一种开关电源负载电容等效电阻的评估方法技术

本发明专利技术涉及电子评估技术，更具体地说，公开一种开关电源负载电容等效串联电阻的评估方法，它包括以下步骤：测量电容电压与电感电流，获取N组测量数据；构建测量矩阵；利用前N阶时刻状态的负载电容ESR初始值计算初始优化估计值和广义噪声功率增益；输入新的电容电压与电感电流计算值，利用广义噪声功率增益和优化估计值计算新的等效串联电阻评估值；更新广义噪声功率增益，等待新数据到来，重复步骤S4，更新计算等效串联电阻评估值。该算法采用了有限响应滤波的方法，在计算过程中对于系统噪声统计分布预估的准确度要求低，避免了系统噪声建模不准确造成大的计算偏差。

An evaluation method for the equivalent resistance of the load capacitance of a switching power supply

The present invention relates to electronic technology, more specifically, an evaluation method of switching power supply open load capacitance equivalent series resistance, which comprises the following steps: measurement of capacitance voltage and inductance current, to obtain N group measurement data; the measurement matrix is constructed by using the load capacitance ESR; initial N order moment state value calculation of the initial optimization the estimated value and the generalized noise power gain; the new input capacitor voltage and inductor current is calculated, the estimated value of the series resistance evaluation value calculating new equivalent generalized noise power gain and optimization; update the generalized noise power gain, waiting for the new arrival data, repeat steps S4, update the calculated equivalent series resistance value. The algorithm adopts the method of finite response filtering. In the process of computation, the accuracy of the prediction of the system noise statistical distribution is low, which avoids the large computation bias caused by the inaccurate modeling of the system noise.

【技术实现步骤摘要】
一种开关电源负载电容等效电阻的评估方法
本专利技术涉电子评估技术，更具体地说，涉及一种开关电源负载电容等效串联电阻的评估方法。
技术介绍
开关电源是电子设备正常工作的基础，是整个电子系统的心脏。一旦电源发生故障，会使得整个电子设备瘫痪，无法完成其应有功能，甚至造成巨大的经济损失和人员伤亡。随着信息化智能化进程的加快，电子信息系统在整个装备中的占比也不断增加，因此，对于开关电源稳定性与可靠性的要求也越来越高。然而，由于开关电源承受着系统中最大的电压和功率，往往是整个系统中最容易发生故障的部分，所以，对开关电源模块可靠性保障对系统的稳定具有重要意义。电解电容是整个开关电源系统中故障率最高的部件，60％以上的开关电源失效均是由电解电容造成的。电解电容寿命有限且远小于开关电源系统中其他部件，在使用过程中电解电容的性能不断退化，直至造成系统失效。因此，研究电源系统中电解电容性能退化，明确其性能状态，实现高效的监控，从而避免电解电容失效造成的影响对电子信息系统可靠性保障具有重要意义。电解电容的主要退化表征为其电容值减小和等效串联电阻(EquivalentSeriesResistance,ESR)增加，因此计算电解电容的ESR和电容值对分析开关电源模块的状态具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术提供了一种开关电源负载电容等效电阻的评估方法，能够准确的评估ESR的变化，提升ESR计算的鲁棒性。本专利技术为了解决上述问题，采用了以下技术方案：一种开关电源负载电容等效电阻的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.测量电容电压与电感电流，获取N组测量数据；S2.构建测量矩阵；S3.利用前N阶时刻状态的负载电容ESR初始值计算初始优化估计值和广义噪声功率增益；S4.输入新的电容电压与电感电流计算值，利用广义噪声功率增益和优化估计值计算新的等效串联电阻评估值；S5.更新广义噪声功率增益，等待新数据到来，重复步骤S4，更新计算等效串联电阻评估值。进一步地，所述步骤S1包括如下具体步骤：S11.选定无偏有限冲击响应滤波算法滤波器的数据窗口长度为N；S12.获取N组电容电压与电感电流测量值；进一步地，所述步骤S2中构建测量矩阵的方法包括，利用测量的电容电压、电感电流与负载电容等效电阻之间的关系建立测量矩阵。进一步地，所述步骤S3中计算初始优化估计值和广义噪声功率增益计算方法如下：初始优化计算公式表示为：广义噪声功率增益计算公式为：GN＝(CTC)-1。进一步地，所述步骤S4中计算方法包括利用新的电容电压与电感电流测量值构建新数据矩阵Yk，则更新广义噪声功率增益矩阵：等效串联电阻评估值的迭代计算方程为：进一步地，所述步骤S5具体步骤为：S51.记录第K时刻的评估值偏差的均方根：S52.计算第k时刻的广义噪声功率增益调节系数θk定义为：S53.等待新的测量数据到来，重复S4-S5步骤，更新等效串联电阻评估值。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：(1)通过定义测量数据与估计值偏差值作为广义噪声功率增益调节系数，动态调整广义噪声功率增益，实现对不同工况条件的适应能力。(2)采用改进UFIR滤波算法实时计算电解电容ESR，能够避免事先对系统测量噪声特性建模。(3)通过采用增益调节系数实现在不同工况条件下的快速切换。附图说明图1为本评估方法的流程图；图2为实施例中的电路结构。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进一步说明：参考图1，本专利技术提供了一种开关电源负载电容等效串联电阻评估方法，包括以下步骤：S1.测量电容电压与电感电流，获取N组测量数据；S2.构建测量矩阵；S3.利用前N阶时刻状态的负载电容等效串联电阻初始值计算初始优化估计值和广义噪声功率增益；S4.输入新的电容电压与电感电流计算值，利用广义噪声功率增益和优化估计值计算新的等效串联电阻评估值；S5.更新广义噪声功率增益，等待新数据到来，重复步骤S4，更新计算等效串联电阻评估值。进一步地，所述步骤S1包括如下具体步骤：S11.选定无偏有限冲击响应滤波算法滤波器的数据窗口长度为N；S12.获取N组电容电压与电感电流测量值。进一步地，所述步骤S2中构建测量矩阵方法为依据电路结构，利用测量的电容电压、电感电流与负载电容等效电阻之间的关系建立测量矩阵。进一步地，所述步骤S3中计算初始优化估计值和广义噪声功率增益计算方法如下：初始优化计算公式表示为：其中：C为测量矩阵，YN为N组电容电压与电感电流测量值。广义噪声功率增益计算公式为：GN＝(CTC)-1。进一步地，所述步骤S4中，具体计算方法如下：利用新的电容电压与电感电流测量值构建新数据矩阵Yk，更新广义噪声功率增益矩阵：其中：θk为广义噪声功率增益调节系数，初始值为1。等效串联电阻评估值的迭代计算方程为：其中：为第k时刻电容等效串联电阻估计值，由于当电路处于不同工作状态时，电路功耗不同，开关电源输出效率不同，此时纹波特性也会存在差异。为了提高算法的灵活性，本实施例通过定义测量数据与估计值偏差值作为广义噪声功率增益调节系数，动态调整广义噪声功率增益，实现对不同工况条件的适应能力。所以，进一步地，所述步骤S5具体步骤为：S51.记录第K时刻的评估值偏差的均方根：其中，β为评估值的数据维度。S52.计算第k时刻的广义噪声功率增益调节系数θk定义为：S53.等待新的测量数据到来，重复S4-S5步骤，更新等效串联电阻评估值。由S51-S52中的公式中可以看出，若评估值偏差变化很大时，可能存在工况变动情况，此时修正广义噪声功率增益，减小评估值误差，若评估值偏差变化很小，可以认为评估结果准确，增大广义噪声功率增益，进一步加快滤波算法的收敛速度。本实施例还采用具体数据来进一步说明本专利技术的优良特性，参考图2为开关电源，该电路包含电压输入Vin，开关控制管M1，二极管D1，电感L1，负载电容C1，负载R1构成，其输入电压为100V，输出电压12V，电感L1＝33uH，电容C1＝150uF，开关频率150kHz，电路仿真选定的开关电源电容等效电阻为200mΩ，通过调节M1控制信号的占空比，可以实现对负载输出电压Uo的控制。在计算负载电容等效电阻的评估方法中需要采集流过电感的电流大小和电容两端的电压大小。电感电流测量可以采用电流传感器方式进行，电容电压测量采用ADC方式实现。表1给出了单一工况条件下已知噪声特性时不同算法的性能比较。通过分析可以看出，当噪声特性已知时，Kalman算法性能最优，改进型UFIR与UFIR滤波算法取得了近似的性能，且均远好于采用原始数据直接计算。表1已知噪声特性下单一工况算法均值方差直接计算199.939.72Kalman199.422.83UFIR滤波200.393.45改进UFIR2023.34当噪声特性未知时，无法准确对噪声建模，参考表2，此时，kalman滤波算法计算结果波动增大，UFIR滤波算法与改进型UFIR算法不需要噪声统计特性建模，其算法性能保持稳定。表2未知噪声特性下单一工况算法均值方差直接计算201.3711.53Kalman201.565.02UFIR滤波199.613.31改进UFIR200.523.61参考表3是未知噪声特性下复杂工况，各方法的数据统计。当电路处于多种工况条件，且进行多次切换时，ESR评估本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种开关电源负载电容等效串联电阻的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.测量电容电压与电感电流，获取N组测量数据；S2.构建测量矩阵；S3.利用前N阶时刻状态的负载电容ESR初始值计算初始优化估计值和广义噪声功率增益；S4.输入新的电容电压与电感电流计算值，利用广义噪声功率增益和优化估计值计算新的等效串联电阻评估值；S5.更新广义噪声功率增益，等待新数据到来，重复步骤S4，更新计算等效串联电阻评估值。

【技术特征摘要】
1.一种开关电源负载电容等效串联电阻的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.测量电容电压与电感电流，获取N组测量数据；S2.构建测量矩阵；S3.利用前N阶时刻状态的负载电容ESR初始值计算初始优化估计值和广义噪声功率增益；S4.输入新的电容电压与电感电流计算值，利用广义噪声功率增益和优化估计值计算新的等效串联电阻评估值；S5.更新广义噪声功率增益，等待新数据到来，重复步骤S4，更新计算等效串联电阻评估值。2.根据权利要求1所述的一种开关电源负载电容等效串联电阻的评估方法，其特征在于，所述步骤S1包括如下具体步骤：S11.选定无偏有限冲击响应滤波算法滤波器的数据窗口长度为N；S12.获取N组电容电压与电感电流测量值。3.根据权利要求1所述的一种开关电源负载电容等效串联电阻的评估方法，其特征在于，所述步骤S2中构建测量矩阵的方法包括，利用测量的电容电压、电感电流与负载电容等效电阻之间的关系建立测量矩阵。4.根据权利要求1所述的一种开关电源负载电容等效串联电阻的评估方法，其特征在于，所述步骤S3中计算初始优化估计值和广义噪声功率增益计算方式如下：初始优化计算公式表示为：

【专利技术属性】
技术研发人员：高军，卢家锋，陈婷，王红涛，
申请(专利权)人：广东科鉴检测工程技术有限公司，深圳韵脉智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44