Ccm升降壓變換器輸出電容的監(jiān)測(cè)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 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升降壓 (Buck-Boost)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)】
[0002] 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（Equivalent Series Resistance，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(Continuous Current Mode，電流連續(xù)模式）Buck_Boost 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)CCM Buck-Boost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。
[0003] 國(guó)內(nèi)外學(xué)者近年來(lái)對(duì)開(kāi)關(guān)電源中電解電容的參數(shù)監(jiān)測(cè)作了一定的研究，主要可分 為兩類，分別為離線式和在線式。但是使用離線式監(jiān)測(cè)電解電容時(shí)需要停止設(shè)備運(yùn)行。而 在線式監(jiān)測(cè)雖然無(wú)須停止設(shè)備運(yùn)行，但是它在除電流模式控制可以利用現(xiàn)有的開(kāi)關(guān)管電流 檢測(cè)信號(hào)外，需要增加電流傳感器以檢測(cè)電容、電感等電流。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種CCM升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)。
[0005] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種CCM升降壓變換器輸出電容的監(jiān)測(cè)裝 置，包括Buck-Boost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)頻率匕計(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；
[0006] 所述Buck-Boost變換器主功率電路包括輸入電壓源Vin、開(kāi)關(guān)管Q b、續(xù)流二極管 Db、濾波電感L、輸出濾波電容和負(fù)載&，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Q b的漏極、電壓源V ιη的正極連接，濾波電感L 一端分別與開(kāi)關(guān)管Q b的漏極和續(xù) 流二極管Db的陰極連接，濾波電感L另一端與電壓源V ιη的負(fù)極連接，續(xù)流二極管D b的陽(yáng)極 分別與等效串聯(lián)電阻ESR的一端、負(fù)載&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&的另一端均與電壓源V ιη的負(fù)極連接，負(fù)載L兩端為 輸出電壓V。；
[0007] 所述功率電路控制單元的輸入端分別與Buck-Boost變換器主功率電路的電壓源 Vin和輸出電壓V。連接，功率電路控制單元輸出端的PffM信號(hào)分別接入開(kāi)關(guān)頻率f s計(jì)算單 元和占空比D計(jì)算單元，Buck-Boost變換器主功率電路的輸出電壓v。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)頻率匕計(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；
[0008] 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PffM信號(hào)連接，驅(qū)動(dòng)電路的 輸出端接入開(kāi)關(guān)管Q b的柵極。
[0009] -種CCM升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：
[0010] 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)頻率匕計(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；
[0011] 步驟2,信號(hào)處理模塊的功率電路控制單元采集Buck-Boost變換器主功率電路的 輸出電壓v。和輸入電壓源V ιη，得到PffM信號(hào)并經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管Qb;
[0012] 步驟3,功率電路控制單元輸出的PffM信號(hào)分別送入開(kāi)關(guān)頻率匕計(jì)算單元和占空 比D計(jì)算單元，經(jīng)開(kāi)關(guān)頻率f s計(jì)算單元處理得出變換器當(dāng)前的開(kāi)關(guān)頻率f s，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 ;
[0013] 步驟4,功率電路控制單元輸出的PffM信號(hào)和Buck-Boost變換器主功率電路的輸 出電壓V。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v。(0)、v。(DT s/2)、v。[ (1+D) Ts/2]和輸出電壓的平均值VciJ s為變換器開(kāi)關(guān)周期，D為 變換器的占空比，v。(0)為PffM信號(hào)上升沿時(shí)刻對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)輸出電壓，v。(DT s/2)為PffM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，Vci[(l+D)T s/2]為PffM信號(hào)下降沿和 上升沿之間的中點(diǎn)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)輸出電壓；
[0014] 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Vci(O)、 Vc](DTs/2)、 Vci[(l+D)Ts/2]和輸出電壓的平均值VJt入電容ESR和C計(jì)算單元進(jìn)行綜合處理，得到 Buck-Boost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；
[0015] 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。
[0016] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為：⑴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】
[0017] 圖1是CCM Buck-Boost變換器開(kāi)關(guān)周期中的工作波形。
[0018] 圖2是本發(fā)明CCM升降壓變換器輸出電容ESR和C的監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 其中：Vin-輸入電壓，Iin-輸入電流，i「電感電流，i「電容電流，I。-輸出電流， V。-輸出電壓，V。-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，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，T s-變換器 開(kāi)關(guān)周期，fs-變換器開(kāi)關(guān)頻率，A 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】
[0020] 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。
[0021] 本發(fā)明設(shè)id 種在線監(jiān)測(cè)工作于電感電流連續(xù)模式（Continuous Conduction Mode，CCM)的升降壓（Buck-Boost)變換器輸出濾波電容ESR和C的裝置及方法。
[0022] 1、理論推導(dǎo)：
[0023] 圖1為CCM Buck-Boost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V in，其電感電流紅以V in/L的斜率線性上升。當(dāng)二極管Db 關(guān)斷時(shí)，電感電流^通過(guò)二極管D b續(xù)流，此時(shí)電感L兩端的電壓為-V。，電感電流^以V。/1 的斜率下降。由于Buck-Boost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 k未下降到零。電感電流U在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的平均值為
[0024] 電感電流紅在一個(gè)周期中的表達(dá)式如下：
[0025]
(!)
[0026] 其中Vin為輸入電壓，V。為輸出電壓平均值，L為電感值，f 3為Buck-Boost變換器 的開(kāi)關(guān)頻率，D為開(kāi)關(guān)管的占空比，TsS Buck-Boost變換器的開(kāi)關(guān)周期，t為時(shí)間。
[0027] 電容電流ic的表達(dá)式為：
[0028]
.(2)
[0029] 電容電流、在電容C和等效串聯(lián)電阻ESR上的壓降分別Sv e(t)和Vesr⑴，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、(〇波形形狀一致，
[0030] 其表達(dá)式為：
[0031]
(3}
[0032] 電容電壓vc(t)與電容電流ic(t)的關(guān)系如下式：
[0033]
[0034] 其中Vc(O)為零時(shí)刻對(duì)應(yīng)的電容電壓。
[0035] 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T s內(nèi)求平均值，即為輸出電壓平均值Vci，如下 式所示：
[0036]
[0037] 由式可（5)得：
[0038]
.(,
[0039] 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、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i c(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、DTs/2和（1+D) Ts/2三個(gè)時(shí)刻點(diǎn)。
[0040] 電容電壓&(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 Vci⑴，根據(jù)式（3)、式⑷和式（6)，可得：
[0041 ]
[0042] 根據(jù)式（7)的輸出電壓表達(dá)式，去除直流平均值Vci可得輸出電壓的交流分量 如下：
[0043]
[0044] 0時(shí)刻、DTs/2和（1+D) Ts/2時(shí)刻，輸出電壓的交流分量分別為：
[0045]
(91
[0046] (10) CN 105137200 A 說(shuō)明書 5/6 頁(yè)
[0048] 根據(jù)式（9)、式（10)和式（11)可得：[0049]
[0047] (11)
[0051] 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，