几种Buck电路特征参数提取方法的比较

张波　朱倪瑶

摘 要：针对传统的电路特征参数提取方法不能直接提取Buck电路电解电容的特征参数的问题，提出了基于时域电路分析法和频域电路分析法的特征参数提取方法，应用于Buck电路的电解电容特征参数的提取中，并且和Buck电路等效模型参数提取法进行对比。实验结果证明，文章所提出的时域电路分析法和频域电路分析法能对电解电容的参数进行准确地提取，而且相對误差较小。

关键词：Buck电路；特征参数提取；时域分析；频域分析

中图分类号：TP206 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）04-0080-04

Abstract： In order to solve the problem that the traditional circuit characteristic parameter extraction method can not directly extract the characteristic parameters of Buck circuit electrolytic capacitance， a method based on time-domain circuit analysis method and frequency-domain circuit analysis method is proposed to extract the characteristic parameters. It is applied to the extraction of characteristic parameters of electrolytic capacitance of Buck circuit and compared with the method of extracting equivalent model parameters of Buck circuit. The experimental results show that the proposed time-domain circuit analysis and frequency-domain circuit analysis can accurately extract the parameters of the electrolytic capacitance， and the relative error is small.

Keywords： Buck circuit； feature parameter extraction； time domain analysis； frequency domain analysis

引言

20世纪80年代，计算机全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代。20世纪90年代，开关电源在电子、电气设备等领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入了快速发展阶段，本文选择一种典型的降压电路——Buck电路作为特征参数提取的研究对象[1]，如图1所示。

1 电解电容故障机理及特征参数

电解电容等效机理：

在环境温度为25℃时，Buck电路的元器件失效率分布如图2所示[2，3]，由图可知，电解电容是Buck中故障发生概率最大的元器件，所以对电解电容进行分析是非常重要的，可以用等效串联电阻来表征电容的退化情况。

通常情况下，电容起到的是储能的作用，同时对输出电压起滤波作用[4]。在现实的工作情况下，不存在理想状况的电容，因此通过电路等效模型来表示，如图3所示。

ESR为电容器的等效串联电阻，C表示理想状况下的电容值也称为等效串联电容，L为引线电感，R为并联电阻，表示电解液和两极间的泄漏损耗。电解电容工作频率较低，可以忽略电感L，同时电容的泄漏电流很小，电阻R也可以忽略，最终可以简化为电容C和等效电阻ESR的串联，如图4所示，所以将ESR作为表征电容退化状态的参数[5]。

2 特征参数提取方法

2.1 时域分析法

3 仿真结果分析

通过PSPICE进行电路仿真，对其进行模拟，对上述三种方法进行验证对比。

3.1 Buck电路及参数设置

在Buck电路中， MOSFET管选用IRF151，频率f=50kHz，占空比为D=0.22，电感L=43？滋H，二极管导通压降为0.5V，电解电容的电容值C=220？滋F，负载RL=1.25？赘。经过计算得知，此降压电路实现输入为25V，输出为5V的DC-DC变换。

将图6中的随时间变化的理论ESR看成现实值，在PSPICE中对其进行设置并仿真，模拟现实情况中电容的参数状态变化。

3.2 基于时域分析法的仿真结果

采用时域分析法时，监测输出电压u0和电容上的电流ic，接着计算ESR，结果如表1所示。

由上面的数据可得，时域法计算得的ESR值的误差均？燮1m？赘，相对误差？燮0.2%，说明此方法是可行的。

3.3 基于频域方法的仿真结果

选用FFT频域分析的方法，就要检测提取u0、ic的值，得到u0的交流成分uof，对uof、ic进行FFT处理。经过FFT变换，实验结果证明在f=50Hz或者其整数倍时，uof、ic信号是最强烈的，同时幅值也是最大的[8]。采用本文介绍的方法，得到ESR值如表2所示。

由表2的结果可知，通过FFT频域的方法计算ESR的误差也比较小，相对误差都控制在0.3%之内，证明利用FFT频域的方法是可行的。

3.4 基于纹波电压法的仿真结果

在Buck电路处于工作状态时，可以得到其开关导通和截止时两种状态的电路等效图如下：endprint

当Buck电路到达稳定的工作状态时，两个阶段的电路有UO=UO1=UO2，？驻i=？驻i1=？驻i2。

3.5 实验结果的分析

综上所示，通过输出电压、纹波电压？驻u，纹波电流？驻i，计算ESR，结果如表3所示。

由表3可知，通用纹波电压法得到的结果误差在≤4m？赘，相对误差最大达到0.547%，也符合计算的要求。

4 结束语

从上面三种方法对Buck电路的电解电容ESR的计算结果来看，时域分析方法思路比较明确，但是需要检测的信号比较多。频域法不需要详细地研究等效电路，简化了求解思想，但是计算的结果误差较大。纹波电压的方法需要检测的数据比较少，只需检测输出电压，就可以实现提取ESR。

对实验结果分析对比，在三种方法当中，时域法相对误差最小的，FFT频域法居其次，纹波电压法最大。

参考文献：

[1]An Q T， Sun L Z， Zhao K， et al. Switching function model-based fast-diagnostic method of open-switch faults in inverters without sensors[J]. Power Electronics， IEEE Transactions on，2011，26（1）：119-126.

[2]Zheng-Yu S， Yu-Dong L， Tao N， et al. The real-time fault diagnosis of electrolytic filter capacitors in switching mode power supply[C]//Physical and Failure Analysis of Integrated Circuits （IPFA），2013 20th IEEE International Symposium on the. IEEE， 2013：662-665.

[3]Nguyen T H， Lee D C. Deterioration monitoring of dc-link capacitors in ac machine drives by current injection[J]. Power Electronics， IEEE Transactions on， 2015，30（3）：1126-1130.

[4]Rigamonti M， Baraldi P， Zio E， et al. A Particle Filtering-Based Approach for the Prediction of the Remaining Useful Life of an Aluminum Electrolytic Capacitor[C]//at 2nd European Conference of the Prognostics and Health Management Society （PHME），2014：8-10.

[5]孫凤艳，王友仁，崔江，等.功率变换电路电解电容器故障预测方法研究[J].电子测量与仪器学报，2010（1）：29-33.

[6]徐德洪，程肇基.用傅里叶分析法诊断电力电子电路的故障[J].浙江大学学报：自然科学版，1994，28（6）：666-674.

[7]刘树林，刘健，寇蕾，等.BuckDC/DC变换器的输出纹波电压分析及其应用[J].电工技术学报，2007，22（2）：91-97.

[8]肖芳，周扬.PWM驱动电机系统传导干扰等效电路模型[J].变频器世界，2011（1）：105-109.endprint