DCM升降压变换器输出电容的监测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种DCM升降压变换器输出电容的监测装置及方法。该装置包括Buck‑Boost变换器主功率电路、驱动电路、显示单元和信号处理模块，其中信号处理模块包括功率电路控制单元、开关频率fs计算单元、占空比Dy计算单元、输出电压触发采样单元、电容ESR和C计算单元；方法为：通过检测开关管的PWM驱动脉冲信号，经占空比Dy计算单元得到占空比，经开关频率fs计算单元得到变换器的开关频率，输出电压触发采样单元一方面检测输出电压平均值，另一方面触发采样得到输出电压的瞬时值，将上述数据送入电容ESR和C计算单元，得到Buck‑Boost变换器中输出滤波电容当前ESR和C的值。本发明专利技术无需电流传感器，不影响变换器的正常工作，为电容和电源的寿命预测提供依据。

Monitoring Device and Method for Output Capacitance of DCM Boost-Buck Converter

The invention discloses a monitoring device and method for output capacitance of a DCM step-up and step-down converter. The device includes Buck Boost converter main power circuit, drive circuit, display unit and signal processing module, in which the signal processing module includes power circuit control unit, switching frequency FS calculation unit, duty cycle Dy calculation unit, output voltage trigger sampling unit, capacitor ESR and C calculation unit. The method is: driving pulse signal by detecting the PWM of switch tube, through duty cycle calculation unit. The duty cycle is obtained by comparing with Dy calculation unit, and the switching frequency is obtained by FS calculation unit. On the one hand, the output voltage trigger sampling unit detects the average value of output voltage, on the other hand, trigger sampling unit gets the instantaneous value of output voltage. The above data is fed into capacitor ESR and C calculation unit, and the current ESR and C values of output filter capacitor in Buck Boost converter are obtained. The invention does not need a current sensor, does not affect the normal operation of the converter, and provides a basis for the life prediction of capacitors and power supplies.

【技术实现步骤摘要】
DCM升降压变换器输出电容的监测装置及方法
本专利技术属于电能变换装置中的监测
，特别是一种DCM升降压变换器输出电容ESR和C的监测装置及方法。
技术介绍
开关电源在日常生产生活中应用十分广泛。为了得到较为稳定的输出电压，需要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(EquivalentSeriesResistance,ESR)会发生变化，当该变化量较大时，则该电容失效，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(DiscontinuousConductionMode，电流断续模式)Buck-Boost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DCMBuck-Boost变换器的输出滤波电容的ESR和C，预测其寿命非常重要。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。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，但是它除了电流模式控制可以利用现有的开关管电流检测信号外，还需要增加电流传感器以检测电容、电感等电流。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种DCM升降压变换器输出电容ESR和C的监测装置及方法，从而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。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种DCM升降压变换器输出电容的监测装置，包括Buck-Boost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fs计算单元、占空比Dy计算单元、输出电压触发采样单元、电容ESR和C计算单元；所述Buck-Boost变换器主功率电路包括输入电压源Vin、开关管Qb、续流二极管Db、滤波电感L、输出滤波电容和负载RL，所述输出滤波电容包括等效串联电阻ESR和电容C，所述开关管Qb的漏极与电压源Vin的正极连接，滤波电感L一端分别与开关管Qb的源极、续流二极管Db的阴极连接，滤波电感L另一端与电压源Vin的负极连接，续流二极管Db的阳极分别与等效串联电阻ESR的一端、负载RL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RL的另一端均与电压源Vin的负极连接，负载RL两端为输出电压vo；所述功率电路控制单元的输入端分别与Buck-Boost变换器主功率电路的电压源Vin和输出电压vo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fs计算单元和占空比Dy计算单元，Buck-Boost变换器主功率电路的输出电压vo和功率电路控制单元输出端的PWM信号均接入输出电压触发采样单元，开关频率fs计算单元、占空比Dy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；所述驱动电路的输入端与功率电路控制单元输出端的PWM信号连接，驱动电路的输出端接入开关管Qb的门极。进一步地，所述信号处理模块为DSP芯片TMS320F28335。进一步地，所述显示单元为1602液晶显示屏。一种DCM升降压变换器输出电容的监测方法，包括以下步骤：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fs计算单元、占空比Dy计算单元、输出电压触发采样单元、电容ESR和C计算单元；步骤2，信号处理模块的功率电路控制单元采集Buck-Boost变换器主功率电路的输出电压vo和输入电压源Vin，得到PWM信号并经驱动电路驱动开关管Qb；步骤3，将功率电路控制单元输出的PWM信号分别送入开关频率fs计算单元和占空比Dy计算单元，经开关频率fs计算单元处理得出变换器当前的开关频率fs，经占空比Dy计算单元处理得出变换器当前的占空比Dy；步骤4，功率电路控制单元输出的PWM信号和Buck-Boost变换器主功率电路的输出电压vo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vo(0)、vo(DyTs/2)和输出电压的平均值Vo；Ts为变换器开关周期，Dy为变换器的占空比，vo(0)为PWM信号上升沿时刻对应的瞬时输出电压，vo(DyTs/2)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；步骤5，将得到的开关频率fs、占空比Dy、以及输出电压的瞬时值vo(0)、vo(DyTs/2)和输出电压的平均值Vo送入电容ESR和C计算单元进行综合处理，得到Buck-Boost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；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。进一步地，步骤5中所述ESR和C计算单元(7)综合处理的公式如下：式中，ESR为等效串联电阻的阻值，C为电容的容值，L为电感值，fs为变换器开关频率，Ts为变换器开关周期，Vo为输出电压平均值，Dy为变换器的占空比，vo(0)为PWM信号上升沿时刻对应的瞬时输出电压，vo(DyTs/2)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。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：(1)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。附图说明图1是DCMBuck-Boost变换器开关周期中的工作波形图。图2是本专利技术DCM升降压变换器输出电容ESR和C的监测装置的结构示意图。其中：Vin-输入电压，Iin-输入电流，iL-电感电流，iC-电容电流，Io-输出电流，vo-输出电压，Vo-输出电压平均值，Qb-开关管，Db-二极管，L-电感，C-输出滤波电容值，ESR-等效串联电阻值，RL-负载，Vgs-开关管Qb的驱动电压，Dy-占空比，DR-电感电流从峰值下降至0区间内对应占空比，t-时间，Ts-变换器开关周期，fs-变换器开关频率，ΔIL-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。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本专利技术作出进一步详细说明。本专利技术设计一种工作于电感电流断续模式(DiscontinuousConductionMode,DCM)的升降压(Buck-Boost)变换器输出电容ESR和C的监测装置及方法。1、理论推导：图1为DCMBuck-Boost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Vin，其电感电流iL以Vin/L的斜率线性上升；当二极管Db关断时，电感电流iL通过二极管Db续流，此时电感L两端的电压为-Vo，电感电流iL以Vo/L的斜率下降；在(Dy+DR)Ts时刻，电感电流下降为0，直至该开关周期结束。电感电流iL在一个周期中的表达式如下：其中Vin为输入电压，Vo为输出电压平均值，L为电感值，fs为Buck-Boost变换器的开关频率，Dy为开关管的占空比，DR为电感电流从峰值下降至0区间内对应占空比本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种DCM升降压变换器输出电容的监测装置，其特征在于，包括Buck‑Boost变换器主功率电路(1)、驱动电路(3)、显示单元(8)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(2)、开关频率fs计算单元(4)、占空比Dy计算单元(5)、输出电压触发采样单元(6)、电容ESR和C计算单元(7)；所述Buck‑Boost变换器主功率电路(1)包括输入电压源Vin、开关管Qb、续流二极管Db、滤波电感L、输出滤波电容和负载RL，所述输出滤波电容包括等效串联电阻ESR和电容C，所述开关管Qb的漏极与电压源Vin的正极连接，滤波电感L一端分别与开关管Qb的源极、续流二极管Db的阴极连接，滤波电感L另一端与电压源Vin的负极连接，续流二极管Db的阳极分别与等效串联电阻ESR的一端、负载RL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RL的另一端均与电压源Vin的负极连接，负载RL两端为输出电压vo；所述功率电路控制单元(2)的输入端分别与Buck‑Boost变换器主功率电路(1)的电压源Vin和输出电压vo连接，功率电路控制单元(2)输出端的PWM信号分别接入开关频率fs计算单元(4)和占空比Dy计算单元(5)，Buck‑Boost变换器主功率电路(1)的输出电压vo和功率电路控制单元(2)输出端的PWM信号均接入输出电压触发采样单元(6)，开关频率fs计算单元(4)、占空比Dy计算单元(5)、输出电压触发采样单元(6)的输出端均接入电容ESR和C计算单元(7)，电容ESR和C计算单元(7)的输出端接入显示单元(8)；所述驱动电路(3)的输入端与功率电路控制单元(2)输出端的PWM信号连接，驱动电路(3)的输出端接入开关管Qb的门极。...

【技术特征摘要】
1.一种DCM升降压变换器输出电容的监测装置，其特征在于，包括Buck-Boost变换器主功率电路(1)、驱动电路(3)、显示单元(8)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(2)、开关频率fs计算单元(4)、占空比Dy计算单元(5)、输出电压触发采样单元(6)、电容ESR和C计算单元(7)；所述Buck-Boost变换器主功率电路(1)包括输入电压源Vin、开关管Qb、续流二极管Db、滤波电感L、输出滤波电容和负载RL，所述输出滤波电容包括等效串联电阻ESR和电容C，所述开关管Qb的漏极与电压源Vin的正极连接，滤波电感L一端分别与开关管Qb的源极、续流二极管Db的阴极连接，滤波电感L另一端与电压源Vin的负极连接，续流二极管Db的阳极分别与等效串联电阻ESR的一端、负载RL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RL的另一端均与电压源Vin的负极连接，负载RL两端为输出电压vo；所述功率电路控制单元(2)的输入端分别与Buck-Boost变换器主功率电路(1)的电压源Vin和输出电压vo连接，功率电路控制单元(2)输出端的PWM信号分别接入开关频率fs计算单元(4)和占空比Dy计算单元(5)，Buck-Boost变换器主功率电路(1)的输出电压vo和功率电路控制单元(2)输出端的PWM信号均接入输出电压触发采样单元(6)，开关频率fs计算单元(4)、占空比Dy计算单元(5)、输出电压触发采样单元(6)的输出端均接入电容ESR和C计算单元(7)，电容ESR和C计算单元(7)的输出端接入显示单元(8)；所述驱动电路(3)的输入端与功率电路控制单元(2)输出端的PWM信号连接，驱动电路(3)的输出端接入开关管Qb的门极。2.根据权利要求1所述的DCM升降压变换器输出电容的监测装置，其特征在于，所述信号处理模块为DSP芯片TMS320F28335。3.根据权利要求1所述的DCM升降压变换器输出电容的监测装置，其特征在于，所述显示单元(8)为1602液晶显示屏。4.一种DCM升降压变换器输出电容的监测...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈恺立，姚凯，唐焕奇，冒春艳，李垒，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32