开关电源输出电容在线检测方法、系统及介质

技术领域

本发明涉及开关电源故障检测技术领域，尤其涉及一种非侵入式纯电容型滤波结构开关电源输出电容在线检测方法、系统及介质。

背景技术

开关电源结构复杂，AC-DC型开关电源将交流电变为恒定的直流电时往往包含多个模块，每个模块又存在不同的拓扑结构，而DC-DC型开关电源相当于AC-DC型开关电源的一部分。开关电源中DC-DC变换器的种类繁多，其基本电路拓扑结构是Buck变换器、Boost变换器、Buck-Boost变换器、Cuk变换器、Sepic变换器，Zeta变换器，后续应用的其他类型变换器是基于这六种基本结构衍生而来，最终的主拓扑输出端与这六种变换器基本一致。这些变换器按照主拓扑输出端滤波结构可以分成两类，一类是与Buck变换器一致的LC型滤波结构，如Cuk、Zeta、Forward、推挽变换器及相关衍生拓扑；另一类是与Boost变换器一致的纯电容型滤波结构，如Buck-Boost、Sepic、Flyback变换器及相关衍生拓扑。输出电容是开关电源的薄弱环节，对整个开关电源性能影响很大，检测开关电源中输出电容的参数直接关系到该电源的故障情况和使用寿命。

拆开开关电源或卸下电容进行检测的方式均可能对电源造成损伤，降低其使用寿命。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种非侵入式纯电容型滤波结构开关电源输出电容在线检测方法、系统及介质，旨在实现仅利用利用开关电源正常工作时的输出电压纹波和负载电流，便可以计算出输出电容的参数，无需外加激励辅助测量，无需拆解电源，对开关电源无任何冲击影响。

为了达到上述目的，本发明提出一种非侵入式纯电容型滤波结构开关电源输出电容在线检测方法，所述方法包括以下步骤：

步骤S10，在开关电源正常运行时，同步采集开关电源输出电压纹波信号v

步骤S20，计算开关管导通阶段输出电压纹波v

步骤S30，计算开关管关闭阶段输出电压纹波v

步骤S40，根据输出电压纹波v

步骤S50，利用

步骤S60，根据检测出的开关电源输出电容的容值、电容的标准容值、等效串联电阻的阻值和等效串联电阻的标准阻值以判断出该纯电容型滤波结构开关电源的运行状态。

为实现上述目的，本发明还提出一种非侵入式纯电容型滤波结构开关电源输出电容在线检测系统，所述系统包括存储器、处理器以及存储在所述处理器上的非侵入式纯电容型滤波结构开关电源输出电容在线检测程序，所述非侵入式纯电容型滤波结构开关电源输出电容在线检测程序被所述处理器运行时执行如上所述的非侵入式纯电容型滤波结构开关电源输出电容在线检测方法的步骤。

为实现上述目的，本发明还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有非侵入式纯电容型滤波结构开关电源输出电容在线检测程序，所述非侵入式纯电容型滤波结构开关电源输出电容在线检测程序被处理器运行时执行如上所述的非侵入式纯电容型滤波结构开关电源输出电容在线检测方法的步骤。

本发明非侵入式纯电容型滤波结构开关电源输出电容在线检测方法、系统及介质的有益效果是：

(1)本发明提出的检测方法适用于DC-DC变换器模块的主拓扑输出端为纯电容型滤波结构的各种AC-DC型和DC-DC型开关电源的输出电容参数在线检测；

(2)本发明提出的检测方法是一种非侵入式的在线检测方法，仅利用开关电源输出端的信号便可以对其输出电容参数进行检测，无需拆解电源，对开关电源无任何冲击影响；

(3)本发明仅需利用开关电源正常工作时的输出电压纹波和负载电流，便可以计算出输出电容的参数，无需外加激励辅助测量，无需拆解电源，对开关电源无任何冲击影响；

(4)本发明提出的检测方法与开关电源前端的输入信号和电路结构无关，仅与主拓扑输出端的滤波结构有关，该方法适用于与Boost变换器一致的纯电容型滤波结构的开关电源，如Buck-Boost、Sepic、Flyback变换器及相关衍生拓扑，适用的开关电源种类多，适用范围广。

附图说明

图1是本发明非侵入式纯电容型滤波结构开关电源输出电容在线检测方法较佳实施例的流程示意图；

图2是Boost变换器的基本结构示意图；

图3是Boost变换器开关管导通状态拓扑图；

图4是Boost变换器开关管关闭状态且电感电流不为0时的拓扑图；

图5是Boost变换器开关管关闭状态且电感电流为0时的拓扑图；

图6是电感电流连续时纯电容型滤波结构开关电源主要波形示意图；

图7是电感电流断续时纯电容型滤波结构开关电源主要波形示意图；

图8是二极管导通电流示意图；

图9是纯电容型滤波结构开关电源输出电压纹波信号波形示意图。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对开关电源的特点，本发明提出了一种非侵入式纯电容型滤波结构开关电源输出电容在线检测方法，该方法适用于DC-DC变换器模块的主拓扑输出端为纯电容型滤波结构的各种AC-DC型和DC-DC型开关电源的输出电容在线检测。本发明仅需利用开关电源正常工作时的输出电压纹波和负载电流，便可以计算出输出电容的参数，无需外加激励辅助测量，无需拆解电源，对开关电源无任何冲击影响。此方法与开关电源前端的输入信号及电路结构无关，适用的开关电源种类多，范围广。

具体地，请参照图1，本发明非侵入式纯电容型滤波结构开关电源输出电容在线检测方法较佳实施例包括以下步骤：

步骤S10，在开关电源正常运行时，同步采集开关电源输出电压纹波信号v

步骤S20，计算开关管导通阶段输出电压纹波v

步骤S30，计算开关管关闭阶段输出电压纹波v

步骤S40，根据输出电压纹波v

步骤S50，利用

步骤S60，根据检测出的开关电源输出电容的容值、电容的标准容值、等效串联电阻的阻值和等效串联电阻的标准阻值以判断出该纯电容型滤波结构开关电源的运行状态。

以下结合图2至图9对本发明非侵入式纯电容型滤波结构开关电源输出电容在线检测方法进行详细阐述。

纯电容型滤波结构开关电源输出电容在线检测方法：

本发明提出的在线检测方法是针对主拓扑输出端滤波结构与Boost变换器一致的纯电容型滤波结构的AC-DC型和DC-DC型开关电源。因此，以Boost变换器为例进行说明该检测方法，其他主拓扑输出端滤波结构为纯电容型滤波结构的开关电源与Boost变换器的检测方法完全一致。

Boost变换器一般存在CCM模式和DCM模式两种工作模式，两种工作模式下电感电流不一致，但是检测方法是一致的。Boost变换器基本结构图如图2所示，流过电感的电流为i

i

Boost变换器的输出电容等效模型由纯电容和等效串联电阻串联而成，当Boost变换器工作在CCM模式时，电感电流存在两种工作模态，其各元件的电参量的波形示意图如图6所示。当Boost变换器工作在DCM模式时，电感电流存在三种工作模态，其各元件的电参量的波形示意图如图7所示。在开关管开通时，二极管D截止，负载由滤波电容C供电，输出电压纹波线性降低。在开关管关闭时，电感电流通过二极管D向输出侧流动，此时电容电流变化的斜率与二极管电流变化的斜率一致，此时输出电压纹波上升。当电感电流为0时，负载由滤波电容C供电，输出电压纹波线性降低。当变换器工作在DCM模式时，因为电感电流为0的阶段和开关管导通阶段均是滤波电容对负载供电，因此可以将这两个阶段合并成一个阶段进行分析。将电感电流为0阶段等效为开关管导通阶段的一部分，则Boost变换器输出电容的参数均可以按照CCM模式下进行分析，因此，DCM模式和CCM模式下的检测方法是一致的。

利用开关电源输出电压纹波和负载电流可以求解开关电源输出电容的参数，从图6中可以看出，t0-t2是开关管导通时电感电流上升阶段，此时二极管电流为0，输出电压纹波线性减小；t2–t4是开关管关闭时电感电流下降阶段，此时二极管电流与电感电流相等，电容电流的斜率与二极管电流的斜率一致。从v

在开关管关闭阶段，电容电流线性下降，此时流过电容的电流可以用式y＝kt+b来表示。在开关管关闭阶段，任意时刻的电容电压与电容电流的关系如式(5)所示，将式(5)求一阶微分，得出式(6)，再将式(6)求微分，得出式(7)，则电容电流变化的斜率可以求出如式(8)所示。

k＝C×v

在t2a时刻前，电容电流为式(9)，t2b时刻后，电容电流为式(10)，因此求出t2时刻电容电流突变量Δi

i

i

Δi

二极管导通时电流示意图如图8所示，由于二极管电流的平均值等于输出电流的值，可以求出i

在t2时刻，电源输出电压纹波和电容电流之间存在关系如式(14)所示，则推导出ESR如式(16)所示。将i

以下结合应用实例对本发明非侵入式纯电容型滤波结构开关电源输出电容在线检测方法进行说明。

选取任意一种DC-DC变换器输出端为纯电容型滤波结构的开关电源在saber里进行仿真，以Boost变换器为例进行仿真，得出输出电压纹波信号和负载电流信号，其中，输出电压纹波信号波形示意图如图9所示。利用本发明提出的方法，选取开关管导通阶段计算出输出电容的容值，选取开关管关闭阶段及开关管突变时刻计算电容的ESR值。设置不同的电容参数进行仿真，采用本发明提出的方法计算出输出电容的参数如表1所示。从表1可以看出，不同电容参数条件下计算得出的容值和ESR值误差都很小，其中电容计算误差几乎在3％以内，ESR计算误差也基本在3％以内，说明该方法可行。

表1利用仿真得出的输出电压纹波数据计算的电容参数

本发明非侵入式纯电容型滤波结构开关电源输出电容在线检测方法的有益效果是：

(1)本发明提出的检测方法适用于DC-DC变换器模块的主拓扑输出端为纯电容型滤波结构的各种AC-DC型和DC-DC型开关电源的输出电容参数在线检测；

(2)本发明提出的检测方法是一种非侵入式的在线检测方法，仅利用开关电源输出端的信号便可以对其输出电容参数进行检测，无需拆解电源，对开关电源无任何冲击影响；

(3)本发明仅需利用开关电源正常工作时的输出电压纹波和负载电流，便可以计算出输出电容的参数，无需外加激励辅助测量，无需拆解电源，对开关电源无任何冲击影响；

(4)本发明提出的检测方法与开关电源前端的输入信号和电路结构无关，仅与主拓扑输出端的滤波结构有关，该方法适用于与Boost变换器一致的纯电容型滤波结构的开关电源，如Buck-Boost、Sepic、Flyback变换器及相关衍生拓扑，适用的开关电源种类多，适用范围广。

为实现上述目的，本发明还提出一种非侵入式纯电容型滤波结构开关电源输出电容在线检测系统，所述系统包括存储器、处理器以及存储在所述处理器上的非侵入式纯电容型滤波结构开关电源输出电容在线检测程序，所述非侵入式纯电容型滤波结构开关电源输出电容在线检测程序被所述处理器运行时执行如上实施例所述的非侵入式纯电容型滤波结构开关电源输出电容在线检测方法的步骤，这里不再赘述。

为实现上述目的，本发明还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有非侵入式纯电容型滤波结构开关电源输出电容在线检测程序，所述非侵入式纯电容型滤波结构开关电源输出电容在线检测程序被处理器运行时执行如上实施例所述的非侵入式纯电容型滤波结构开关电源输出电容在线检测方法的步骤，这里不再赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。