幾種Buck電路特征參數提取方法的比較

張波　朱倪瑤

摘 要：針對傳統的電路特征參數提取方法不能直接提取Buck電路電解電容的特征參數的問題，提出了基于時域電路分析法和頻域電路分析法的特征參數提取方法，應用于Buck電路的電解電容特征參數的提取中，并且和Buck電路等效模型參數提取法進行對比。實驗結果證明，文章所提出的時域電路分析法和頻域電路分析法能對電解電容的參數進行準確地提取，而且相對誤差較小。

關鍵詞：Buck電路；特征參數提取；時域分析；頻域分析

中圖分類號：TP206 文獻標志碼：A 文章編號：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世紀80年代，計算機全面實現了開關電源化，率先完成計算機的電源換代。20世紀90年代，開關電源在電子、電氣設備等領域得到了廣泛的應用，開關電源技術進入了快速發展階段，本文選擇一種典型的降壓電路——Buck電路作為特征參數提取的研究對象[1]，如圖1所示。

1 電解電容故障機理及特征參數

電解電容等效機理：

在環境溫度為25℃時，Buck電路的元器件失效率分布如圖2所示[2，3]，由圖可知，電解電容是Buck中故障發生概率最大的元器件，所以對電解電容進行分析是非常重要的，可以用等效串聯電阻來表征電容的退化情況。

通常情況下，電容起到的是儲能的作用，同時對輸出電壓起濾波作用[4]。在現實的工作情況下，不存在理想狀況的電容，因此通過電路等效模型來表示，如圖3所示。

ESR為電容器的等效串聯電阻，C表示理想狀況下的電容值也稱為等效串聯電容，L為引線電感，R為并聯電阻，表示電解液和兩極間的泄漏損耗。電解電容工作頻率較低，可以忽略電感L，同時電容的泄漏電流很小，電阻R也可以忽略，最終可以簡化為電容C和等效電阻ESR的串聯，如圖4所示，所以將ESR作為表征電容退化狀態的參數[5]。

2 特征參數提取方法

2.1 時域分析法

3 仿真結果分析

通過PSPICE進行電路仿真，對其進行模擬，對上述三種方法進行驗證對比。

3.1 Buck電路及參數設置

在Buck電路中， MOSFET管選用IRF151，頻率f=50kHz，占空比為D=0.22，電感L=43？滋H，二極管導通壓降為0.5V，電解電容的電容值C=220？滋F，負載RL=1.25？贅。經過計算得知，此降壓電路實現輸入為25V，輸出為5V的DC-DC變換。

將圖6中的隨時間變化的理論ESR看成現實值，在PSPICE中對其進行設置并仿真，模擬現實情況中電容的參數狀態變化。

3.2 基于時域分析法的仿真結果

采用時域分析法時，監測輸出電壓u0和電容上的電流ic，接著計算ESR，結果如表1所示。

由上面的數據可得，時域法計算得的ESR值的誤差均？燮1m？贅，相對誤差？燮0.2%，說明此方法是可行的。

3.3 基于頻域方法的仿真結果

選用FFT頻域分析的方法，就要檢測提取u0、ic的值，得到u0的交流成分uof，對uof、ic進行FFT處理。經過FFT變換，實驗結果證明在f=50Hz或者其整數倍時，uof、ic信號是最強烈的，同時幅值也是最大的[8]。采用本文介紹的方法，得到ESR值如表2所示。

由表2的結果可知，通過FFT頻域的方法計算ESR的誤差也比較小，相對誤差都控制在0.3%之內，證明利用FFT頻域的方法是可行的。

3.4 基于紋波電壓法的仿真結果

在Buck電路處于工作狀態時，可以得到其開關導通和截止時兩種狀態的電路等效圖如下：endprint

當Buck電路到達穩定的工作狀態時，兩個階段的電路有UO=UO1=UO2，？駐i=？駐i1=？駐i2。

3.5 實驗結果的分析

綜上所示，通過輸出電壓、紋波電壓？駐u，紋波電流？駐i，計算ESR，結果如表3所示。

由表3可知，通用紋波電壓法得到的結果誤差在≤4m？贅，相對誤差最大達到0.547%，也符合計算的要求。

4 結束語

從上面三種方法對Buck電路的電解電容ESR的計算結果來看，時域分析方法思路比較明確，但是需要檢測的信號比較多。頻域法不需要詳細地研究等效電路，簡化了求解思想，但是計算的結果誤差較大。紋波電壓的方法需要檢測的數據比較少，只需檢測輸出電壓，就可以實現提取ESR。

對實驗結果分析對比，在三種方法當中，時域法相對誤差最小的，FFT頻域法居其次，紋波電壓法最大。

參考文獻：

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