利用近場輻射重構(gòu)電源開關(guān)PWM信號的方法

南瑞亭 唐露新 張智鷹

摘要：該文針對經(jīng)過測量封裝處理或者絕緣涂層處理后無法直接測量開關(guān)電源脈寬調(diào)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(gòu)開關(guān)轉(zhuǎn)換器的脈寬調(diào)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(gòu)電路。同時(shí)，對降壓變換器進(jìn)行重構(gòu)測試，重構(gòu)后的PWM信號占空比誤差小于0.2%，驗(yàn)證了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞：故障診斷;脈寬調(diào)制;開關(guān)轉(zhuǎn)換器;近場測量

中圖分類號：TM461? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(xiàng)目：廣東省科技廳軟科學(xué)研究領(lǐng)域重點(diǎn)項(xiàng)目（2019B101001017）

0? 引? 言

脈寬調(diào)制（PWM）是一種利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的、非常有效的技術(shù)，從測量、通信到功率控制與變換等眾多領(lǐng)域中均有應(yīng)用，該技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的開關(guān)電源控制方式之一。PWM信號控制開關(guān)的同時(shí)，驅(qū)動電能在電感和電容間進(jìn)行交換以提供電路所需的電壓，通過脈沖的寬度變化調(diào)節(jié)占空比起到控制作用。開關(guān)電源主要由磁性元件（電感器或變壓器）組成的開關(guān)變換電路、電容器和開關(guān)等組成，在許多電路系統(tǒng)中發(fā)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(shù)開關(guān)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(guān)出現(xiàn)問題時(shí)最關(guān)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(guān)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(diǎn);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(guān)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(shè)備的近場輻射檢測感性元件附近的磁漏來獲取開關(guān)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(lián)開關(guān)穩(wěn)壓器或開關(guān)型降壓穩(wěn)壓器，在功率開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)向負(fù)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(dǎo)通與關(guān)斷，是變換器的控制核心;二極管起續(xù)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(fù)載電阻。

降壓式DC/DC變換器的功率開關(guān)管PWM信號的控制下，導(dǎo)通與截止（高電平導(dǎo)通，低電平截止）交替進(jìn)行，相當(dāng)于高速地閉合與斷開機(jī)械開關(guān)[5]。

當(dāng)PWM信號為高電平（即開關(guān)閉合）時(shí)，續(xù)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(yīng)電動勢為左“+”右“-”。在此期間，輸入電流（即電感電流iL（on））除向負(fù)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(fù)載電流的總和，計(jì)算公式為：

uL（on）=uin-uout

或者：

（1）

（2）

式中，uL（on）為開關(guān)閉合時(shí)，電感兩端的電壓;iL（on）為開關(guān)閉合時(shí)，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(shí)間;T（on）為高電平周期。

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

（3）

或者：?（4）

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

對于電感，電流iL產(chǎn)生的磁通量?L可描述為：

（5）

式中，?L為電感電流產(chǎn)生的磁通量。

假設(shè)耦合系數(shù)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(diào)制波形，T為開關(guān)周期，其數(shù)值為T（on）（高電平導(dǎo)通時(shí)間）與T（off）（低電平關(guān)斷時(shí)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(shù)。圖2是PWM信號與uL、iL、?L的波形圖。由如圖2可知，這4個(gè)參數(shù)之間有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系。若通過近場測量耦合磁場的信號變化規(guī)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(chǔ)上重構(gòu)PWM信號。

2? 磁場感應(yīng)探頭

為測量耦合磁場，本文開發(fā)了一個(gè)能感應(yīng)磁場同時(shí)屏蔽電場的探頭，結(jié)構(gòu)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(gè)線圈，線圈周圍覆有銅屏蔽層，使線圈免受電場干擾。同時(shí)，留一個(gè)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(guān)電源內(nèi)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(tǒng)中，LS和CS構(gòu)成一個(gè)諧振電路，當(dāng)探頭受到PWM信號刺激時(shí)會引起強(qiáng)烈的諧振現(xiàn)象。當(dāng)支路輸入阻抗為0時(shí)，CS被繞開，不會發(fā)生諧振。等效電路模型如圖5所示。

根據(jù)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(shù)值非常小，可忽略不計(jì)。式（7）可簡化為：

（9）

代入式（8）并聯(lián)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(shù)，iS與iL成正比，表明流過電感器的電流可通過測量感應(yīng)磁漏推導(dǎo)出來。

3? 重構(gòu)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(shí)間導(dǎo)數(shù)成正比[6]。因此，通過探頭電流的導(dǎo)數(shù)可重構(gòu)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(jù)集成運(yùn)算放大器基本原理，A1通過電壓/電流轉(zhuǎn)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(shí)間導(dǎo)數(shù)，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(lián)立求解，可得重構(gòu)的PWM信號u0：

（14）

為驗(yàn)證本文方法的有效性，在開關(guān)頻率為50 kHz的降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將感應(yīng)探頭放置在降壓轉(zhuǎn)換器的電感正上方，如圖7所示。

調(diào)節(jié)原始PWM信號的占空比，通過測量不同占空比下感應(yīng)探頭的電流iS（u1）的變化頻率和變化規(guī)律，進(jìn)而通過對u1求導(dǎo)，重構(gòu)PWM信號u0的占空比[8]。圖8為原始PWM和重構(gòu)PWM信號波形圖對比，可看出重構(gòu)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(gòu)信號u0的占空比進(jìn)行測量和記錄，最大誤差不超過±0.2%，如表1所示。

4? 結(jié)? 論

開關(guān)電源正逐漸取代常規(guī)電源，并在生產(chǎn)生活中得到大量應(yīng)用。PWM控制環(huán)節(jié)是開關(guān)電源最關(guān)鍵，也是最基礎(chǔ)的技術(shù)。本研究證實(shí)了開關(guān)電源PWM信號能夠通過近磁場輻射進(jìn)行重構(gòu)，近場測量為診斷或者測試開關(guān)轉(zhuǎn)換器提供了一個(gè)方便快捷并且安全的方法。文中設(shè)計(jì)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(jìn)行了絕緣涂層處理后以及高壓環(huán)境下的PWM信號測試問題，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。雖然本文的研究是在降壓轉(zhuǎn)換器上進(jìn)行，但是在大多數(shù)的電源電流中，磁性元件電壓與驅(qū)動PWM信號之間存在一定的聯(lián)系。因此，本方法可以擴(kuò)展到大多數(shù)電力電子電路的信號檢測中，比如開關(guān)轉(zhuǎn)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(jì)量檢測設(shè)備研發(fā)及相關(guān)專業(yè)教學(xué)。