課程設(shè)計(jì)（論文）電容電流非侵入式采樣法的分析與設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)論文電容電流非侵入式采樣法的分析與設(shè)計(jì) 姓名： 指導(dǎo)教師： 學(xué)號(hào)： 學(xué)院：電氣工程學(xué)院 班級(jí)： 2015年1月摘 要 本文介紹了一些常規(guī)的電流的采樣方法，通過對(duì)電路原理、運(yùn)算放大器、電容、電流采樣和buck電路相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，針對(duì)常規(guī)電流采樣法的不足，引出了非侵入式電容電流采樣法，通過構(gòu)建匹配網(wǎng)絡(luò)測量電容電流。學(xué)習(xí)并使用頻響分析儀（venable）測量電容寄生參數(shù)，計(jì)算匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，制作匹配網(wǎng)絡(luò)電路板，并接入buck主電路通過示波器觀察電容電流與匹配網(wǎng)絡(luò)電流的波形，重點(diǎn)探討該方法在低頻時(shí)的可行性，給出實(shí)驗(yàn)得到的具體波形，同時(shí)對(duì)其在高頻工作狀態(tài)時(shí)出現(xiàn)的問題加以簡單的分析。 關(guān)鍵字：電容電

2、流，采樣，非侵入式摘 要i1 引言11.1 電容電流的作用11.2 電流采樣的常見方法11.2.1 串聯(lián)電阻11.2.2 串聯(lián)電流互感器11.3 常見電流采樣方式應(yīng)用于采樣電容電流時(shí)存在的缺陷22 非侵入式電容電流采樣原理32.1 設(shè)計(jì)原理32.2 構(gòu)建電路的參數(shù)計(jì)算43 構(gòu)建匹配網(wǎng)絡(luò)63.1 頻率、運(yùn)放增益等參數(shù)的確定63.2 電容與匹配電容的選取與寄生參數(shù)的測定63.3 檢驗(yàn)構(gòu)建電路的匹配情況84 構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的電流采集94.1 buck電路簡介94.1.1 buck電路基本結(jié)構(gòu)994.1.2等效的電路模型及基本規(guī)律94.2 電流采集94.3 高頻情況115 結(jié)論及總結(jié)14參 考 文 獻(xiàn)151

3、 引言1.1 電容電流的作用 眾所周知，電容在電力系統(tǒng)中是提高功率因數(shù)的重要器件，在電子電路中是獲得振蕩、濾波、相移、旁路、耦合等作用的主要元件。此外，電容電流采樣與控制也是提高開關(guān)功率變換器系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的重要途徑。為此，本文擬探討電容電流的一類新型的非侵入式采樣方式，并結(jié)合具體電路進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。1.2 電流采樣的常見方法1.2.1 串聯(lián)電阻 如圖1所示，在電容支路中串聯(lián)一個(gè)定值電阻。由于電阻r與電容c是串聯(lián)關(guān)系，在此支路兩端加交流電壓，流過c的電流與流過r的電流應(yīng)該相等。同時(shí)電阻r的電壓電流呈線性關(guān)系，所以可以通過測r兩端的電壓來得到電容電流的波形，電容電流的數(shù)值可通過歐姆定律計(jì)算。圖1

4、rc串聯(lián)電路1.2.2 串聯(lián)電流互感器電流互感器的模型如圖2所示。電流互感器的作用是可以把數(shù)值較大的一次電流通過一定的變比轉(zhuǎn)換為數(shù)值較小的二次電流，用來進(jìn)行保護(hù)、測量等用途。圖2 電流互感器1.3 常見電流采樣方式應(yīng)用于采樣電容電流時(shí)存在的缺陷 串聯(lián)電阻的測量方法原理及電路實(shí)現(xiàn)簡單，但該方式存有缺陷：采樣電阻和測量電阻電壓的工具（如示波器等），并且它們的參數(shù)都不會(huì)是理想的，因此引入電容支路后會(huì)對(duì)原有的電容電流輸出有一定的影響，紋波增大，同時(shí)其具體參數(shù)難以知曉，無法進(jìn)行準(zhǔn)確的修正。 電流互感器與變壓器類似也是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作,變壓器變換的是電壓而電流互感器變換的是電流，這就意味著電能通過一次

5、繞組和二次繞組后一定存在衰減，從而使得結(jié)果不準(zhǔn)確。如果頻率較高時(shí)，會(huì)對(duì)輸出影響很大。而且其體積很大，不易使用。 綜上，本文引入一個(gè)新的電容電流采樣方法，即非侵入式電容電流采樣。2 非侵入式電容電流采樣原理2.1 設(shè)計(jì)原理實(shí)際電容的電流模型可以等效為一個(gè)rcl串聯(lián)電路的模型（圖3）圖3 rcl等效電路esr和esl分別是其寄生電阻和寄生電感，等效rcl電路的總阻抗為。如果可以構(gòu)建另一個(gè)rcl電路，使其阻抗為的n倍（n盡可能大），并且同相位，那么其電流，要做到同相并且阻抗成倍，需滿足： （1） （2） （3） 等式(1)保證構(gòu)建的rcl電路阻抗為電容阻抗的n倍，等式(2)(3)保證原電容電流和構(gòu)建

6、的rcl電路電流同相位。這樣就可以通過對(duì)構(gòu)建的rcl電路電流采樣來得到原電容電流。由于構(gòu)建的rcl電路與電容電路是并聯(lián)關(guān)系（非侵入式），且其阻抗相對(duì)于電容非常大，因此對(duì)原電容電路的影響很小。圖4為理想狀態(tài)下的電流關(guān)系圖。電流成比例同相圖4理想狀態(tài)下的電流關(guān)系圖4理想狀態(tài)下的電流關(guān)系2.2 構(gòu)建電路的參數(shù)計(jì)算 實(shí)際構(gòu)建的rcl電流采集電路的基礎(chǔ)是一個(gè)運(yùn)算放大器，如圖5所示圖5 實(shí)際的rcl電路 運(yùn)算放大器的開環(huán)增益為，帶寬為，如圖6。所以其輸出比為: (4) 運(yùn)算放大器的對(duì)外阻抗特性表現(xiàn)為一個(gè)電阻（）和一個(gè)電感（）的串聯(lián)，如圖7所示。圖7 運(yùn)放的對(duì)外特性 如果將構(gòu)建的電路看做為一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，通

7、過傳遞函數(shù)、電流電壓關(guān)系以及運(yùn)放的工作特性的計(jì)算，可以得到如下的參數(shù)關(guān)系： (5) (6) (7) 通過對(duì)待測電容寄生參數(shù)的測量，匹配網(wǎng)絡(luò)各元件的參數(shù)也可以隨之確定。但是由于電容和其寄生電感的阻抗會(huì)隨頻率改變，從而使得匹配過程比較繁瑣。由于是初步設(shè)計(jì)，在此我們只考慮固定低頻率時(shí)的單點(diǎn)匹配，可以大大的簡化實(shí)驗(yàn)過程。3 構(gòu)建匹配網(wǎng)絡(luò)3.1 頻率、運(yùn)放增益等參數(shù)的確定 工作頻率選擇10khz。由于電容的寄生電感很小，因而在低頻時(shí)段其阻抗可以忽略，同時(shí)運(yùn)算放大器也會(huì)工作于線性狀態(tài)，就可以使匹配工作大大簡化，只需滿足： (8) (9) 運(yùn)算放大器采用ad823，特性圖如圖8圖8 ad823工作特性 匹配

8、網(wǎng)絡(luò)與電容阻抗比n取100，運(yùn)放的放大倍數(shù)取100，則運(yùn)放輸出后的增益由公式(4)可得，。3.2 電容與匹配電容的選取與寄生參數(shù)的測定 電容取標(biāo)稱電容22，取標(biāo)稱電容220，使用venable軟件可以測得電容的阻抗-頻率特性曲線。 圖9為待測電容的阻抗-頻率特性曲線。圖9 cout的阻抗-頻率特性曲線 可以讀圖得到以下數(shù)據(jù)： 在10khz時(shí)，阻抗=757.5，相角=-88.83，寄生電阻esr=15.43。 圖10為匹配電容的阻抗-頻率特性曲線。 圖10 匹配電容cs的阻抗-頻率特性曲線 同樣可以讀出： 在10khz時(shí)，阻抗=73.25，相角=-89.3，寄生電阻=896.3 所以匹配網(wǎng)絡(luò)電阻

9、=0.64，考慮實(shí)際情況，選取0.66的電阻。3.3 檢驗(yàn)構(gòu)建電路的匹配情況 將構(gòu)建的電路視作二端口網(wǎng)絡(luò)，使用venable軟件測其阻抗-頻率特性曲線，如圖11所示。 圖11 匹配網(wǎng)絡(luò)阻抗-頻率特性曲線 在10khz時(shí)，阻抗=73.15，相角=-87.89。 對(duì)比待測電容的數(shù)據(jù)，誤差均在允許范圍內(nèi)，因此可以認(rèn)為匹配成功。4 構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的電流采集 電流的采集是通過放入buck電路進(jìn)行的。4.1 buck電路簡介4.1.1 buck電路基本結(jié)構(gòu) 基本電路結(jié)構(gòu)如圖12圖12 buck基本電路結(jié)構(gòu)4.1.2等效的電路模型及基本規(guī)律 buck電路是降壓斬波電路，是基本的dc-dc電路之一。從電路可以看出，

10、電感l(wèi)和電容c組成低通濾波器。由直流分量（方波）和交流分量（三角波）組成，而其交流分量就是通過電容c的電容電流，所以電感電流與電容電流波形應(yīng)該一致，從而只需要采集電感l(wèi)的電流即可。4.2 電流采集在實(shí)際電路中對(duì)電容電流進(jìn)行采樣，電路如圖13所示：圖13 實(shí)際電容電流采樣電路 在10khz時(shí)，通過示波器所得的電流波形如圖14所示： 圖中上方的波形為電容的電流波形，下方的波形為反向過后的匹配網(wǎng)絡(luò)電流波形，很明顯可以看出二者幅值相等（=-1），并且相位相同，因此實(shí)驗(yàn)效果比較理想。反向后的匹配網(wǎng)絡(luò)電流波形cout的電流波形圖14 10khz電容電流波形4.3 高頻情況圖15 16khz電容電流波形反向

11、后的匹配網(wǎng)絡(luò)電流波形cout的電流波形 由于構(gòu)建的電路為單點(diǎn)低頻率的匹配，那么嘗試提高工作頻率，觀察匹配電路的電流變化情況。圖15、圖16與圖17分別為16khz、50khz和100khz時(shí)的電流波形圖。圖17 100khz電容電流波形cout的電流波形反向后的匹配網(wǎng)絡(luò)電流波形圖16 50khz電容電流波形cout的電流波形反向后的匹配網(wǎng)絡(luò)電流波形 可以很明顯的看出，當(dāng)頻率小幅度的提高是（仍為低頻），構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)仍能較好的匹配。而當(dāng)頻率升高到高頻時(shí)，發(fā)生了很明顯的畸變，構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)不能很好的運(yùn)作。5 結(jié)論及總結(jié) 通過實(shí)驗(yàn)可以看出，由于rcl匹配網(wǎng)絡(luò)采用的單點(diǎn)低頻匹配，因此在匹配的頻率（10khz）

12、時(shí)，工作情況比較理想，因?yàn)榇藭r(shí)運(yùn)算放大器處于線性工作區(qū)，而且電路的阻抗相位特性也都滿足設(shè)計(jì)要求。小幅度提高頻率，其工作情況仍比較理想。而當(dāng)工作在高頻段時(shí)，匹配網(wǎng)絡(luò)的電流波形產(chǎn)生了較為明顯的畸變，主要原因是因?yàn)檫\(yùn)放工作在了非線性區(qū)，同時(shí)高頻導(dǎo)致寄生電感無法忽略，使得匹配網(wǎng)絡(luò)的阻抗和相角產(chǎn)生了比較大的變化，無法與待測電容匹配。如要解決這一問題，需要進(jìn)行更深入的學(xué)習(xí)研究。 本次課程設(shè)計(jì)的研究對(duì)象雖然比較難，其原理還是比較容易理解的。而且由于是初步設(shè)計(jì)階段，很多問題可以忽略或者簡化，使得實(shí)驗(yàn)過程也不是繁瑣。雖然理論簡單，但由于第一次接觸設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，需要獨(dú)立的進(jìn)行選擇元器件、焊接電路板等工作，過程中還是相

13、當(dāng)辛苦的，遇到了很多問題，一步一步解決所遇到的問題，最后成功實(shí)驗(yàn)論證了非侵入式電容電流采樣方法在低頻段的可行性,還是很有收獲的。參 考 文 獻(xiàn)1 forghani-zadeh, h.p.; rincon-mora, g.a.: “current-sensing techniques for dc-dc converters”, the 2002 45th midwest symposium on circuits and systems mwscas-2002.2 santa c.huerta,p. alou,j.a. oliver,o.garcia,j.a.cobos,a.abou-alfo

14、touh:“design methodology of a non-invasive sensor to measure the current of the output capacitor for a very fast non-linear control”,universidad politcnica de madrid enpirion inc.centro de electrnica industrial 685 route 202/206 madrid, spain bridgewater, nj 08807 usa.3 a. costabeber, l. corradini,

15、p. mattavelli and s. saggini, “time optimal, parameters-insensitive digital controller for dc-dc buck converters”, in proc. conf. pesc08.4 a. soto, p. alou and j.a. cobos, “non-linear digital control breaks bandwidth limitations”, in proceedings of 2006 applied power electronics conference apec 06.5

16、 a. abou-alfotouh, a. lotfi and m. orabi, “compensation circuit design considerations for high frequency dc/dc buck converters with ceramic output capacitors”, in proceedings of the ieee 2006 applied power electronics conference apec 07.6 w. huang, “a new control for multi-phase buck converter with

17、fast transient response”, in proceedings of the ieee applied power electronics conference apec01.7 e. meyer, z. zhang and y.-f. liu, “an optimal control method for buck converters using a practical capacitor charge balance technique”, in ieee trans. power electron., vol. 23, july 2008.8 z. zhao and

18、a. prodic, continuous-time digital controller for high-frequency dc-dc converters, in ieee transactions on power electronics, vol. 23, pp. 564-573, march 2008.9 a. costabeber, l. corradini, p. mattavelli and s. saggini, “time optimal, parameters-insensitive digital controller for dc-dc buck converters”, in proc. conf. pesc08.10 v. yousefzadeh, a. babazadeh, b. ramachandran, e. alarcon, l. pao and d. maksimovic, “proximate time-optimal digital co