利用近場輻射重構電源開關PWM信號的方法

南瑞亭 唐露新 張智鷹

摘要：該文針對經過測量封裝處理或者絕緣涂層處理后無法直接測量開關電源脈寬調制信號的情況，提出了一種利用磁性元件的近場輻射來重構開關轉換器的脈寬調制信號的非接觸測試方法。該文研究了降壓變換器的輻射模式、磁場傳感探頭和PWM信號的重構電路。同時，對降壓變換器進行重構測試，重構后的PWM信號占空比誤差小于0.2%，驗證了該方法的有效性。

關鍵詞：故障診斷;脈寬調制;開關轉換器;近場測量

中圖分類號：TM461? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：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：廣東省科技廳軟科學研究領域重點項目（2019B101001017）

0? 引? 言

脈寬調制（PWM）是一種利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的、非常有效的技術，從測量、通信到功率控制與變換等眾多領域中均有應用，該技術是應用最廣泛的開關電源控制方式之一。PWM信號控制開關的同時，驅動電能在電感和電容間進行交換以提供電路所需的電壓，通過脈沖的寬度變化調節占空比起到控制作用。開關電源主要由磁性元件（電感器或變壓器）組成的開關變換電路、電容器和開關等組成，在許多電路系統中發揮重要作用。然而，其失效的概率比其他電子模塊高很多[1，2]。大多數開關電源的失效診斷都需要從其PWM信號來入手。因此，PWM信號是電源開關出現問題時最關鍵的診斷和測試信息。

通常，PWM信號可通過示波器直接獲得。但是，如果開關電源被封裝處理或者絕緣處理，示波器探頭則無法直接接觸電路板上的測試點;另外，在高壓狀況下直接測量PWM信號可能會給操作人員帶來人身安全隱患。所以，在直接接觸測量之外，我們需要尋找一種更加方便、安全的非接觸測試方法來測量PWM信號。

由于開關電源有較大的斬波電流和感性元件開路，其近場輻射比其他電路更加顯著[3]。因此，本文提出一種利用電子設備的近場輻射檢測感性元件附近的磁漏來獲取開關電源PWM信號的非接觸檢測方法。

1? 降壓變換器的磁場輻射模式

降壓變換器又稱串聯開關穩壓器或開關型降壓穩壓器，在功率開關管導通時向負載傳輸能量，屬于正激型變換器，是最常用的DC/DC變換器之一[4]。降壓變換器的電路形式及工作原理如圖1所示。圖中電源輸入直流電壓，PWM用來控制電路的導通與關斷，是變換器的控制核心;二極管起續流作用;LL為輸出濾波電感（也稱儲能電感）;C為輸出濾波電容;R為外部負載電阻。

降壓式DC/DC變換器的功率開關管PWM信號的控制下，導通與截止（高電平導通，低電平截止）交替進行，相當于高速地閉合與斷開機械開關[5]。

當PWM信號為高電平（即開關閉合）時，續流二極管截止，輸入電壓加到儲能電感LL的左端，因此LL上施加了uin-uout的電壓uL（on），使通過LL的電流uL（on）線性地增加，電感儲存的能量也增加，電感的感應電動勢為左“+”右“-”。在此期間，輸入電流（即電感電流iL（on））除向負載供電之外，還有一部分給濾波電容C充電，電感電流iL（on）為電容充電電流和負載電流的總和，計算公式為：

uL（on）=uin-uout

或者：

（1）

（2）

式中，uL（on）為開關閉合時，電感兩端的電壓;iL（on）為開關閉合時，電感兩端的電流;uin為輸入電壓;uout為輸出電壓;t（on）為高電平輸出時間;T（on）為高電平周期。

當PWM信號為低電平（即開關打開）時，不考慮二極管壓降，電感器的輸入電壓接地，電流流經二極管形成負載電流回路。在此期間的電感電壓uL（off）和電流iL（off）計算公式為：

（3）

或者：?（4）

式中，uL（off）為開關打開時，電感兩端的電壓;iL（off）為開關打開時，電感兩端的電流;uout為輸出電壓。

對于電感，電流iL產生的磁通量?L可描述為：

（5）

式中，?L為電感電流產生的磁通量。

假設耦合系數為k，?L近場輻射的耦合磁場?S為：

（6）

式中，?S為耦合磁場的磁通量。

PWM表示脈寬調制波形，T為開關周期，其數值為T（on）（高電平導通時間）與T（off）（低電平關斷時間）之和，即T=T（on）+T（off）。T（on）與T的比值稱為占空比，用D表示，即D=T（on）/T。占空比是PWM信號最重要的參數。圖2是PWM信號與uL、iL、?L的波形圖。由如圖2可知，這4個參數之間有嚴格的對應關系。若通過近場測量耦合磁場的信號變化規律，倒推出?L的波形圖，則可得到PWM信號的占空比，并在此基礎上重構PWM信號。

2? 磁場感應探頭

為測量耦合磁場，本文開發了一個能感應磁場同時屏蔽電場的探頭，結構如圖3所示。探頭的中心是繞在圓柱形鐵氧體磁芯上的一個線圈，線圈周圍覆有銅屏蔽層，使線圈免受電場干擾。同時，留一個小豁口，防止渦流在銅屏蔽層上流動，且銅屏蔽層充分接地。電感和探頭彼此靠近，形成耦合磁場，如圖4所示。

LL為開關電源內部的電感;LS為外部探頭電感;CS為連接各支路電路電纜的分布電容。若探頭連接在高阻抗系統中，LS和CS構成一個諧振電路，當探頭受到PWM信號刺激時會引起強烈的諧振現象。當支路輸入阻抗為0時，CS被繞開，不會發生諧振。等效電路模型如圖5所示。

根據基爾霍夫電壓定律，可得電感電壓uL：

（7）

（8）

式中，M是電感器和探頭間的互感。

M 相對于LL ，數值非常小，可忽略不計。式（7）可簡化為：

（9）

代入式（8）并聯立解方程，可得：

（10）

如果電感器和探頭的位置固定，那么M為常數，iS與iL成正比，表明流過電感器的電流可通過測量感應磁漏推導出來。

3? 重構PWM信號

雖然電感器電壓uL和PWM信號之間存在直流偏置，但它們有相同的頻率和占空比，且uL與電感電流iL的時間導數成正比[6]。因此，通過探頭電流的導數可重構PWM信號。PWM信號電路原理圖如圖6所示。

跨阻放大器A1提供零輸入阻抗，用于消除輸入電纜的分布電容[7]。根據集成運算放大器基本原理，A1通過電壓/電流轉換可得到：

（11）

式中，iS為探頭電流。

通過微分器A2獲得iS（u1）的時間導數，其輸出可表示為：

（12）

將式（11）代入式（12），可得：

（13）

與式（8）、式（9）、式（13）聯立求解，可得重構的PWM信號u0：

（14）

為驗證本文方法的有效性，在開關頻率為50 kHz的降壓式DC/DC轉換器上進行實驗。將感應探頭放置在降壓轉換器的電感正上方，如圖7所示。

調節原始PWM信號的占空比，通過測量不同占空比下感應探頭的電流iS（u1）的變化頻率和變化規律，進而通過對u1求導，重構PWM信號u0的占空比[8]。圖8為原始PWM和重構PWM信號波形圖對比，可看出重構信號與原始信號的相似度非常高。

本文對原始PWM信號不同占空比下，重構信號u0的占空比進行測量和記錄，最大誤差不超過±0.2%，如表1所示。

4? 結? 論

開關電源正逐漸取代常規電源，并在生產生活中得到大量應用。PWM控制環節是開關電源最關鍵，也是最基礎的技術。本研究證實了開關電源PWM信號能夠通過近磁場輻射進行重構，近場測量為診斷或者測試開關轉換器提供了一個方便快捷并且安全的方法。文中設計了一款小型、非接觸式的有源磁場探頭，用于解決被封裝或者進行了絕緣涂層處理后以及高壓環境下的PWM信號測試問題，并通過實驗驗證了該方法的有效性。雖然本文的研究是在降壓轉換器上進行，但是在大多數的電源電流中，磁性元件電壓與驅動PWM信號之間存在一定的聯系。因此，本方法可以擴展到大多數電力電子電路的信號檢測中，比如開關轉換器、逆變器、D類功率放大器等電路。

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作者簡介：南瑞亭（1981—），女，漢族，陜西西安人，高級講師，碩士，主要研究方向：計量檢測設備研發及相關專業教學。