幾種Buck電路特征參數(shù)提取方法的比較

張波　朱倪瑤

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)的電路特征參數(shù)提取方法不能直接提取Buck電路電解電容的特征參數(shù)的問(wèn)題，提出了基于時(shí)域電路分析法和頻域電路分析法的特征參數(shù)提取方法，應(yīng)用于Buck電路的電解電容特征參數(shù)的提取中，并且和Buck電路等效模型參數(shù)提取法進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，文章所提出的時(shí)域電路分析法和頻域電路分析法能對(duì)電解電容的參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確地提取，而且相對(duì)誤差較小。

關(guān)鍵詞：Buck電路；特征參數(shù)提取；時(shí)域分析；頻域分析

中圖分類號(hào)：TP206 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）04-0080-04

Abstract： In order to solve the problem that the traditional circuit characteristic parameter extraction method can not directly extract the characteristic parameters of Buck circuit electrolytic capacitance， a method based on time-domain circuit analysis method and frequency-domain circuit analysis method is proposed to extract the characteristic parameters. It is applied to the extraction of characteristic parameters of electrolytic capacitance of Buck circuit and compared with the method of extracting equivalent model parameters of Buck circuit. The experimental results show that the proposed time-domain circuit analysis and frequency-domain circuit analysis can accurately extract the parameters of the electrolytic capacitance， and the relative error is small.

Keywords： Buck circuit； feature parameter extraction； time domain analysis； frequency domain analysis

引言

20世紀(jì)80年代，計(jì)算機(jī)全面實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)電源化，率先完成計(jì)算機(jī)的電源換代。20世紀(jì)90年代，開(kāi)關(guān)電源在電子、電氣設(shè)備等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)進(jìn)入了快速發(fā)展階段，本文選擇一種典型的降壓電路——Buck電路作為特征參數(shù)提取的研究對(duì)象[1]，如圖1所示。

1 電解電容故障機(jī)理及特征參數(shù)

電解電容等效機(jī)理：

在環(huán)境溫度為25℃時(shí)，Buck電路的元器件失效率分布如圖2所示[2，3]，由圖可知，電解電容是Buck中故障發(fā)生概率最大的元器件，所以對(duì)電解電容進(jìn)行分析是非常重要的，可以用等效串聯(lián)電阻來(lái)表征電容的退化情況。

通常情況下，電容起到的是儲(chǔ)能的作用，同時(shí)對(duì)輸出電壓起濾波作用[4]。在現(xiàn)實(shí)的工作情況下，不存在理想狀況的電容，因此通過(guò)電路等效模型來(lái)表示，如圖3所示。

ESR為電容器的等效串聯(lián)電阻，C表示理想狀況下的電容值也稱為等效串聯(lián)電容，L為引線電感，R為并聯(lián)電阻，表示電解液和兩極間的泄漏損耗。電解電容工作頻率較低，可以忽略電感L，同時(shí)電容的泄漏電流很小，電阻R也可以忽略，最終可以簡(jiǎn)化為電容C和等效電阻ESR的串聯(lián)，如圖4所示，所以將ESR作為表征電容退化狀態(tài)的參數(shù)[5]。

2 特征參數(shù)提取方法

2.1 時(shí)域分析法

3 仿真結(jié)果分析

通過(guò)PSPICE進(jìn)行電路仿真，對(duì)其進(jìn)行模擬，對(duì)上述三種方法進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比。

3.1 Buck電路及參數(shù)設(shè)置

在Buck電路中， MOSFET管選用IRF151，頻率f=50kHz，占空比為D=0.22，電感L=43？滋H，二極管導(dǎo)通壓降為0.5V，電解電容的電容值C=220？滋F，負(fù)載RL=1.25？贅。經(jīng)過(guò)計(jì)算得知，此降壓電路實(shí)現(xiàn)輸入為25V，輸出為5V的DC-DC變換。

將圖6中的隨時(shí)間變化的理論ESR看成現(xiàn)實(shí)值，在PSPICE中對(duì)其進(jìn)行設(shè)置并仿真，模擬現(xiàn)實(shí)情況中電容的參數(shù)狀態(tài)變化。

3.2 基于時(shí)域分析法的仿真結(jié)果

采用時(shí)域分析法時(shí)，監(jiān)測(cè)輸出電壓u0和電容上的電流ic，接著計(jì)算ESR，結(jié)果如表1所示。

由上面的數(shù)據(jù)可得，時(shí)域法計(jì)算得的ESR值的誤差均？燮1m？贅，相對(duì)誤差？燮0.2%，說(shuō)明此方法是可行的。

3.3 基于頻域方法的仿真結(jié)果

選用FFT頻域分析的方法，就要檢測(cè)提取u0、ic的值，得到u0的交流成分uof，對(duì)uof、ic進(jìn)行FFT處理。經(jīng)過(guò)FFT變換，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明在f=50Hz或者其整數(shù)倍時(shí)，uof、ic信號(hào)是最強(qiáng)烈的，同時(shí)幅值也是最大的[8]。采用本文介紹的方法，得到ESR值如表2所示。

由表2的結(jié)果可知，通過(guò)FFT頻域的方法計(jì)算ESR的誤差也比較小，相對(duì)誤差都控制在0.3%之內(nèi)，證明利用FFT頻域的方法是可行的。

3.4 基于紋波電壓法的仿真結(jié)果

在Buck電路處于工作狀態(tài)時(shí)，可以得到其開(kāi)關(guān)導(dǎo)通和截止時(shí)兩種狀態(tài)的電路等效圖如下：endprint

當(dāng)Buck電路到達(dá)穩(wěn)定的工作狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)階段的電路有UO=UO1=UO2，？駐i=？駐i1=？駐i2。

3.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析

綜上所示，通過(guò)輸出電壓、紋波電壓？駐u，紋波電流？駐i，計(jì)算ESR，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，通用紋波電壓法得到的結(jié)果誤差在≤4m？贅，相對(duì)誤差最大達(dá)到0.547%，也符合計(jì)算的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

從上面三種方法對(duì)Buck電路的電解電容ESR的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，時(shí)域分析方法思路比較明確，但是需要檢測(cè)的信號(hào)比較多。頻域法不需要詳細(xì)地研究等效電路，簡(jiǎn)化了求解思想，但是計(jì)算的結(jié)果誤差較大。紋波電壓的方法需要檢測(cè)的數(shù)據(jù)比較少，只需檢測(cè)輸出電壓，就可以實(shí)現(xiàn)提取ESR。

對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析對(duì)比，在三種方法當(dāng)中，時(shí)域法相對(duì)誤差最小的，F(xiàn)FT頻域法居其次，紋波電壓法最大。

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