0 引言

    近年來,得益于巨大的市場需求，開關電源得到了廣泛的應用。開關電源是電子設備正常工作的基礎，是整個電子系統的心臟。保障開關電源模塊可靠性對系統的穩定具有重要意義。輸出電解電容是整個開關電源系統中故障率最高的部件，60%以上的開關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電源系統中其他部件，在使用過程中電解電容的性能不斷退化，直至造成系統失效。因此，研究電源系統中電解電容性能退化，明確其性能狀態，實現高效的監控，從而避免電解電容失效造成的影響對電子信息系統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電源模塊的狀態具有重要意義^[3-5]。

    為了能夠在線監測電解電容的電容值和ESR，國內外學者提出了多種計算方法。傳統的在線監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了ESR的計算，但該算法易受噪聲因素影響，測量結果波動較大。LEITE A V T^[7]結合卡爾曼（Kalman）濾波器對數據進行分析，實現了平滑的ESR計算。但是卡爾曼濾波器對噪聲模型參數估算精度要求較大，且矩陣求逆過程可能出現矩陣病態。ALGREER M^[8]采用最小二乘法和迭代FIR預測器來分析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。但是由于觸發信號選取了D/2時刻，需要根據占空比的不同修改電路設計。雖然ESR評估已經有了較多的方法，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在線監測方法，采用上升沿和下降沿作為觸發信號，不需要根據占空比的變化對電路進行修正，提高了電路設計應用的便利性，保障了開關電源系統的可靠性。

1 Buck型電源模塊電容參數分析

    本文以Buck型開關電源作為研究對象。Buck型開關電源是DC-DC電源系統中最常見的結構，其等效電路結構如圖1所示。電解電容C作為開關電源的輸出濾波電容，主要用來限制輸出電壓上的開關頻率波紋分量，使之遠小于穩態的直流輸出電壓。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結構，因此電路中表示為等效串聯電阻R_ESR與等效電容C_e串聯。

    工作在連續導通模式(Continuous Conduction Mode，CCM)下的Buck型開關電源模塊處于穩定工作狀態時，平均電流為I_init，在開關開啟與關閉過程中，電感電流呈線性變化。在開關開啟后，電感電流上升，上升速率為(U_in-U_out)/L。在開關關閉后，電感電流下降，下降速率為-U_out/L。據此，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。依據電容電壓與電流的積分關系，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 在線監測電路設計

    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，本文構建了如圖2所示的在線監測系統。該系統由五部分構成，分別為控制信號、Buck開關電源模塊、輸出隔離放大模塊、觸發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生，用于控制MOS管開啟和關斷的方波信號；Buck模塊實現Buck型電源轉換器；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；觸發采樣利用ADC芯片在觸發信號的控制下進行采樣；計算分析模塊實現依據式(8)利用采樣信號計算輸出電容的ESR與電荷量。通過構建的在線監測系統，能夠便捷地實現對輸出電容ESR與電荷量的監測。

    觸發信號產生電路如圖3所示，該電路由異或門、D觸發器和RC濾波器構成。在初始階段，開關信號為低電平，D觸發器的Q輸出低電平，Q_Delay同樣為低電平。在0時刻，開關信號由低電平轉變為高電平，經過與Q_Delay進行異或后產生高電平，即產生上升沿觸發信號觸發采樣。該上升沿作為D觸發器觸發信號，將信號進行鎖存，此時Q信號變為高電平。由于RC濾波電路的存在，一段時間（T₁）后Q_Delay才變為高電平。當Q_Delay為高電平時，經過異或門輸出一個低電平信號，即觸發信號在[0，T₁]時刻保持高電平，之后轉為低電平。同樣地，在D時刻，開關信號轉為低電平，會產生一個[D，D+T₁]長度的高電平脈沖。通過以上分析，觸發電路會在開關信號的上升沿和下降沿分別產生兩個寬度為T₁的脈沖，實現對特定時刻的數據的采樣。脈沖寬度由RC濾波器的時間常數決定，依據ADC采樣頻率要求調節。

3 試驗分析

    搭建Buck開關電源模塊電路，并搭建在線監測系統，其中開關電源模塊的主要參數為：輸出電壓12 V，開關管選用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生器產生，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，會對測量結果產生一定的影響。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，可以發現測量值與計算值接近，驗證了本文提出方法的有效性。

4 結論

    電解電容衰退是開關電源失效的重要原因，實時評估電解電容ESR與電容量是開關電源狀態監控的重要方式。本文提出基于觸發模式的Buck電源模塊輸出電容ESR與電荷量的在線監測方法。本方法選取了開關控制信號的上升沿和下降沿作為采樣的觸發信號，通過構建ESR與電荷量的計算方程，通過兩個觸發點的輸出電壓采樣方便地實現了輸出電容ESR和電荷量的計算。本文分析設計了觸發信號的產生電路與隔離放大電路，提出的電路結構簡單，避免對Buck電源模塊拓撲結構的修改，能夠廣泛應用于電源模塊狀態檢測中。

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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有限公司，廣東 廣州510000）