《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于觸發(fā)模式的Buck電路輸出電容ESR在線監(jiān)測(cè)方法
2019年電子技術(shù)應(yīng)用第2期
高 軍1,，2，黃道平2,，盧家鋒2
1.華南理工大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)院,，廣東 廣州510640,；2.廣東科鑒檢測(cè)工程技術(shù)有限公司，廣東 廣州510000
摘要： 電解電容作為濾波電容,，廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源模塊中,，但其性能衰退一直是開關(guān)電源模塊失效的主要原因。針對(duì)Buck型開關(guān)電源模塊輸出電解電容的性能變化,，選取等效串聯(lián)電阻(ESR)與電容量作為監(jiān)測(cè)目標(biāo),，提出了基于觸發(fā)模式的輸出電容ESR與電容量在線監(jiān)測(cè)方法。該方法采用開關(guān)信號(hào)的上升與下降沿作為觸發(fā)信號(hào),，利用輸出電壓采樣,，實(shí)現(xiàn)了串聯(lián)電阻的計(jì)算，并通過(guò)試驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證了方法的有效性,。提出的方法避免了對(duì)電感電流的測(cè)量,，簡(jiǎn)化了觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)，且不改變開關(guān)電源模塊拓?fù)洌岣吡嗽摲桨笐?yīng)用的便捷性,。
中圖分類號(hào)： TM535
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.180627
中文引用格式： 高軍,，黃道平，盧家鋒. 基于觸發(fā)模式的Buck電路輸出電容ESR在線監(jiān)測(cè)方法[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2019,，45(2)：120-123，128.
英文引用格式： Gao Jun,，Huang Daoping,，Lu Jiafeng. Trigger based online monitor for buck converter output capacitor′s ESR[J]. Application of Electronic Technique，2019,，45(2)：120-123,，128.
Trigger based online monitor for buck converter output capacitor′s ESR
Gao Jun1，2,，Huang Daoping2,，Lu Jiafeng2
1.School of Automation Science and Engineering，South China University of Technology,，Guangzhou 510640,，China； 2.Scientific Verification & Testing Engineering Technology Co.,，Ltd.(GuangDong),，Guangzhou 510000，China
Abstract： Electrolytic capacitor as filter capacitor is widely used in switching power module, but it has higher failure rate than other components. In order to monitor the status of the electrolytic capacitor, the equivalent series resistance(ESR) is selected as monitoring target. This paper presents an online monitor method for buck converter output capacitor’s ESR and capacity value, by sampling output voltage at falling edges and rising edges of switching signal. The effectiveness of the proposed method is verified by the experimental system. The proposed method avoids measuring inductor current that simplifies the trigger circuit structure and keeps the topology of the switching power supply module, which facilitates a wide range of applications.
Key words : electrolytic capacitor,；equivalent series resistance,；switching power；fault diagnosis

0 引言

    近年來(lái),得益于巨大的市場(chǎng)需求,，開關(guān)電源得到了廣泛的應(yīng)用,。開關(guān)電源是電子設(shè)備正常工作的基礎(chǔ)，是整個(gè)電子系統(tǒng)的心臟,。保障開關(guān)電源模塊可靠性對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要意義,。輸出電解電容是整個(gè)開關(guān)電源系統(tǒng)中故障率最高的部件，60%以上的開關(guān)電源失效均是由輸出電解電容失效造成的[1-2],。電解電容壽命有限且遠(yuǎn)小于開關(guān)電源系統(tǒng)中其他部件,，在使用過(guò)程中電解電容的性能不斷退化，直至造成系統(tǒng)失效,。因此,，研究電源系統(tǒng)中電解電容性能退化，明確其性能狀態(tài),，實(shí)現(xiàn)高效的監(jiān)控,，從而避免電解電容失效造成的影響對(duì)電子信息系統(tǒng)可靠性保障具有重要意義,。電解電容的主要退化表征為其電容值減小和等效串聯(lián)電阻(Equivalent Series Resistance，ESR)增加,，因此計(jì)算電解電容的ESR和電容值對(duì)分析開關(guān)電源模塊的狀態(tài)具有重要意義[3-5],。

    為了能夠在線監(jiān)測(cè)電解電容的電容值和ESR，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種計(jì)算方法,。傳統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)方法在電路中插入電感電流傳感器,，并采集電感電流與輸出電壓，并提出了相關(guān)的計(jì)算方法,。利用采集的電流與電壓,，BUIATTI G M[6]提出了采用簡(jiǎn)化回歸模型實(shí)現(xiàn)了ESR的計(jì)算，但該算法易受噪聲因素影響,，測(cè)量結(jié)果波動(dòng)較大,。LEITE A V T[7]結(jié)合卡爾曼（Kalman）濾波器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,，實(shí)現(xiàn)了平滑的ESR計(jì)算,。但是卡爾曼濾波器對(duì)噪聲模型參數(shù)估算精度要求較大，且矩陣求逆過(guò)程可能出現(xiàn)矩陣病態(tài),。ALGREER M[8]采用最小二乘法和迭代FIR預(yù)測(cè)器來(lái)分析ESR的變化,，該算法適合電路反饋控制，對(duì)ESR評(píng)估精度較差,。這些方案由于電感電流傳感器的插入,，改變了電源模塊的電路拓?fù)洌褽SR計(jì)算量較大,。

    為了避免對(duì)電路拓?fù)涞男薷?，LAHYANI A[9]提出了采用濾波的方法，通過(guò)設(shè)計(jì)輸出濾波器獲取特定頻率下的信號(hào)幅值,，從而計(jì)算輸出電容ESR的變化,，但該方案對(duì)濾波器設(shè)計(jì)要求較高，電路代價(jià)較大,。姚凱等[10-11]提出了一種無(wú)電流傳感器的在線ESR監(jiān)測(cè)方案,，該方案采樣0時(shí)刻和D/2時(shí)刻的輸出電壓來(lái)分析輸出電容的狀態(tài)。但是由于觸發(fā)信號(hào)選取了D/2時(shí)刻,，需要根據(jù)占空比的不同修改電路設(shè)計(jì),。雖然ESR評(píng)估已經(jīng)有了較多的方法，但是這些方法在噪聲影響消除和易用性方面還存在不足,。

    本文提出了一種新的ESR在線監(jiān)測(cè)方法,，采用上升沿和下降沿作為觸發(fā)信號(hào)，不需要根據(jù)占空比的變化對(duì)電路進(jìn)行修正,，提高了電路設(shè)計(jì)應(yīng)用的便利性,，保障了開關(guān)電源系統(tǒng)的可靠性,。

1 Buck型電源模塊電容參數(shù)分析

    本文以Buck型開關(guān)電源作為研究對(duì)象。Buck型開關(guān)電源是DC-DC電源系統(tǒng)中最常見的結(jié)構(gòu),，其等效電路結(jié)構(gòu)如圖1所示,。電解電容C作為開關(guān)電源的輸出濾波電容，主要用來(lái)限制輸出電壓上的開關(guān)頻率波紋分量,，使之遠(yuǎn)小于穩(wěn)態(tài)的直流輸出電壓,。由于制造工藝和材料特性等原因，電解電容存在一些非理想特性,，對(duì)于低頻應(yīng)用的電解電容,，電解電容的等效電路可以簡(jiǎn)化為一個(gè)電阻與一個(gè)電容的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，因此電路中表示為等效串聯(lián)電阻RESR與等效電容Ce串聯(lián),。

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    工作在連續(xù)導(dǎo)通模式(Continuous Conduction Mode,，CCM)下的Buck型開關(guān)電源模塊處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，平均電流為Iinit,，在開關(guān)開啟與關(guān)閉過(guò)程中,，電感電流呈線性變化。在開關(guān)開啟后,，電感電流上升,，上升速率為(Uin-Uout)/L。在開關(guān)關(guān)閉后,，電感電流下降,，下降速率為-Uout/L。據(jù)此,，可以將電感電流在周期[0,，Ts]中表示為：

    dy3-gs1.gif

式中：Uin為模塊輸入電壓，Uout為模塊輸出電壓均值,，D為控制信號(hào)的占空比,，Ts為控制信號(hào)周期，Iinit為平均電流,，L為電感模塊的電感值,，t為時(shí)間。

    流過(guò)電解電容的電流為電感電流與輸出電流的差,，可以表示為：

    dy3-gs2.gif

    流過(guò)電解電容的電流為電感電流與輸出電流的差,。依據(jù)電容電壓與電流的積分關(guān)系，等效電容Ce上電壓可以表示為：

    dy3-gs3.gif

式中,，Uc(0)和Uc(DTs)為零時(shí)刻與DTs時(shí)刻等效電容Ce上的電壓,，滿足Uc(0)=Uc(DTs)。

    考慮輸出電壓的即時(shí)值,，Uout(t)為ESR電壓與等效電容Ce電壓之和,，表示為：

dy3-gs4-7.gif

    由式(6)和式(7)可以推算出ESR與C的值,，表示為：

    dy3-gs8.gif

    根據(jù)式(8)，通過(guò)測(cè)量0時(shí)刻和DTs時(shí)刻的輸出電壓交流部分就可以計(jì)算出輸出電容的ESR與電容量C,。

2 在線監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)

    為了能夠在0時(shí)刻和DTs時(shí)刻對(duì)輸出電壓交流部分進(jìn)行采樣,，本文構(gòu)建了如圖2所示的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由五部分構(gòu)成,，分別為控制信號(hào),、Buck開關(guān)電源模塊、輸出隔離放大模塊,、觸發(fā)采樣模塊和計(jì)算分析模塊,。其中，控制信號(hào)由電源控制芯片產(chǎn)生,，用于控制MOS管開啟和關(guān)斷的方波信號(hào),；Buck模塊實(shí)現(xiàn)Buck型電源轉(zhuǎn)換器；輸出隔離放大模塊用于提取與放大輸出電壓中的交流部分,；觸發(fā)采樣利用ADC芯片在觸發(fā)信號(hào)的控制下進(jìn)行采樣,；計(jì)算分析模塊實(shí)現(xiàn)依據(jù)式(8)利用采樣信號(hào)計(jì)算輸出電容的ESR與電荷量。通過(guò)構(gòu)建的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),，能夠便捷地實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電容ESR與電荷量的監(jiān)測(cè),。

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    觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生電路如圖3所示,，該電路由異或門,、D觸發(fā)器和RC濾波器構(gòu)成。在初始階段,，開關(guān)信號(hào)為低電平,，D觸發(fā)器的Q輸出低電平，QDelay同樣為低電平,。在0時(shí)刻,，開關(guān)信號(hào)由低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖剑?jīng)過(guò)與QDelay進(jìn)行異或后產(chǎn)生高電平,，即產(chǎn)生上升沿觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)采樣,。該上升沿作為D觸發(fā)器觸發(fā)信號(hào)，將dy3-t2-x1.gif信號(hào)進(jìn)行鎖存,，此時(shí)Q信號(hào)變?yōu)楦唠娖?。由于RC濾波電路的存在，一段時(shí)間（T1）后QDelay才變?yōu)楦唠娖?。?dāng)QDelay為高電平時(shí),，經(jīng)過(guò)異或門輸出一個(gè)低電平信號(hào)，即觸發(fā)信號(hào)在[0,，T1]時(shí)刻保持高電平,，之后轉(zhuǎn)為低電平,。同樣地，在D時(shí)刻,，開關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)為低電平,，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)[D，D+T1]長(zhǎng)度的高電平脈沖,。通過(guò)以上分析,，觸發(fā)電路會(huì)在開關(guān)信號(hào)的上升沿和下降沿分別產(chǎn)生兩個(gè)寬度為T1的脈沖，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定時(shí)刻的數(shù)據(jù)的采樣,。脈沖寬度由RC濾波器的時(shí)間常數(shù)決定,，依據(jù)ADC采樣頻率要求調(diào)節(jié)。

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3 試驗(yàn)分析

    搭建Buck開關(guān)電源模塊電路,，并搭建在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),，其中開關(guān)電源模塊的主要參數(shù)為：輸出電壓12 V，開關(guān)管選用IRF640N,，二極管選用MBR20100CT,，輸出電感為1 mH，輸出電容選用電解電容220 μF/25 V,，控制信號(hào)采用任意波形發(fā)生器產(chǎn)生,，周期為0.1 ms(10 kHz)，輸入電壓由控制信號(hào)占空比與輸出電壓確定,。

    利用搭建的在線監(jiān)測(cè)電路,，通過(guò)式(8)計(jì)算輸出電容的ESR與電荷量C。由于不同輸出信號(hào)占空比條件下輸出電壓上升與下降速率不同,，會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響,。表1給出了不同占空比條件下輸出電容ESR與電荷量的計(jì)算值。電容量和ESR測(cè)量結(jié)果如圖4所示,。

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    利用LCR表測(cè)定10 kHz輸出電容的ESR為159.1 mΩ,，電容為182.2 μF。通過(guò)與表1中給出的計(jì)算值進(jìn)行比對(duì),，可以發(fā)現(xiàn)測(cè)量值與計(jì)算值接近,，驗(yàn)證了本文提出方法的有效性。

4 結(jié)論

    電解電容衰退是開關(guān)電源失效的重要原因,，實(shí)時(shí)評(píng)估電解電容ESR與電容量是開關(guān)電源狀態(tài)監(jiān)控的重要方式。本文提出基于觸發(fā)模式的Buck電源模塊輸出電容ESR與電荷量的在線監(jiān)測(cè)方法,。本方法選取了開關(guān)控制信號(hào)的上升沿和下降沿作為采樣的觸發(fā)信號(hào),，通過(guò)構(gòu)建ESR與電荷量的計(jì)算方程，通過(guò)兩個(gè)觸發(fā)點(diǎn)的輸出電壓采樣方便地實(shí)現(xiàn)了輸出電容ESR和電荷量的計(jì)算,。本文分析設(shè)計(jì)了觸發(fā)信號(hào)的產(chǎn)生電路與隔離放大電路,，提出的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，避免對(duì)Buck電源模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的修改，能夠廣泛應(yīng)用于電源模塊狀態(tài)檢測(cè)中,。

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作者信息：

高  軍1，2,，黃道平2,，盧家鋒2

（1.華南理工大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)院,，廣東 廣州510640,；2.廣東科鑒檢測(cè)工程技術(shù)有限公司，廣東 廣州510000）

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