一種在線式開(kāi)關(guān)電源輸出端電解電容監(jiān)測(cè)方法

摘 要： 開(kāi)關(guān)電源中電容的性能退化是導(dǎo)致電源故障的重要因素，因此提出一種在線式的、針對(duì)BUCK拓?fù)涞臄?shù)字控制開(kāi)關(guān)電源監(jiān)測(cè)其輸出端鋁電解電容容量與串聯(lián)等效電阻（ESR）的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電源中輸出端電容性能退化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在負(fù)載發(fā)生階躍下降時(shí)，通過(guò)對(duì)電容電流進(jìn)行積分，結(jié)合電荷守恒定理對(duì)電容值進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而基于電容充電過(guò)程中兩端電壓計(jì)算電容串聯(lián)等效電阻的阻值。以STM32F4作為控制器對(duì)該方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其不僅能對(duì)電容值與ESR進(jìn)行測(cè)量而且可以對(duì)電容性能退化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該方法算法復(fù)雜度低、硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、誤差較小，有較強(qiáng)的可行性。

關(guān)鍵詞： 電容測(cè)量； ESR測(cè)量； BUCK變換器； 數(shù)字電源

中圖分類號(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）24?0148?04

An online monitoring method for output?end electrolytic capacitor of

switching mode power supply

LI Qi， YANG Biao， YU Hao， FENG Lian

（School of Information Engineering and Automation， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650500， China）

Abstract： The performance degradation of the electrolytic capacitor in switching mode power supply is an important factor to result in power failure， so a method of monitoring the capacity of output?end aluminum electrolytic capacitor and series equivalent resistance （ESR） on line is proposed for the digital?controlled switching mode power supply in allusion to BUCK topology， which can realize the real?time monitoring to the performance degradation of the output?end capacitor. When the load occurs step decline， by integrating the current of the capacitor， the capacitance is calculated in combination with charge conservation theorem， and the ESR value of the capacitor is calculated based on the voltage in both ends in charging process of the capacitor. The method is verified by the experiment， in which STM32F4 is used as the controller. The results show that the proposed method can measure the ESR and capacitance， and monitor the performance degradation of the capacitor in real?time. The algorithm of the method has low complexity， simple hardware structure， little error and strong feasibility.

Keywords： capacitor measurement； ESR measurement； BUCK converter； digital power supply

0 引 言

開(kāi)關(guān)電源是目前應(yīng)用最廣泛的電源，應(yīng)用表明電解電容的壽命是開(kāi)關(guān)電源壽命的主要瓶頸。在工作過(guò)程中電解電容等效電路模型中的串聯(lián)等效電阻（ESR）會(huì)不斷增大，容量下降[1]，使得開(kāi)關(guān)電源輸出紋波增加，甚至使電子、電氣設(shè)備損壞，造成損失。目前對(duì)鋁電解電容的失效機(jī)理與故障預(yù)測(cè)已經(jīng)有很多研究[1?3]，但預(yù)測(cè)電解電容壽命需要對(duì)開(kāi)關(guān)電源的輸出紋波進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)，然而分析這些數(shù)據(jù)并得出預(yù)期壽命需要比較大的計(jì)算量與復(fù)雜的硬件電路，多用于工業(yè)生產(chǎn)成品開(kāi)關(guān)電源的產(chǎn)品壽命預(yù)測(cè)。例如文獻(xiàn)[4]使用了CPLD和32位微控制器采樣紋波信號(hào)，基于改進(jìn)的EMD算法和基于改進(jìn) EMD的Hilbert變換算法提出一種實(shí)時(shí)估測(cè)ESR值的方法，算法的時(shí)間和空間復(fù)雜度都很高。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)態(tài)輸出電壓紋波的監(jiān)測(cè)電容容量與ESR值的方法。在開(kāi)關(guān)電源運(yùn)行中進(jìn)行硬件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是低成本的有效方案，可與上述電源壽命預(yù)測(cè)的方法相互補(bǔ)，達(dá)到了避免開(kāi)關(guān)電源因電解電容退化而失效的目的。本文提出了一種在線式監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)電源輸出端鋁電解電容容量與ESR值的方法，以此監(jiān)測(cè)電容的退化情況。該方法不影響電源系統(tǒng)的正常運(yùn)行并能很好地與現(xiàn)有的數(shù)字電源控制技術(shù)相結(jié)合，有一定的可行性，算法復(fù)雜度低。本文使用STM32F4作為控制器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法有很好的實(shí)時(shí)性和一定的精確度。

1 電容容值的測(cè)量

1.1 理論基礎(chǔ)

如圖1所示，對(duì)于一個(gè)典型的BUCK拓?fù)涞拈_(kāi)關(guān)電源，其中Vi是輸入電壓，Vo是輸出電壓，Io是輸出電流，L是拓?fù)渲须姼械碾姼兄?，D是占空比，k為開(kāi)關(guān)周期的次數(shù)。在處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感電流iL（t）在開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)以斜率[Vi-VoL]上升；在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)以斜率[-VoL]下降[6]。

圖1 BUCK變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電感電流在開(kāi)關(guān)管QH開(kāi)通、關(guān)斷時(shí)的表達(dá)式為：

[iLt=Vi-VoLt+Io-Vo1-D2Lfs， 0≤t

拓?fù)渲械碾娙萜鸬轿针姼须娏鱥L（t）中交流分量的作用，使得輸出電流Io穩(wěn)定。

[iCt=iLt-Io] （2）

由式（2）可得電容電流iC（t）的表達(dá)式為：

[iCt=Vi-VoLt-Vo1-D2Lfs， 0≤t

如圖2所示，當(dāng)負(fù)載電流io（t）在t1時(shí)刻發(fā)生向下的階躍變化，從Io1～I(xiàn)o2的變化量為Δi，而電感電流iL（t）不能突變，因此電容電流iC（t）也發(fā)生階躍變化，使得輸出端電容電壓Vo升高，達(dá)到Vom。

圖2 電感電流、負(fù)載電流與輸出端電壓的關(guān)系

劉雁飛等提出了電荷平衡法[7?9]，當(dāng)負(fù)載發(fā)生階躍變化時(shí)，進(jìn)行非線性控制，使得負(fù)載階躍變化前后電容充放電電荷平衡，從而使電容電壓回到穩(wěn)態(tài)輸出電壓Vref。本文所采用的監(jiān)測(cè)電容的方法基于電荷平衡的控制方法，當(dāng)電源負(fù)載電流發(fā)生階躍變化時(shí)，強(qiáng)制開(kāi)關(guān)管QH關(guān)斷，使得電感電流iL下降，跌落至負(fù)載電流Io2以下，這時(shí)相應(yīng)的電容電流為：

[iCt=Vi-VoLt1-Vo1-D2Lfs-VoLt2， 0≤t1