)管Qb的柵極。一種CCM降壓變換器輸出電容ESR和C的監(jiān)測(cè)方法，包括以下步驟：步驟1，在信號(hào)處理模塊中創(chuàng)建功率電路控制單元、開(kāi)關(guān)頻率fs計(jì)算單元、占空比D計(jì)算單元、輸出電壓觸發(fā)采樣單元、電容ESR和電容量C計(jì)算單元；步驟2，信號(hào)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vo和輸入電壓Vin，得到PWM信號(hào)并經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管Qb；步驟3，功率電路控制單元輸出的PWM信號(hào)送入開(kāi)關(guān)頻率fs計(jì)算單元和占空比D計(jì)算單元，經(jīng)開(kāi)關(guān)頻率fs計(jì)算單元處理得出變換器當(dāng)前的開(kāi)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，功率電路控制單元輸出的PWM信號(hào)和Buck變換器主功率電路的輸出電壓vo同時(shí)送入輸出電壓觸發(fā)采樣單元，經(jīng)輸出電壓觸發(fā)采樣單元處理得到輸出電壓的瞬時(shí)值vo(0)、vo(DTs/2)和輸出電壓的平均值Vo；步驟5，將得到的開(kāi)關(guān)頻率fs、占空比D、以及PWM信號(hào)上升沿時(shí)刻對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)輸出電壓vo(0)、PWM信號(hào)上升沿和下降沿之間的中點(diǎn)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)輸出電壓vo(DTs/2)和輸出電壓的平均值Vo送入電容ESR和C計(jì)算單元進(jìn)行綜合處理，得到Buck變換器中輸出濾波電容當(dāng)前等效串聯(lián)電阻ESR和電容C的值；步驟6，電容ESR和C計(jì)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(shí)時(shí)顯示。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)為：(1)不影響變換器的正常工作；(2)在線監(jiān)測(cè)電容的ESR和C值，為電容和電源的壽命預(yù)測(cè)提供依據(jù)；(3)無(wú)需電流傳感器及其輔助電路檢測(cè)電容電流，減小了參數(shù)監(jiān)測(cè)的難度。附圖說(shuō)明圖1是CCMBuck變換器開(kāi)關(guān)周期中的工作波形。圖2是本發(fā)明CCM降壓變換器輸出電容ESR和C的監(jiān)測(cè)方法示意圖。其中：Vin-輸入電壓，Iin-輸入電流，iL-電感電流，iC-電容電流，Io-輸出電流，vo-輸出電壓，Vo-輸出電壓平均值，Qb-開(kāi)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，RL-負(fù)載，Vgs-開(kāi)關(guān)管Qb的驅(qū)動(dòng)電壓，D-占空比，t-時(shí)間，Ts-變換器開(kāi)關(guān)周期，fs-變換器開(kāi)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(duì)本發(fā)明作出進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明設(shè)計(jì)一種在線監(jiān)測(cè)工作于電感電流連續(xù)模式(ContinuousConductionMode,CCM)的降壓(Buck)變換器輸出濾波電容ESR和C的裝置及方法。1、理論推導(dǎo)：圖1為CCMBuck變換器開(kāi)關(guān)周期中的工作波形。當(dāng)開(kāi)關(guān)管Qb導(dǎo)通時(shí)，二極管Db截止，電感L兩端的電壓為Vin-Vo，其電感電流iL以(Vin-Vo)/L的斜率線性上升。當(dāng)二極管Db關(guān)斷時(shí)，電感電流iL通過(guò)二極管Db續(xù)流，此時(shí)電感L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(kāi)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(gè)開(kāi)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(gè)周期中的表達(dá)式如下：其中Vin為輸入電壓，Vo為輸出電壓平均值，L為電感值，fs為Buck變換器的開(kāi)關(guān)頻率，D為開(kāi)關(guān)管的占空比，Ts為Buck變換器的開(kāi)關(guān)周期,t為時(shí)間。電容電流iC的表達(dá)式為：電容電流iC在電容C和等效串聯(lián)電阻ESR上的壓降分別為vC(t)和vESR(t)，其波形如結(jié)合圖1，等效串聯(lián)電阻ESR上的電壓vESR(t)波形與電容電流iC(t)波形形狀一致，其表達(dá)式為：電容電壓vC(t)與電容電流iC(t)的關(guān)系如下式：其中VC(0)為零時(shí)刻對(duì)應(yīng)的電容電壓。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(kāi)關(guān)周期內(nèi)的平均值為0，因此，將式(4)在變換器的一個(gè)開(kāi)關(guān)周期Ts內(nèi)求平均值，即為輸出電壓平均值Vo，如下式所示：由式可(5)得：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iC、電容C、等效串聯(lián)電阻ESR等有關(guān)，實(shí)際電路中，根據(jù)檢測(cè)所得的紋波電流iC(t)和合成電壓vC(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(diǎn)考察0時(shí)刻和DTs/2兩個(gè)時(shí)刻點(diǎn)。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(shí)值vo(t)，根據(jù)式(3)、式(4)和式(6)，可得：根據(jù)式(7)的輸出電壓表達(dá)式，去除直流平均值Vo可得輸出電壓的交流分量如下：0時(shí)刻和DTs/2時(shí)刻，輸出電壓的交流分量分別為：根據(jù)式(9)和式(10)可得：式中，ESR為等效串聯(lián)電阻的阻值，C為電容的容值，L為電感值，fs為變換器開(kāi)關(guān)頻率，Ts為變換器開(kāi)關(guān)周期，Vo為輸出電壓平均值，D為變換器的占空比，vo(0)為PWM信號(hào)上升沿時(shí)刻對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)輸出電壓，為PWM信號(hào)上升沿和下降沿之間的中點(diǎn)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)輸出電壓?；谑?12)，可以得到CCMBuck變換器輸出濾波電容ESR和C的監(jiān)測(cè)方法。2、本發(fā)明CCM降壓變換器輸出電容ESR和C的監(jiān)測(cè)裝置及方法結(jié)合圖2，本發(fā)明CCM降壓變換器輸出電容ESR和C的監(jiān)測(cè)裝置，包括Buck變換器主功率電路1、驅(qū)動(dòng)電路3、顯示單元8和信號(hào)處理模塊，所述信號(hào)處理模塊包括功率電路控制單元2、開(kāi)關(guān)頻率fs計(jì)算單元4、占空比D計(jì)算單元5、輸出電壓觸發(fā)采樣單元6、電容ESR和C計(jì)算單元7；所述Buck變換器主功率電路1包括輸入電壓源Vin、開(kāi)關(guān)管Qb、續(xù)流二極管Db、濾波電感L、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(kāi)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(kāi)關(guān)管Qb的源極連接，續(xù)流二極管Db的陽(yáng)極與電壓源Vin的負(fù)極連接，濾波電感L的一端與續(xù)流二極管Db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(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和輸出電壓vo連接，功率電路控制單元2輸出端的PWM信號(hào)分別接入開(kāi)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的輸出電壓vo和功率電路控制單元2輸出端的PWM信號(hào)均接入輸出電壓觸發(fā)采樣單元6，開(kāi)關(guān)頻率fs計(jì)算單元4、占空比D計(jì)算單元5、輸出電壓觸發(fā)采樣單元6的輸出端均接入電容ESR和C計(jì)算單元7，電容ESR和C計(jì)算單元7的輸出端接入顯示單元8；所述驅(qū)動(dòng)電路3的輸入端與功率電路控制單元2輸出端的PWM信號(hào)連接，驅(qū)動(dòng)電路3的輸出端接入開(kāi)關(guān)管Qb的柵極。所述信號(hào)處理模塊為DSP芯片TMS320F28335；所述顯示單元(8)為1602液晶顯示屏?；诒景l(fā)明CCM降壓變換器輸出電容ESR和C的監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)方法，包括以下步驟：步驟1，在信號(hào)處理模塊中創(chuàng)建功率電路控制單元2、開(kāi)關(guān)頻率fs計(jì)算單元4、占空比D計(jì)算單元5、輸出電壓觸發(fā)采樣單元6、電容ESR和電容量C計(jì)算單元7；步驟2，信號(hào)處理模塊的功率電路控制單元2采集Buck變換器主功率電路1的輸出電壓vo和輸入電壓Vin，得到PWM信號(hào)并經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路3驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管Qb；步驟3，功率電路控制單元2輸出的PWM信號(hào)送入開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率fs計(jì)算單元4處理得出變換器當(dāng)前的開(kāi)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，功率電路控制單元2輸出的PWM信號(hào)和Buck變換器主功率電路1的輸出電壓vo同時(shí)送入輸出電壓觸發(fā)采樣單元6，經(jīng)輸出電壓觸發(fā)采樣單元6處理得到輸出電壓的瞬時(shí)值vo(0)、vo(DTs/2)和輸出電壓的平均值Vo；步驟5，將得到的開(kāi)關(guān)頻率fs、占空比D、以及輸出電壓的瞬時(shí)值vo(0)、vo(DTs/2)和輸出電壓的平均值Vo送入電容ESR和C計(jì)算單元7進(jìn)行綜合處理，根據(jù)公式(11)得到Buck變換器中輸出濾波電容當(dāng)前電容C的值，根據(jù)公式(12)得到Buck變換器中輸出濾波電容當(dāng)前等效串聯(lián)電阻ESR的值；步驟6，電容ESR和C計(jì)算單元7將所得的等效串聯(lián)電阻ESR和電容C的值送入顯示單元8實(shí)時(shí)顯示。本發(fā)明針對(duì)CCMBuck變換器的輸出濾波電容，設(shè)計(jì)出一種高效穩(wěn)定的輸出濾波電容等效串聯(lián)電阻ESR和電容C的在線監(jiān)測(cè)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(duì)電容的參數(shù)ESR和C進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為電容和電源的壽命預(yù)測(cè)提供依據(jù)，并且無(wú)需電容電流檢測(cè)部分，方便實(shí)現(xiàn)，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。