Buck devre çıkış kapasitansı ESR'nin tetikleme moduna göre çevrimiçi izleme yöntemi
Son yıllarda, büyük pazar talebi sayesinde, anahtarlamalı güç kaynakları yaygın olarak kullanılmaktadır. Anahtarlama güç kaynağı, elektronik ekipmanın normal çalışmasının temelidir ve tüm elektronik sistemin kalbidir. Anahtarlamalı güç kaynağı modülünün güvenilirliğinin sağlanması, sistemin kararlılığı için büyük önem taşır. Çıkış elektrolitik kapasitör, anahtarlamalı güç kaynağı sisteminin tamamında en yüksek arıza oranına sahip bileşendir.Saltmalı güç kaynağı arızalarının% 60'ından fazlası, çıkış elektrolitik kapasitörünün arızasından kaynaklanır. Elektrolitik kapasitörler sınırlı bir ömre sahiptir ve anahtarlamalı bir güç kaynağı sistemindeki diğer bileşenlerden çok daha küçüktür Elektrolitik kapasitörlerin performansı, sistem arızalanana kadar kullanım sırasında düşmeye devam eder. Bu nedenle, elektrolitik kapasitör arızasının etkisini önlemek için güç sistemlerindeki elektrolitik kapasitörlerin performans düşüşünü incelemek, performans durumunu netleştirmek ve verimli izleme gerçekleştirmek elektronik bilgi sistemlerinin güvenilirliği açısından büyük önem taşımaktadır. Elektrolitik kapasitörlerin ana degradasyonu, kapasitans değerinde bir azalma ve Eşdeğer Seri Dirençte (ESR) bir artış ile karakterize edilir.Bu nedenle, elektrolitik kapasitörlerin ESR ve kapasitans değerinin hesaplanması, anahtarlama güç kaynağı modüllerinin durumunu analiz etmek için büyük önem taşır.
Elektrolitik kapasitörlerin kapasitansını ve ESR'sini çevrimiçi olarak izlemek için, yurtiçi ve yurtdışındaki bilim adamları çeşitli hesaplama yöntemleri önerdiler. Geleneksel çevrimiçi izleme yönteminde, devreye bir indüktör akım sensörü yerleştirilir ve indüktör akımı ve çıkış voltajı toplanır ve ilgili hesaplama yöntemleri önerilir. Toplanan akım ve gerilimi kullanan BUIATTI G M, ESR hesaplamasını gerçekleştirmek için basitleştirilmiş bir regresyon modeli kullanmayı önerdi, ancak algoritma gürültü faktörlerine duyarlı ve ölçüm sonuçları büyük ölçüde dalgalanıyor. LEITE AV T, verileri analiz etmek ve sorunsuz ESR hesaplaması gerçekleştirmek için Kalman filtresiyle birleştirildi. Bununla birlikte, Kalman filtresi gürültü modeli parametrelerinin tahmini için daha fazla doğruluk gerektirir ve matris ters çevirme işlemi kötü koşullu görünebilir. ALGREER M, ESR'deki değişiklikleri analiz etmek için en küçük kareler yöntemini ve yinelemeli FIR belirleyicisini kullanır.Bu algoritma devre geri besleme kontrolü için uygundur ve ESR değerlendirmesinde zayıf doğruluktadır. Bu çözümler, endüktif akım sensörünün takılması nedeniyle güç modülünün devre topolojisini değiştirmiştir ve ESR hesaplama miktarı nispeten büyüktür.
Devre topolojisinin değiştirilmesinden kaçınmak için, LAHYANI A, çıkış kapasitörünün ESR değişimini hesaplamak için çıkış filtresini belirli bir frekansta sinyal genliğini elde edecek şekilde tasarlayarak filtreleme yöntemini önermektedir, ancak bu çözümün filtre tasarımı için daha yüksek gereksinimleri vardır. Devre maliyetlidir. Yao Kai ve arkadaşları, çıkış kapasitörünün durumunu analiz etmek için 0 ve D / 2 zamanlarındaki çıkış voltajını örnekleyen, akım sensörü olmayan bir çevrimiçi ESR izleme şeması önerdi. Bununla birlikte, tetik sinyali D / 2 zamanını seçtiğinden, devre tasarımının farklı görev döngülerine göre değiştirilmesi gerekir. ESR değerlendirmesi için birçok yöntem olmasına rağmen, bu yöntemlerin gürültü giderme ve kullanım kolaylığı açısından hala eksiklikleri vardır.
Bu makale, tetik sinyalleri olarak yükselen ve düşen kenarları kullanan ve devreyi görev döngüsündeki değişikliğe göre değiştirmeye gerek duymayan yeni bir ESR çevrimiçi izleme yöntemi önermektedir.Bu, devre tasarımı ve uygulamasının rahatlığını artırır ve anahtarlama güç kaynağı sistemini sağlar. güvenilirlik.
1 Buck tipi güç modülü kapasitans parametre analizi
Bu makale Buck tipi anahtarlama güç kaynağını araştırma nesnesi olarak alır. Buck tipi anahtarlamalı güç kaynağı, DC-DC güç kaynağı sistemindeki en yaygın yapıdır ve eşdeğer devre yapısı Şekil 1'de gösterilmiştir. Anahtarlamalı güç kaynağının çıkış filtre kondansatörü olarak, elektrolitik kondansatör C esas olarak çıkış voltajındaki anahtarlama frekansı dalgalanma bileşenini sınırlamak için kullanılır ve bu da onu kararlı durum DC çıkış voltajından çok daha küçük hale getirir. Üretim süreci ve malzeme özellikleri nedeniyle, elektrolitik kapasitörler bazı ideal olmayan özelliklere sahiptir.Düşük frekanslı uygulamalara yönelik elektrolitik kapasitörler için, elektrolitik kapasitörlerin eşdeğer devresi, bir direnç ve bir kapasitörün bir seri yapısı olarak basitleştirilebilir, bu nedenle devre eşdeğer seri olarak ifade edilir RESR direnci, eşdeğer kapasite Ce ile seri olarak bağlanır.
Sürekli İletim Modunda (CCM) çalışan Buck tipi anahtarlama güç kaynağı modülü kararlı bir çalışma durumunda olduğunda, ortalama akım Iinit'tir ve indüktör akımı açma ve kapama sırasında doğrusal olarak değişir. Anahtar açıldıktan sonra, indüktör akımı (Uin-Uout) / L oranında yükselir. Anahtar kapatıldıktan sonra, indüktör akımı -Uout / L oranında düşer. Buna dayanarak, indüktör akımı şu şekilde ifade edilebilir:
Burada: Uin modül giriş voltajıdır, Uout modül çıkış voltajının ortalama değeridir, D kontrol sinyalinin görev döngüsüdür, Ts kontrol sinyali periyodudur, Iinit ortalama akımdır, L indüktör modülünün endüktans değeridir ve t zamandır.
Elektrolitik kondansatörden geçen akım, indüktör akımı ile çıkış akımı arasındaki farktır ve şu şekilde ifade edilebilir:
Elektrolitik kapasitörden akan akım, indüktör akımı ile çıkış akımı arasındaki farktır. Kapasitör voltajı ile akım arasındaki integral ilişkiye göre, eşdeğer kondansatör Ce üzerindeki voltaj şu şekilde ifade edilebilir:
Formülde, Uc (0) ve Uc (DTs), sıfır ve DT anında eşdeğer kapasitör Ce üzerindeki gerilimlerdir ve Uc (0) = Uc (DTs) 'yi sağlar.
Çıkış voltajının anlık değeri göz önüne alındığında, Uout (t), ESR voltajı ile eşdeğer kapasitör Ce voltajının toplamıdır ve şu şekilde ifade edilir:
Denklemler (6) ve (7) 'den ESR ve C değerleri şu şekilde ifade edilebilir:
Formül (8) 'e göre, çıkış kondansatörünün ESR ve kapasitansı C, 0 zamanında çıkış geriliminin AC kısmı ve DT'ler ölçülerek hesaplanabilir.
2 Çevrimiçi izleme devresi tasarımı
Çıkış voltajının 0 zamanında ve DT'lerde AC kısmını örneklemek için, bu makale Şekil 2'de gösterildiği gibi bir çevrimiçi izleme sistemi oluşturur. Sistem, kontrol sinyali, Buck anahtarlamalı güç kaynağı modülü, çıkış izolasyon amplifikatör modülü, tetik örnekleme modülü ve hesaplama analiz modülü olmak üzere beş bölümden oluşmaktadır. Bunlar arasında, kontrol sinyali, kare dalga sinyalini açıp kapatmak için MOS tüpünü kontrol etmek için kullanılan güç kontrol çipi tarafından üretilir; Buck modülü Buck güç dönüştürücüsünü gerçekleştirir; çıkış izolasyon amplifikatör modülü, çıkış voltajının AC kısmını çıkarmak ve yükseltmek için kullanılır; tetik Örnekleme, tetikleme sinyalinin kontrolü altında örnekleme yapmak için ADC yongasını kullanır; hesaplama ve analiz modülü, örnekleme sinyalini kullanarak ESR ve çıkış kapasitörünün yükünü hesaplamak için formül (8) 'e göre uygulanır. Çevrimiçi bir izleme sistemi oluşturarak, ESR ve çıkış kondansatörünün şarjı kolayca izlenebilir.
Tetikleme sinyali oluşturma devresi Şekil 3'te gösterilmiştir. Devre, özel bir OR geçidi, D flip-flopu ve RC filtresinden oluşur. İlk aşamada, anahtar sinyali düşüktür, D flip-flopunun Q çıkışı düşüktür ve QDelay de düşüktür. 0 zamanında, anahtar sinyali düşük seviyeden yüksek seviyeye değişir ve QDelay ile XORlandırıldıktan sonra yüksek bir seviye oluşturur, yani örneklemeyi tetiklemek için bir yükselen kenar tetik sinyali üretilir. Yükselen kenar, sinyali kilitlemek için D flip-flopunun tetik sinyali olarak kullanılır Bu zamanda, Q sinyali yüksek bir seviye haline gelir. RC filtre devresinin varlığı nedeniyle, QDelay bir süre sonra (T1) yükselir. QDelay yüksek olduğunda, özel OR geçidinden düşük seviyeli bir sinyal verilir, yani tetik sinyali her zaman yüksek kalır ve ardından düşük seviyeye döner. Benzer şekilde, D zamanında, anahtarlama sinyali düşük bir seviyeye döner ve yüksek seviyeli bir uzunluk darbesi üretilir. Yukarıdaki analiz sayesinde, tetikleme devresi, belirli bir zamanda verilerin örneklenmesini gerçekleştirmek için, anahtar sinyalinin yükselen kenarında ve düşen kenarında T1 genişliğinde iki darbe üretecektir. Darbe genişliği, RC filtresinin zaman sabiti tarafından belirlenir ve ADC örnekleme frekansı gereksinimlerine göre ayarlanır.
3 Test analizi
Bir Buck anahtarlamalı güç kaynağı modülü devresi oluşturun ve çevrimiçi bir izleme sistemi oluşturun Anahtarlamalı güç kaynağı modülünün ana parametreleri şunlardır: çıkış voltajı 12 V, anahtarlama tüpü seçimi IRF640N, diyot seçimi MBR20100CT, çıkış endüktansı 1 mH, çıkış kondansatörü seçimi elektrolitik kondansatör 220 F / 25 V değerinde, kontrol sinyali 0.1 ms (10 kHz) periyotlu rastgele bir dalga formu üreteci tarafından üretilir ve giriş voltajı, kontrol sinyalinin görev oranı ve çıkış voltajı tarafından belirlenir.
Yerleşik çevrimiçi izleme devresini kullanarak, çıkış kapasitörünün ESR'sini ve C şarj miktarını formül (8) ile hesaplayın. Çıkış voltajı, farklı çıkış sinyali görev döngüleri altında farklı oranlarda yükselip düştüğü için, ölçüm sonuçları üzerinde belirli bir etkisi olacaktır. Tablo 1 çıkış kondansatörü ESR'nin hesaplanan değerini ve farklı görev döngüsü koşullarında şarjı göstermektedir. Kapasitans ve ESR ölçüm sonuçları Şekil 4'te gösterilmektedir.
LCR ölçer ile ölçülen 10 kHz çıkış kapasitörünün ESR'si 159,1 m ve kapasitansı 182,2 F'dir. Tablo 1'de verilen hesaplanan değer ile karşılaştırılarak, ölçülen değerin hesaplanan değere yakın olduğu ve bu yazıda önerilen yöntemin etkinliğini doğruladığı bulunabilir.
4. Sonuç
Elektrolitik kapasitörlerin bozulması, güç kaynaklarının değiştirilmesinin arızalanmasının önemli bir nedenidir.Elektrolitik kapasitörlerin ESR ve kapasitansının gerçek zamanlı değerlendirilmesi, anahtarlama güç kaynaklarının durumunu izlemenin önemli bir yoludur. Bu makale, Buck güç modülü çıkış kapasitansı ESR'nin ve tetikleme moduna dayalı şarjın çevrimiçi bir izleme yöntemini önermektedir. Bu yöntem, örnekleme için tetik sinyali olarak anahtar kontrol sinyalinin yükselen kenarını ve düşen kenarını seçer ESR hesaplama denklemi ve şarj miktarı oluşturularak, çıkış kondansatörü ESR ve şarj miktarı, iki tetik noktasında çıkış voltajı örneklenerek kolayca hesaplanır. . Bu makale tetikleme sinyali üretme devresini ve izolasyon yükseltici devresini analiz eder ve tasarlar Önerilen devre basit bir yapıya sahiptir, Buck güç modülü topolojisinin değiştirilmesini önler ve güç modülü durum tespitinde yaygın olarak kullanılabilir.
Referanslar
GUAN Y, JIN S Z, WU L F, et al. Güç kaynağı prognostikleri ve engebeli bir ortamda yüksek güvenilirlikli elektronik sistemlerin sağlık yönetimi. Anahtar Mühendislik Malzemeleri. Trans Tech Yayınları, 2011, 474-476: 1195-1200.
Wang Guohui, Guan Yong, Zheng Xueyan, ve diğerleri Anahtarlamalı güç kaynaklarında alüminyum elektrolitik kapasitörlerin gerçek zamanlı ESR tahmini.Güç Kaynağı Teknolojisi, 2014, 38 (6): 1114-1117.
Sha Zhanyou, Wang Yanming, Ge Jiayi, vb. Yeni teknoloji ve anahtarlamalı güç kaynağı uygulaması Güç Elektroniği Teknolojisi, 2003, 37 (3): 69-71.
IMAM AM, HABETLER T G, HARLEY R G, et al. Adaptif filtre modellemesi kullanarak güç elektroniği devrelerinde elektrolitik kondansatörün durumunun izlenmesi Güç Elektroniği Uzmanları Konferansı, 2005.
Dong Shuo, Chen Suguang, Zhang Tao ve diğerleri.L6562'ye dayalı tek aşamalı PFC geri dönüş LED güç kaynağı üzerine araştırma.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2012, 38 (3): 63-66.
BUIATTI G M, MARTIN-RAMOS JA, GARCIA C H R, vd. Yükseltici dönüştürücülerdeki kondansatörlerin durumunun izlenmesi için çevrimiçi ve invazif olmayan bir teknik.Enstrümantasyon ve Ölçme Üzerine IEEE İşlemleri, 2010, 59 (8): 2134-2143.
VICENTE A, LEITE T, TEIXEIRA H J A, et al. Elektrolitik kapasitörler durum izleme için basit bir ESR tanımlama metodolojisi. Durum İzleme ve Teşhis Mühendisliği Yönetimi İç Kongresi, 2007.
ALGREER M, ARMSTRONG M, GIAOURIS D. Özyinelemeli bir FIR öngörücüsü kullanan bir anahtar modlu DC-DC güç dönüştürücünün uyarlamalı PD + I kontrolü Endüstri Uygulamaları IEEE İşlemleri, 2011, 47 (5): 2135-2144.
LAHYANI A, VENET P, GELLET G, ve diğerleri. Anahtarlamalı güç kaynağının çalışması sırasında elektrolitik kapasitörlerin arıza tahmini. Güç Elektroniği IEEE İşlemleri, 1998, 13 (6): 1199-1207.
Tang Weijie, Yao Kai, Hu Wenbin, vd.Akım sensörü olmadan CCM Buck dönüştürücünün çıkış kapasitans ESR ve C'nin çevrimiçi izleme yöntemi.Çin Elektrik Mühendisliği Bildirileri, 2015, 35 (21): 5569-5576.
YAO K, HU W, TANG W, et al.Kova dönüştürücünün çıkış kondansatörü için yeni bir çevrimiçi ESR ve C tanımlama yöntemi.Enerji Dönüştürme Kongresi ve Sergisi. IEEE, 2014.
yazar bilgileri:
Gao 1 Haziran 2, Huang Daoping 2, Lu Jiafeng 2
(1. Otomasyon Bilimi ve Mühendisliği Okulu, Güney Çin Teknoloji Üniversitesi, Guangzhou 510640, Guangdong; 2. Guangdong Kejian Test Mühendisliği Technology Co., Ltd., Guangzhou 510000, Guangdong)
