利用近场辐射重构电源开关PWM信号的方法

南瑞亭 唐露新 张智鹰

摘要：该文针对经过测量封装处理或者绝缘涂层处理后无法直接测量开关电源脉宽调制信号的情况，提出了一种利用磁性元件的近场辐射来重构开关转换器的脉宽调制信号的非接触测试方法。该文研究了降压变换器的辐射模式、磁场传感探头和PWM信号的重构电路。同时，对降压变换器进行重构测试，重构后的PWM信号占空比误差小于0.2%，验证了该方法的有效性。

关键词：故障诊断;脉宽调制;开关转换器;近场测量

中图分类号：TM461       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）07-0038-04

Method of Reconstructing Power Switch PWM Signal by Near-field Radiation

NAN Ruiting1，TANG Luxin2，ZHANG Zhiying3

（1.Guangzhou Communications Technician Institute，Guangzhou  510540，China;2.Guangzhou Institute of Science and Technology，Guangzhou  510540，China;3.Shenzhen Taike Test Co.，Ltd.，Shenzhen  518053，China）

Abstract：Aiming at the situation that the PWM signal of switching power supply can not be measured directly after measurement packaging or insulation coating treatment，a non-contact test method for reconstructing the PWM signal of switching converter by using the near-field radiation of magnetic components is proposed in this paper. The radiation mode of buck converter，magnetic field sensing probe and reconfiguration circuit of PWM signal are studied. At the same time，the reconstruction test of the buck converter is carried out，and the duty cycle error of the reconstructed PWM signal is less than 0.2%，which verifies the effectiveness of the method.

Keywords：fault diagnosis;PWM;switching converter;near-field measurement

收稿日期：2021-03-05

基金項目：广东省科技厅软科学研究领域重点项目（2019B101001017）

0  引  言

脉宽调制（PWM）是一种利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的、非常有效的技术，从测量、通信到功率控制与变换等众多领域中均有应用，该技术是应用最广泛的开关电源控制方式之一。PWM信号控制开关的同时，驱动电能在电感和电容间进行交换以提供电路所需的电压，通过脉冲的宽度变化调节占空比起到控制作用。开关电源主要由磁性元件（电感器或变压器）组成的开关变换电路、电容器和开关等组成，在许多电路系统中发挥重要作用。然而，其失效的概率比其他电子模块高很多[1，2]。大多数开关电源的失效诊断都需要从其PWM信号来入手。因此，PWM信号是电源开关出现问题时最关键的诊断和测试信息。

通常，PWM信号可通过示波器直接获得。但是，如果开关电源被封装处理或者绝缘处理，示波器探头则无法直接接触电路板上的测试点;另外，在高压状况下直接测量PWM信号可能会给操作人员带来人身安全隐患。所以，在直接接触测量之外，我们需要寻找一种更加方便、安全的非接触测试方法来测量PWM信号。

由于开关电源有较大的斩波电流和感性元件开路，其近场辐射比其他电路更加显著[3]。因此，本文提出一种利用电子设备的近场辐射检测感性元件附近的磁漏来获取开关电源PWM信号的非接触检测方法。

1  降压变换器的磁场辐射模式

降压变换器又称串联开关稳压器或开关型降压稳压器，在功率开关管导通时向负载传输能量，属于正激型变换器，是最常用的DC/DC变换器之一[4]。降压变换器的电路形式及工作原理如图1所示。图中电源输入直流电压，PWM用来控制电路的导通与关断，是变换器的控制核心;二极管起续流作用;LL为输出滤波电感（也称储能电感）;C为输出滤波电容;R为外部负载电阻。

降压式DC/DC变换器的功率开关管PWM信号的控制下，导通与截止（高电平导通，低电平截止）交替进行，相当于高速地闭合与断开机械开关[5]。

当PWM信号为高电平（即开关闭合）时，续流二极管截止，输入电压加到储能电感LL的左端，因此LL上施加了uin-uout的电压uL（on），使通过LL的电流uL（on）线性地增加，电感储存的能量也增加，电感的感应电动势为左“+”右“-”。在此期间，输入电流（即电感电流iL（on））除向负载供电之外，还有一部分给滤波电容C充电，电感电流iL（on）为电容充电电流和负载电流的总和，计算公式为：

uL（on）=uin-uout

或者：

（1）

（2）

式中，uL（on）为开关闭合时，电感两端的电压;iL（on）为开关闭合时，电感两端的电流;uin为输入电压;uout为输出电压;t（on）为高电平输出时间;T（on）为高电平周期。

当PWM信号为低电平（即开关打开）时，不考虑二极管压降，电感器的输入电压接地，电流流经二极管形成负载电流回路。在此期间的电感电压uL（off）和电流iL（off）计算公式为：

（3）

或者： （4）

式中，uL（off）为开关打开时，电感两端的电压;iL（off）为开关打开时，电感两端的电流;uout为输出电压。

对于电感，电流iL产生的磁通量?L可描述为：

（5）

式中，?L为电感电流产生的磁通量。

假设耦合系数为k，?L近场辐射的耦合磁场?S为：

（6）

式中，?S为耦合磁场的磁通量。

PWM表示脉宽调制波形，T为开关周期，其数值为T（on）（高电平导通时间）与T（off）（低电平关断时间）之和，即T=T（on）+T（off）。T（on）与T的比值称为占空比，用D表示，即D=T（on）/T。占空比是PWM信号最重要的参数。图2是PWM信号与uL、iL、?L的波形图。由如图2可知，这4个参数之间有严格的对应关系。若通过近场测量耦合磁场的信号变化规律，倒推出?L的波形图，则可得到PWM信号的占空比，并在此基础上重构PWM信号。

2  磁场感应探头

为测量耦合磁场，本文开发了一个能感应磁场同时屏蔽电场的探头，结构如图3所示。探头的中心是绕在圆柱形铁氧体磁芯上的一个线圈，线圈周围覆有铜屏蔽层，使线圈免受电场干扰。同时，留一个小豁口，防止涡流在铜屏蔽层上流动，且铜屏蔽层充分接地。电感和探头彼此靠近，形成耦合磁场，如图4所示。

LL为开关电源内部的电感;LS为外部探头电感;CS为连接各支路电路电缆的分布电容。若探头连接在高阻抗系统中，LS和CS构成一个谐振电路，当探头受到PWM信号刺激时会引起强烈的谐振现象。当支路输入阻抗为0时，CS被绕开，不会发生谐振。等效电路模型如图5所示。

根据基尔霍夫电压定律，可得电感电压uL：

（7）

（8）

式中，M是电感器和探头间的互感。

M 相对于LL ，数值非常小，可忽略不计。式（7）可简化为：

（9）

代入式（8）并联立解方程，可得：

（10）

如果电感器和探头的位置固定，那么M为常数，iS与iL成正比，表明流过电感器的电流可通过测量感应磁漏推导出来。

3  重构PWM信号

虽然电感器电压uL和PWM信号之间存在直流偏置，但它们有相同的频率和占空比，且uL与电感电流iL的时间导数成正比[6]。因此，通过探头电流的导数可重构PWM信号。PWM信号电路原理图如图6所示。

跨阻放大器A1提供零输入阻抗，用于消除输入电缆的分布电容[7]。根据集成运算放大器基本原理，A1通过电压/电流转换可得到：

（11）

式中，iS为探头电流。

通过微分器A2获得iS（u1）的时间导数，其输出可表示为：

（12）

将式（11）代入式（12），可得：

（13）

与式（8）、式（9）、式（13）联立求解，可得重构的PWM信号u0：

（14）

为验证本文方法的有效性，在开关频率为50 kHz的降压式DC/DC转换器上进行实验。将感应探头放置在降压转换器的电感正上方，如图7所示。

调节原始PWM信号的占空比，通过测量不同占空比下感应探头的电流iS（u1）的变化频率和变化规律，进而通过对u1求导，重构PWM信号u0的占空比[8]。图8为原始PWM和重构PWM信号波形图对比，可看出重构信号与原始信号的相似度非常高。

本文对原始PWM信号不同占空比下，重构信号u0的占空比进行测量和记录，最大误差不超过±0.2%，如表1所示。

4  结  论

开关电源正逐渐取代常规电源，并在生产生活中得到大量应用。PWM控制环节是开关电源最关键，也是最基础的技术。本研究证实了开关电源PWM信号能够通过近磁场辐射进行重构，近场测量为诊断或者测试开关转换器提供了一个方便快捷并且安全的方法。文中设计了一款小型、非接触式的有源磁场探头，用于解决被封装或者进行了绝缘涂层处理后以及高压环境下的PWM信号测试问题，并通过实验验证了该方法的有效性。虽然本文的研究是在降压转换器上进行，但是在大多数的电源电流中，磁性元件电压与驱动PWM信号之间存在一定的联系。因此，本方法可以扩展到大多数电力电子电路的信号检测中，比如开关转换器、逆变器、D类功率放大器等电路。

参考文献：

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[6] CHEN Y，PEI X，NIE S，et al. Monitoring and Diagnosis for the DC–DC Converter Using the Magnetic Near Field Waveform [J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2010，58（5）：1634-1647.

[7] 彭林，马磊，刘浩然，等.单相PWM整流器H∞混合灵敏度电流控制 [J].中国电机工程学报，2020，40（14）：4580-4589+4737.

[8] GUERIN F，LABARRE C，LEFEBVRE D. Magnetic near-field measurement for FDI of ZVS full bridge isolated buck converter [C]//8th IEEE Symposium on Diagnostics for Electrical Machines，Power Electronics & Drives.Bologna：IEEE，2011：344-349.

作者简介：南瑞亭（1981—），女，汉族，陕西西安人，高级讲师，硕士，主要研究方向：计量检测设备研发及相关专业教学。