一種在線式開關電源輸出端電解電容監測方法

摘 要： 開關電源中電容的性能退化是導致電源故障的重要因素，因此提出一種在線式的、針對BUCK拓撲的數字控制開關電源監測其輸出端鋁電解電容容量與串聯等效電阻（ESR）的方法，實現了對電源中輸出端電容性能退化的實時監測。在負載發生階躍下降時，通過對電容電流進行積分，結合電荷守恒定理對電容值進行計算，進而基于電容充電過程中兩端電壓計算電容串聯等效電阻的阻值。以STM32F4作為控制器對該方法進行了實驗驗證，其不僅能對電容值與ESR進行測量而且可以對電容性能退化進行實時監測。該方法算法復雜度低、硬件結構簡單、誤差較小，有較強的可行性。

關鍵詞： 電容測量； ESR測量； BUCK變換器； 數字電源

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

開關電源是目前應用最廣泛的電源，應用表明電解電容的壽命是開關電源壽命的主要瓶頸。在工作過程中電解電容等效電路模型中的串聯等效電阻（ESR）會不斷增大，容量下降[1]，使得開關電源輸出紋波增加，甚至使電子、電氣設備損壞，造成損失。目前對鋁電解電容的失效機理與故障預測已經有很多研究[1?3]，但預測電解電容壽命需要對開關電源的輸出紋波進行長期的監測、統計，然而分析這些數據并得出預期壽命需要比較大的計算量與復雜的硬件電路，多用于工業生產成品開關電源的產品壽命預測。例如文獻[4]使用了CPLD和32位微控制器采樣紋波信號，基于改進的EMD算法和基于改進 EMD的Hilbert變換算法提出一種實時估測ESR值的方法，算法的時間和空間復雜度都很高。文獻[5]提出了一種基于開關電源穩態輸出電壓紋波的監測電容容量與ESR值的方法。在開關電源運行中進行硬件實時監測是低成本的有效方案，可與上述電源壽命預測的方法相互補，達到了避免開關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測開關電源輸出端鋁電解電容容量與ESR值的方法，以此監測電容的退化情況。該方法不影響電源系統的正常運行并能很好地與現有的數字電源控制技術相結合，有一定的可行性，算法復雜度低。本文使用STM32F4作為控制器進行了實驗驗證，該方法有很好的實時性和一定的精確度。

1 電容容值的測量

1.1 理論基礎

如圖1所示，對于一個典型的BUCK拓撲的開關電源，其中Vi是輸入電壓，Vo是輸出電壓，Io是輸出電流，L是拓撲中電感的電感值，D是占空比，k為開關周期的次數。在處于穩態時，電感電流iL（t）在開關管開通時以斜率[Vi-VoL]上升；在開關管關斷時以斜率[-VoL]下降[6]。

圖1 BUCK變換器的拓撲結構

電感電流在開關管QH開通、關斷時的表達式為：

[iLt=Vi-VoLt+Io-Vo1-D2Lfs， 0≤t

拓撲中的電容起到吸收電感電流iL（t）中交流分量的作用，使得輸出電流Io穩定。

[iCt=iLt-Io] （2）

由式（2）可得電容電流iC（t）的表達式為：

[iCt=Vi-VoLt-Vo1-D2Lfs， 0≤t

如圖2所示，當負載電流io（t）在t1時刻發生向下的階躍變化，從Io1～Io2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）也發生階躍變化，使得輸出端電容電壓Vo升高，達到Vom。

圖2 電感電流、負載電流與輸出端電壓的關系

劉雁飛等提出了電荷平衡法[7?9]，當負載發生階躍變化時，進行非線性控制，使得負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態輸出電壓Vref。本文所采用的監測電容的方法基于電荷平衡的控制方法，當電源負載電流發生階躍變化時，強制開關管QH關斷，使得電感電流iL下降，跌落至負載電流Io2以下，這時相應的電容電流為：

[iCt=Vi-VoLt1-Vo1-D2Lfs-VoLt2， 0≤t1