Dcm降压变换器输出电容esr和c的监测装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电能变换装置中的监测技术领域，特别是一种DCM降压（Buck)变换器 输出电容ESR和C的监测装置及方法。
【背景技术】
[0002] 由于效率高、体积小等优点，开关电源在日常生产生活中应用十分广泛。一 般而言，为了得到较为稳定的输出电压，必须采用电容有效滤除高频噪声。变换器工 作一段时间之后，电容的容值（Capacitance, C)和等效串联电阻（Equivalent Series Resistance，ESR)会发生变化，与初电容值C和阻值ESR相比，当该变化量较大时，即可认为 该电容已失效，电容的失效将会造成电源和系统的运行故障。降压（Buck)、升压（Boost)、 升降压（Buck-Boost)变换器是三种最基本的开关电源变换器，其他的变换器均可以由这 三种变换器衍变而来。其中，DCM(Discontinuous Current Mode，电流断续模式）Buck变换 器在计算机电源、通讯电源、航空航天等领域广泛使用，因此监测DCM Buck变换器的输出滤 波电容的ESR和C，预测其寿命非常重要。
[0003] 国内外学者近年来对开关电源中电解电容的参数监测作了一定的研究，主要可分 为两类，分别为离线式和在线式。但是使用离线式监测电解电容时需要停止设备运行。而 在线式监测虽然无须停止设备运行，但是它在除电流模式控制可以利用现有的开关管电流 检测信号外，需要增加电流传感器以检测电容、电感等电流。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种DCM降压变换器输出电容ESR和C的监测装置及方 法，能够实时监测等效串联电阻ESR和电容的容值C的变化，对电解电容和电源的寿命进行 准确预测。
[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种DCM降压变换器输出电容ESR和C的监 测装置，包括Buck变换器主功率电路、驱动电路、显示单元和信号处理模块，所述信号处理 模块包括功率电路控制单元、开关频率匕计算单元、占空比D计算单元、输出电压触发采样 单元、电容ESR和C计算单元；
[0006] 所述Buck变换器主功率电路包括输入电压源Vin、开关管Q b、续流二极管Db、滤波 电感L、输出滤波电容和负载&，所述输出滤波电容包括等效串联电阻ESR和电容C，其中开 关管Q b的漏极与电压源V in的正极连接，续流二极管D b的阴极与开关管Q b的源极连接，续 流二极管Db的阳极与电压源V in的负极连接，滤波电感L的一端与续流二极管D b的阴极连 接，滤波电感L的另一端分别与等效串联电阻ESR的一端及负载Rlj的一端连接，等效串联 电阻ESR的另一端与电容C的一端连接，电容C的另一端及负载&的另一端均与电压源V in 的负极连接，负载&两端为输出电压V ^
[0007] 所述功率电路控制单元的输入端分别与Buck变换器主功率电路的电压源V in和输 出电压V。连接，功率电路控制单元输出端的PWM信号分别接入开关频率:^计算单元和占空 比D计算单元，Buck变换器主功率电路的输出电压v。和功率电路控制单元输出端的PffM信 号均接入输出电压触发采样单元，开关频率匕计算单元、占空比D计算单元、输出电压触发 采样单元的输出端均接入电容ESR和C计算单元，电容ESR和C计算单元的输出端接入显 示单元；
[0008] 所述驱动电路的输入端与功率电路控制单元输出端的PffM信号连接，驱动电路的 输出端接入开关管Q b的栅极。
[0009] 一种DCM降压变换器输出电容ESR和C的监测方法，包括以下步骤：
[0010] 步骤1，在信号处理模块中创建功率电路控制单元、开关频率匕计算单元、占空比 D计算单元、输出电压触发采样单元、电容ESR和C计算单元；
[0011] 步骤2,信号处理模块的功率电路控制单元采集Buck变换器主功率电路的输出电 压V。和输入电压V in，得到PffM信号并经驱动电路驱动开关管Qb;
[0012] 步骤3,功率电路控制单元输出的PffM信号分别送入开关频率匕计算单元和占空 比D计算单元，经开关频率f s计算单元处理得出变换器当前的开关频率f s，经占空比D计 算单元处理得出变换器当前的占空比D ;
[0013] 步骤4,功率电路控制单元输出的PffM信号和Buck变换器主功率电路的输出电压 V ci同时送入输出电压触发采样单元，经输出电压触发采样单元处理得到输出电压的瞬时值 「.(0)、vUW2)和输出电压的平均值V ciJs为变换器开关周期，D为变换器的占空比，：气(〇) 为PffM信号上升沿时刻对应的瞬时输出电压，为PffM信号上升沿和下降沿之间的 中点时刻对应的瞬时输出电压；
[0014] 步骤5,将得到的开关频率fs、占空比D、以及输出电压的瞬时值U〇)>「,.(D7V2) 和输出电压的平均值V。送入电容ESR和C计算单元进行综合处理，得到Buck变换器中输 出滤波电容当前等效串联电阻ESR和电容C的值；
[0015] 步骤6,电容ESR和C计算单元将所得的等效串联电阻ESR和电容C的值送入显示 单元实时显示。
[0016] 与现有技术相比，本发明的显著优点为：⑴不影响变换器的正常工作；（2)在线 监测电容的ESR和C值，为电容和电源的寿命预测提供依据；（3)无需电流传感器及其辅助 电路检测电容电流，减小了参数监测的难度。
【附图说明】
[0017] 图1是DCM Buck变换器开关周期中的工作波形。
[0018] 图2是本发明DCM降压变换器输出电容ESR和C的监测方法示意图。
[0019] 其中：Vin-输入电压，Iin-输入电流，i「电感电流，i「电容电流，I。-输出电流， V。-输出电压，V。-输出电压平均值，Qb-开关管，D b-二极管，L-电感，C-输出滤波电容值， ESR-等效串联电阻值，负载，Vgs-开关管Qb的驱动电压，D-占空比，t-时间，T s-变换器 开关周期，fs-变换器开关频率，A 电感电流纹波峰峰值，Vesr-等效串联电阻上的电压， vc-电容上的电压。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图及具体实施例对本发明作出进一步详细说明。
[0021] 本发明设id 种在线监测工作于电感电流断续模式（Discontinuous Conduction Mode，DCM)的降压（Buck)变换器输出滤波电容ESR和C的装置及方法。
[0022] 1、理论推导：
[0023] 图1为DCM Buck变换器开关周期中的工作波形。当开关管Qb导通时，二极管Db截 止，电感L两端的电压为V in_V。，其电感电流紅以（Vin-Vci)A的斜率线性上升。当二极管D b 关断时，电感电流通过二极管D b续流，此时电感L两端的电压为-V。，电感电流紅以V。/1 的斜率下降。由于Buck变换器工作在DCM模式，因此在开关周期结束前，电感电流L已经 下降到零。电感电流1在一个开关周期内的平均值即为输出电流IP
[0024] 电感电流紅在一个周期中的表达式如下：
[0026] V0DJs= (Vin-V0)DTs
[0027] 其中Vin为输入电压，V。为输出电压平均值，L为电感值，f 3为Buck变换器的开关 频率，D为开关管的占空比，Dr为二极管续流的占空比，T 3为Buck变换器的开关周期，t为 时间。
[0028] 电容电流ic的表达式为：
[0031] 电容电流、在电容C和等效串联电阻ESR上的压降分别Sv c(t)和Vesr (t)，其波 形如结合图1，等效串联电阻ESR上的电压vESR(t)波形与电容电流、(〇波形形状一致，
[0032] 其表达式为：
[0034] 电容电压vc(t)与电容电流ie(t)的关系如下式：
[0036] 其中Vc(O)为零时刻对应的电容电压。
[0037] 显然，等效串联电阻ESR上的电压直流分量为0,即vESR(t)在开关周期内的平均值 为0,因此，将式（4)在变换器的一个开关周期T s内求平均值，即为输出电压平均值Vci，如下 式所示：
[0041] 从附图1可以看出，电容C上的电压为电容电压vc(t)与ESR电压vESR(t)的合成 电压，该电压与电容电流i e、电容C、等效串联电阻ESR等有关，实际电路中，根据检测所得 的纹波电流ic(t)和合成电压v c(t)+vESR(t)的信息即可反推出电容C和等效串联电阻ESR 值。为此，重点考察0时刻和DT s/2两个时刻点。
[0042] 电容电压vc(t)与等效串联电阻ESR电压vESR(t)的合成电压即为输出电压瞬时值 V ci⑴，根据式（3)、式⑷和式（6)，可得：
[0044] 根据式（7)的输出电压表达式，去除直流平均值V。可得输出电压的交流分量之〇) 如下：
[0052] 式中，C为电容的容值，ESR为等效串联电阻的阻值，L为电感值，fs为变换器开关 频率，T s为变换器开关周期，Vin为输入电压平均值，V。为输出电压平均值，I。为输出电流， D为变换器的占空比，以〇)为PffM信号上升沿时刻对应的瞬时输出电压，
为PWM信号 上升沿和下降沿之间的中点时刻对应的瞬时输出电压。
[0053] 基于式（12)，可以得到DCM Buck变换器输出滤波电容ESR和C的监测方法。
[0054] 2、本发