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.
0 引言
近年來,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)?，且ESR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)。
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：
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。
流過電解電容的電流為電感電流與輸出電流的差，可以表示為：
流過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：
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：
由式(6)和式(7)可以推算出ESR與C的值，表示為：
根據(jù)式(8)，通過測(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)。
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?，?jīng)過與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
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)。
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。
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)，通過構(gòu)建ESR與電荷量的計(jì)算方程，通過兩個(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）