0 引言

    近年來,得益于巨大的市場需求，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)，是整個電子系統(tǒng)的心臟。保障開關(guān)電源模塊可靠性對系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要意義。輸出電解電容是整個開關(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)，實現(xiàn)高效的監(jiān)控，從而避免電解電容失效造成的影響對電子信息系統(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，因此計算電解電容的ESR和電容值對分析開關(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)測電解電容的電容值和ESR，國內(nèi)外學者提出了多種計算方法。傳統(tǒng)的在線監(jiān)測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)的計算方法。利用采集的電流與電壓，BUIATTI G M^[6]提出了采用簡化回歸模型實現(xiàn)了ESR的計算，但該算法易受噪聲因素影響，測量結(jié)果波動較大。LEITE A V T^[7]結(jié)合卡爾曼（Kalman）濾波器對數(shù)據(jù)進行分析，實現(xiàn)了平滑的ESR計算。但是卡爾曼濾波器對噪聲模型參數(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)測器來分析ESR的變化，該算法適合電路反饋控制，對ESR評估精度較差。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撲，且ESR計算量較大。

    為了避免對電路拓撲的修改，LAHYANI A^[9]提出了采用濾波的方法，通過設(shè)計輸出濾波器獲取特定頻率下的信號幅值，從而計算輸出電容ESR的變化，但該方案對濾波器設(shè)計要求較高，電路代價較大。姚凱等^[10-11]提出了一種無電流傳感器的在線ESR監(jiān)測方案，該方案采樣0時刻和D/2時刻的輸出電壓來分析輸出電容的狀態(tài)。但是由于觸發(fā)信號選取了D/2時刻，需要根據(jù)占空比的不同修改電路設(shè)計。雖然ESR評估已經(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)測方法，采用上升沿和下降沿作為觸發(fā)信號，不需要根據(jù)占空比的變化對電路進行修正，提高了電路設(shè)計應(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，對于低頻應(yīng)用的電解電容，電解電容的等效電路可以簡化為一個電阻與一個電容的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，因此電路中表示為等效串聯(lián)電阻R_ESR與等效電容C_e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，平均電流為I_init，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(U_in-U_out)/L。在開關(guān)關(guān)閉后，電感電流下降，下降速率為-U_out/L。據(jù)此，可以將電感電流在周期[0，T_s]中表示為：

式中：U_in為模塊輸入電壓，U_out為模塊輸出電壓均值，D為控制信號的占空比，T_s為控制信號周期，I_init為平均電流，L為電感模塊的電感值，t為時間。

    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C_e上電壓可以表示為：

式中，U_c(0)和U_c(DT_s)為零時刻與DT_s時刻等效電容C_e上的電壓，滿足U_c(0)=U_c(DT_s)。

    考慮輸出電壓的即時值，U_out(t)為ESR電壓與等效電容C_e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)，通過測量0時刻和DT_s時刻的輸出電壓交流部分就可以計算出輸出電容的ESR與電容量C。

2 在線監(jiān)測電路設(shè)計

    為了能夠在0時刻和DTs時刻對輸出電壓交流部分進行采樣，本文構(gòu)建了如圖2所示的在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由五部分構(gòu)成，分別為控制信號、Buck開關(guān)電源模塊、輸出隔離放大模塊、觸發(fā)采樣模塊和計算分析模塊。其中，控制信號由電源控制芯片產(chǎn)生，用于控制MOS管開啟和關(guān)斷的方波信號；Buck模塊實現(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)信號的控制下進行采樣；計算分析模塊實現(xiàn)依據(jù)式(8)利用采樣信號計算輸出電容的ESR與電荷量。通過構(gòu)建的在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠便捷地實現(xiàn)對輸出電容ESR與電荷量的監(jiān)測。

    觸發(fā)信號產(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)信號為低電平，D觸發(fā)器的Q輸出低電平，Q_Delay同樣為低電平。在0時刻，開關(guān)信號由低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖剑?jīng)過與Q_Delay進行異或后產(chǎn)生高電平，即產(chǎn)生上升沿觸發(fā)信號觸發(fā)采樣。該上升沿作為D觸發(fā)器觸發(fā)信號，將信號進行鎖存，此時Q信號變?yōu)楦唠娖?。由于RC濾波電路的存在，一段時間（T₁）后Q_Delay才變?yōu)楦唠娖?。當Q_Delay為高電平時，經(jīng)過異或門輸出一個低電平信號，即觸發(fā)信號在[0，T₁]時刻保持高電平，之后轉(zhuǎn)為低電平。同樣地，在D時刻，開關(guān)信號轉(zhuǎn)為低電平，會產(chǎn)生一個[D，D+T₁]長度的高電平脈沖。通過以上分析，觸發(fā)電路會在開關(guān)信號的上升沿和下降沿分別產(chǎn)生兩個寬度為T₁的脈沖，實現(xiàn)對特定時刻的數(shù)據(jù)的采樣。脈沖寬度由RC濾波器的時間常數(shù)決定，依據(jù)ADC采樣頻率要求調(diào)節(jié)。

3 試驗分析

    搭建Buck開關(guān)電源模塊電路，并搭建在線監(jiān)測系統(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占空比與輸出電壓確定。

    利用搭建的在線監(jiān)測電路，通過式(8)計算輸出電容的ESR與電荷量C。由于不同輸出信號占空比條件下輸出電壓上升與下降速率不同，會對測量結(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與電荷量的計算值。電容量和ESR測量結(jié)果如圖4所示。

    利用LCR表測定10 kHz輸出電容的ESR為159.1 mΩ，電容為182.2 μF。通過與表1中給出的計算值進行比對，可以發(fā)現(xiàn)測量值與計算值接近，驗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，實時評估電解電容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)測方法。本方法選取了開關(guān)控制信號的上升沿和下降沿作為采樣的觸發(fā)信號，通過構(gòu)建ESR與電荷量的計算方程，通過兩個觸發(fā)點的輸出電壓采樣方便地實現(xiàn)了輸出電容ESR和電荷量的計算。本文分析設(shè)計了觸發(fā)信號的產(chǎn)生電路與隔離放大電路，提出的電路結(jié)構(gòu)簡單，避免對Buck電源模塊拓撲結(jié)構(gòu)的修改，能夠廣泛應(yīng)用于電源模塊狀態(tài)檢測中。

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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 自動化科學與工程學院，廣東 廣州510640；2.廣東科鑒檢測工程技術(shù)有限公司，廣東 廣州510000）