CN101387691A - 功率转换器组件的健康监控 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率转换器，其包括处理器和至少一个在功率转换器中的健康程度随时间退化的组件。处理器被配置成用于监控随着时间退化的组件的健康程度，并用于在组件的受监控的健康程度达到阈值水平时产生报警信号。本发明还公开一种用于监控功率转换器中的至少一个组件的健康程度的方法。该方法包括监控功率转换器的至少一个性能特征。性能特征代表了组件的健康程度。该方法还包括将所监控的性能特征与存储的数据相比较，以确定组件的健康程度是否达到预定水平，并在确定了组件的健康程度达到预定水平后产生报警信号。

Description

功率转换器组件的健康监控

技术领域

本申请涉及功率转换器，包括AC/DC功率转换器和DC/DC功率转换器。

背景技术

本节内容仅仅提供了与本发明有关的背景信息，而并不构成现有技术。

各种各样的功率转换器在其技术领域中已知用于将电功率从一种形式转换成另一种形式，它们包括AC/DC和DC/DC功率转换器。这些功率转换器通常包括一个或多个控制器，该控制器除了做其他事情外，还监控诸如输入电流、输出电流和/或温度之类的关键参数。当检测到过电流或温度过高的情况时，控制器可产生故障信号，并且/或者断开功率转换器，以避免对功率转换器和任何安装了功率转换器的系统(例如，计算机或自动系统)造成伤害，或将这种伤害最小化。尽管这些已知的方法可用来检测故障，但本发明的发明人还是认识到需要对电源故障检测作进一步的改进。

发明内容

根据本发明的一个方面，功率转换器包括处理器和至少一个在功率转换器中的健康程度会随着时间退化的组件。处理器被配置成用于监控随时间退化的组件的健康程度，并用于在组件的受监控的健康程度达到阈值水平时产生报警信号。

根据另一方面，公开了一种用于监控功率转换器中的至少一个组件的健康程度的方法。该方法包括监控功率转换器的至少一个性能特征。性能特征代表了组件的健康程度。该方法还包括将所监控的性能特征与存储的数据相比较，以确定组件的健康程度是否达到预定水平，并在确定组件的健康程度达到预定水平后产生报警信号。

根据本文的描述，该申请的其他方面将变得很明显。应理解，这些描述和具体实例仅仅是出于说明的目的提供的，而并不打算限制本发明的范围。

附图说明

这里描述的各图仅仅是为了说明的目的，而并不打算以任何方式限制本发明的范围。

图1是监控功率转换器的性能特征以确定该功率转换器中的组件的健康程度的方法的流程图；

图2是被配置成监控功率转换器中的一个或多个组件的健康程度的功率转换器的框图；

图3是被配置成监控大型电容器(bulk capacitor)、输出电容器和dc风扇的健康程度的功率转换器的框图；

图4是显示波纹电压(ripple voltage)与PWM信号的占空比(dutycycle)之间的联系的曲线图；

图5是一个流程图，其显示用于监控功率转换器中的大型电容器的健康程度的处理；

图6和图7是样例大型电容器波纹电压检测电路的示意图；

图8是一个流程图，其显示了用于监控功率转换器中的输出电容器的健康程度的处理；

图9是输出电容器波纹电压检测电路的示意图；

图10是用于监控功率转换器中的dc风扇的健康程度的处理的流程图；

图11是用于监控电动机的健康程度的处理的流程图；

图12是由图3所示处理器执行的捕获中断维修处理的流程图。

具体实施方式

以下描述在本质上仅仅是示例性的，并不打算限制公开内容、本申请或对发明的使用。

图1示出了根据本发明一个方面的用于监控功率转换器中的至少一个组件的健康程度的方法，该方法整体用附图标记100来表示。如图1所示，方法100包括在102处的监控功率转换器中的至少一个性能特征的步骤，该性能特征与组件的健康程度有关。在104处，将所监控的性能特征与存储的数据相比，以确定组件的健康程度是否已经达到预定水平。在106处，在确定了组件的健康程度已经达到预定水平后产生报警信号。通过这种方式，一个或多个电源组件的健康程度的退化能被检测到并被报告，使得能在(一个或多个)组件和/或功率转换器完全失灵以前对这些组件提供及时的服务(从小的维护到替换)。这些教导可应用到AC/DC和DC/DC功率转换器(包括开关式电源)上。

在一些实施例中，监控功率转换器的多个组件的健康程度。优选的，将每个受监控的组件与唯一的报警信号关联起来，该报警信号是在那个组件的健康程度退化到预定水平时才产生的。通过这种方式，产生的报警信号标识了需要维修或替换的特定组件。可替换的，可在任意一个组件的健康程度退化到特定水平时均产生相同的报警信号。

更进一步的，在一些实施例中，由产生的报警信号提供和激活一个或多个警报器，以便在组件需要维修时提供一个可视的且/或可听的报警。此外，或者可替换的，可将产生的报警信号提供给由功率转换器供电的负载，包括提供给安装了功率转换器的系统中的处理器(诸如计算机服务器)。功率转换器也可以配置成在产生了特定的报警信号后就关断。

进一步参考图1所示的方法100，健康程度受到监控的特定组件可以是，例如，电容器、风扇或功率转换器的任何其他关键性能组件。在电解电容器的情况下，电容器两端的波纹电压可用于代表电容器的健康程度，因此可监控该波纹电压来确定电容器的健康程度是否已经退化到特定水平。具体而言，由于电容器的电解质随时间逐渐减少，因此电容器的有效串联电阻增大而其电容值减小，这会导致波纹电压越来越大。因此，波纹电压可用作对电容器的健康程度的指示。在风扇的情况下，对于给定负载的风扇速度、控制输入和/或温度情形可用于代表风扇的健康程度。这样，功率转换器风扇的健康程度可通过监控例如风扇速度、风扇速度命令、温度和/或输出电流水平来监控。

图2示出了根据本发明的一个实施例的功率转换器200。功率转换器200包括处理器202和各种组件204、206和208，这些组件在功率转换器中的性能会随时间而退化(例如，由于磨损、衰变、热循环等)。功率转换器200进一步包括警报器210、212、214。处理器202配置成监控组件204、206和208随时间的健康程度。当这些组件中的任意者的所监控的性能达到阈值水平时，处理器202激活相应的警报器204、206或208。在图2的特定实施例中，将每个受到监控的组件204、206、208分别与不同警报器210、212、214关联起来。通过这种方式，用户可以基于哪个警报器被激活而很容易地确定哪个组件需要维修。

图2中所示的警报器可以是可视警报器和/或可听警报器。在可视警报器的情况下，可采用一个或多个灯(包括发光二极管(LED))，也可采用显示文本或其他消息(例如，图标)的显示装置，等。如果警报器包括一个或多个灯，则激活该警报器包括将其接通，将其关断，使其闪烁或以特定速率一闪一闪地发光，改变其颜色等。在一些实施例中，每个警报器包括颜色与其他警报器的LED不同的LED。通过这种方式，用户能够很容易基于被激活的LED的颜色识别出特定组件需要维修。

作为替换方案或附加方案，通过提供可听的和/或可视的警报器，可以产生并存储组件状态日志。组件状态日志可被访问以检索到关于电源组件的状态的历史数据。此外，警报器可包括在功率转换器200与功率转换器200的主机系统之间传递的报警信号。

图2所示的处理器202可配制成利用图1所示的方法或任何其他适当方法来监控组件204、206、208的健康程度。更进一步的，尽管图2所示的处理器配置成用于监控三个组件的健康程度，但应理解在任何实施方式中可监控多于三个的或少于三个的组件。类似的，采用的警报器的数目可以多于三个或少于三个，并且最少可以为一个。图2(和图3)所示的处理器202可以是例如微处理器、微控制器、微型计算机、数字信号处理器等数字控制器，或任何其他适当的处理装置。处理器202可以是专用处理器，或者可以是执行电源内的可能不相关的其他功能的处理器。可以用硬件、软件和固件的组合来实现处理器202。可替换的，可以用硬线模拟和/或数字电路来实现处理器202。

图3示出了根据本发明另一个实施例的功率转换器300。如图3所示，功率转换器300包括电解大型电容器302、电解输出电容器316，和dc风扇304。这些组件的性能会随时间而退化。功率转换器还包括处理器306，该处理器306利用图1所示的方法来监控大型电容器302、输出电容器316和风扇304的健康程度。功率转换器300可配置成AC/DC或DC/DC功率转换器。功率转换器300也包括功率因子校正输入级(未示出)。

更具体而言，处理器306通过监控大型电容器302和输出电容器316两端的波纹电压和输出电流水平来监控这些装置的健康程度。为此，功率转换器300包括两个波纹电压采样电路312和314，以及输出电流采样电路310。处理器通过监控风扇速度和与风扇相关联的散热装置(heat sink)(未示出)的温度来监控dc风扇304的健康程度。为此，功率转换器包括温度感测电路308，并且处理器包括用于监控风扇速度信号317的输入端。这些不同的电路向处理器306提供数据。如以下进一步描述的那样，这种数据被处理器用来确定是否任何受监控的组件的健康程度已经退化到预定阈值水平。

在图3所示的特定实施例中，处理器306配置成基于哪个组件需要维修来产生不同的报警信号308、320和322。这些报警信号用于激活相应的LED324、326和328，而每个LED具有不同的颜色。一旦特定的LED被激活，用户就可以在组件彻底损坏之前安排对功率转换器进行适当的维修。

在图3所示的特定实施例中，大型电容器两端的波纹电压被检测到并被转换成具有一定的占空比的脉宽调制(PWM)信号。PWM信号的占空比与检测到的波纹电压的峰峰间幅度值相对应。波纹电压越大，PWM信号的占空比就越大。图4中示出了波纹电压与PWM信号占空比之间的这种关系。如本文所示，最大的波纹电压402对应于占空比最大的PWM信号412。第二大的和较小的波纹电压404对应于占空比较小一些的PWM信号414。而图4中所示的最小的波纹电压406对应于占空比最小的PWM信号416。通过这种方式，处理器306(优选地通过诸如光耦合器之类的隔离装置)从波纹采样电路314接收PWM信号，其中PWM信号的占空比体现了在大型电容器302两端检测到的波纹电压。

通过比较在大型电容器302两端检测到的波纹电压，并将这种信息与存储的数据相比较，处理器306可确定大型电容器的健康程度是否已经退化到指示需要维修的阈值水平。在一些实施例中，将正常(初始的)大型电容器波纹电压的百分比增加(例如，20％)选作这个阈值水平。这样，处理器306可配置成在大型电容器302两端检测到的波纹电压比初始大型电容器波纹电压大20％还多时，产生报警信号318(指示需要维修大型电容器)。可替换的，可将与之前的电源故障相关联的波纹数据存储起来并将其用在检测标准中。

在某些实施例中，处理器确定大型电容器302的健康程度是给定输出电流水平的情况下大型电容器两端的波纹电压的函数。图5所示的流程图示出了这样一个实例。在502处，处理器确定由大型电容器波纹电压采样电路314产生的PWM信号的占空比。在504处，处理器确定输出电流水平(由电流采样电路310指示)。在506处，处理器确定输出电流是否小于或等于对应于半负载情况的电流水平。如果电流小于或等于半负载电流，则在508处，处理器确定PWM信号(由波纹采样电路314提供)的占空比是否大于对应于半负载情况的占空比。如果是这样，处理器在512处产生报警信号。否则，处理过程返回并重复进行。如果处理器在506处确定输出电流大于半负载情况的输出电流，则处理过程前进至510，以确定PWM信号的占空比是否大于对应于全负载情况的占空比。如果是这样，在512处，处理器产生报警信号。否则，处理过程返回并重复进行。尽管已经通过参考仅两个负载水平来解释并阐明了所述方法，但可以理解，该方法也能够用于多于两个负载水平的情况。

图6和图7示出了适合在图3所示的功率转换器中使用的大型电容器波纹电压采样电路的两个实例600、700。如图6所示，将大型电容器两端的波纹电压提供给电路600，作为输入602。比较器604将输入波纹电压转换为具有一定占空比的PWM信号。在图7所示的电路700中，采用比较器702以及光学耦合器704来实现与图6所示的电路600类似的结果。然而，可以理解，在不脱离本发明的教导的情况下，可以采用其它各种电路来检测大型电容器302两端的波纹电压。

进一步参考图3，输出电容器波纹电压采样电路312向处理器306提供信号，此信号代表了输出电容器316两端的波纹电压。在图3所示的特定实施例中，这个被提供给处理器的信号代表输出电容器波纹电压的峰值。可替换的，只要波纹幅度与信号格式之间存在已知关系，也可以使用其它信号。

在一些实施例中，波纹电压信号在输入到处理器306之前先通过峰值检测电路。功率转换器次级侧波纹电压的频率常近似等于功率转换器的转换频率(switching frequency)，或者是该转换频率的整数倍。在很多情况下，转换频率大于100kHz，并且可能在将来还会增大。因此，波纹电压的频率常常超过100kHz很多。对几百kHz的AC信号进行的计算处理很复杂并且开销很大。通过将波纹电压AC信号转换为DC电压可以减小这种复杂度和开销。可使用各种AC到DC转换技术实现这种转换，使得此转换具有不同程度的准确性和复杂度。可用于此目的的一种示例电路是峰值检测保持电路。

通过将输出电容器316两端检测到的波纹电压与所存储的数据进行比较，处理器306能够确定输出电容器316的健康程度是否已经退化到指示需要维修的阈值水平。在一些实施例中，选择最大额定输出波纹电压的一定百分比(例如，90％)作为此阈值水平。因而，处理器306可配制成，在例如输出电容器316两端检测到的波纹电压大于或等于最大额定输出波纹电压的百分之九十时，产生报警信号320。

在一些实施例中，处理器306确定输出电容器316的健康程度是给定输出电流水平的情况下输出电容器316两端的波纹电压的函数。图8所示的流程图示出这样一个例子。在802，处理器确定由波纹采样电路312检测到的波纹电压的数值。在804，处理器确定由电流采样电路310检测到的输出电流水平。然后在806中，处理器确定输出电流水平是否小于对应于半负载情况的电流水平。如果电流小于或等于半负载电流，处理继续进行到808。在808中，处理器确定波纹电压是否大于为半负载情况预期的波纹电压。如果是这样，处理继续进行到812，并产生报警信号。否则，处理过程返回并重复进行。如果处理器在806中确定输出电流大于半负载电流，则处理器将继续进行到810，以确定波纹电压是否大于为全负载情况预期的电压。如果是这样，处理继续进行到812，并且产生报警信号。否则，处理过程返回并重复进行。

图9示出了适合在图3所示的功率转换器中使用的输出电容器波纹电压采样电路900。如图9所示，提供输出电容器波纹电压作为输入Vin。放大波纹电压的幅度，然后利用带通滤波器对波纹电压进行滤波，以除去在运算放大器X3的前端处的低频波纹(例如，比功率转换器的转换频率的一半还低)以及高频波纹(例如，500kHz以上)噪声。运算放大器优选为高速的，以便获得高增益和线性。为了由于温度变化而导致的性能改变，利用运算放大器X2来补偿二极管D1的前向电压降。与电容器并联的电阻器确保电容器能放电。因此，当输入波纹电压的幅度改变时，信号被放大。电路900将输出电容器波纹电压转换为代表波纹电压的峰值的DC信号。如果波纹电压是正弦信号，则从电路900输出的DC信号可以代表波纹电压的RMS数值。

如上所述，图3所示的处理器306被配置成，通过监控风扇速度以及相关联的散热装置的温度来监控dc风扇304的健康程度。通常，对于给定温度存在最小的期望风扇速度。因此，如果风扇速度小于给定的温度情况下的预定阈值，则这可能指示风扇即将产生故障，并可用来产生适当的报警信号。

图10示出了用来检测dc风扇的性能退化的处理的一个实例。如本文所示，处理从在1002中确定风扇速度并在1004中确定相关联的散热装置的温度开始。在1006中，处理确定温度是否小于下限，在此特定实例中，该下限是38摄氏度。如果是这样，处理过程返回并重复进行。否则，处理在1008中确定温度是否低于上限，在此特定实例中，该上限是59摄氏度。如果这样，处理继续进行，在1010中确定风扇速度是否小于在温度低于59摄氏度的情况下的最小预期速度。如果不是，则处理过程返回并重复进行。否则，风扇不再正常运转，处理继续进行到1016，并产生报警信号。如果处理在1008确定温度在较高的温度以上，则处理继续进行到1012，确定温度是否超过了过热保护值，在此实例中，该过热保护值为61摄氏度。如果是这样，处理继续进行到1018，在1018处激活过热保护。否则，处理继续进行到1014，确定风扇速度是否低于温度接近61摄氏度情况下的最小预期速度，在此特定实例中，该最小预期速度为14,000rpm。如果是这样，处理继续进行到1016，并产生报警信号。否则，处理过程返回并重复进行。可替换的，处理器306可配置成，通过监控给定外加电压和/或气流阻抗时的风扇速度来检测风扇的性能退化。尽管此特定实例中示出了两个温度水平，然而，此处理的实施不限于此，可以使用任意个可变幅度的温度水平。

图11示出了根据本发明的另一方面检测电动机中的性能退化的方法。如图11所示，该方法包括，在1102中，监控电动机的速度。在1104中，检测电动机的性能退化。在1106中，产生报警信号。该方法还包括监控提供给电动机的控制信号，这包括外加电压或者占空比。这样，可以至少部分地基于所监控的电动机速度以及提供给电动机的控制信号，来确定电动机的性能退化。具体而言，如果所监控的电动机速度与提供给电动机的控制信号不一致，这可能表示电动机即将发生故障或对维修电动机的其他需要。为响应该报警信号，电动机能够根据需要得到维修或者被替换。电动机可以是更大的系统或装置的一部分，包括例如功率转换器风扇。

图12示出由图3所示的处理器执行的捕获中断维修处理，该处理用于确定风扇的速度以及与大型电容器波纹电压相关联的PWM信号的占空比。如图12所示，这两个操作特征是利用两个捕获端口来独立地捕获的。优选地，占空比是通过测量与大型电容器波纹电压相关联的PWM信号的上升沿和下降沿之间的时间差以及下降沿和下一个上升沿之间的时间差来捕获的。优选地，风扇速度是通过测量风扇测速信号的连续上升沿或连续下降沿之间的时间间隔来捕获的。

图12还示出通过除去或降低信号抖动来改善警报可靠性的单平均滤波器(single average filter)功能块。该单平均滤波器功能块利用滚动平均方法(rolling average method)来实现此目标。具体而言，计算出预定数目的测量结果的平均值。当得到新的测量结果时，则抛弃最老的测量结果，而新数值成为平均数的一个分量。

应注意，图2和3所示的处理器202、306可以和其它功率转换器组件一起包含在同一个板块或包内，并可执行除本文描述以外的其它处理(例如，包括对开关电源的控制处理)。可替换的，处理器可与其它组件分开放置到例如安装了功率转换器的系统(例如，计算机服务器)中。

尽管本发明的几个方面是通过参考功率转换器来描述的，但应理解，本发明的各个方面并不限于功率转换器，而可以应用于多种系统和应用，这包括但不限于电动机、汽车系统，以及在汽车、电机控制或其它工业中使用的其它类型的电子或机电系统。

通过实施以上描述的任意或全部教导，可以实现很多益处和优势，这包括改善了系统可靠性，减少了系统停机时间，消除并减少了系统的冗余组件，避免了不必要地或过早地替换组件或系统，以及降低了整个系统和操作的成本。

Claims (23)

1.一种功率转换器，其包括处理器和至少一个在所述功率转换器中的健康程度随时间退化的组件，所述处理器被配置成用于监控随时间退化的所述组件的健康程度，并用于在所述组件的被监控的健康程度达到阈值水平时产生报警信号。

2.如权利要求1所述的功率转换器，其中，所述处理器配置成用于通过监控所述功率转换器的至少一个性能特征来监控所述组件的健康程度，其中该性能特征代表所述组件的健康程度。

3.如权利要求2所述的功率转换器，进一步包括警报器，该警报器配置成响应报警信号而被激活。

4.如权利要求2所述的功率转换器，其中，所述功率转换器包括在所述功率转换器中的健康程度随时间退化的多个组件，所述处理器配置成用于监控其中每个随时间退化的所述组件的健康程度，并用于在其中一个所述组件的被监控的健康程度达到阈值水平时产生报警信号。

5.如权利要求4所述的功率转换器，其中，所述多个组件包括至少一个第一电容器和风扇，其中，所述处理器配置成用于在所述第一电容器的被监控的健康程度达到第一阈值水平时产生第一报警信号，并用于在所述风扇的被监控的健康程度达到第二阈值水平时产生第二报警信号。

6.如权利要求5所述的功率转换器，进一步包括第一警报器和第二警报器，所述第一警报器配置成为响应所述第一报警信号而被激活，所述第二警报器配置成为响应所述第二报警信号而被激活。

7.如权利要求5所述的功率转换器，其中，所述多个组件包括第二电容器，并且其中，所述处理器配置成用于在所述第二电容器的被监控的健康程度达到第三阈值水平时产生第三报警信号。

8.如权利要求7所述的功率转换器，进一步包括第一警报器、第二警报器和第三警报器，这些警报器被配置成分别响应所述第一报警信号、所述第二报警信号和所述第三报警信号而被激活。

9.如权利要求8所述的功率转换器，其中，所述第一电容器是大型电容器，而所述第二电容器是输出电容器。

10.如权利要求9所述的功率转换器，其中，所述第一警报器、所述第二警报器和所述第三警报器的每一个都包括至少一个LED。

11.如权利要求10所述的功率转换器，其中，每个LED具有不同颜色。

12.如权利要求7所述的功率转换器，进一步包括温度感测电路、输出电流采样电路，和多个波纹电压采样电路。

13.一种用于监控功率转换器中的至少一个组件的健康程度的方法，该方法包括：监控功率转换器的至少一个性能特征，该性能特征代表了所述组件的健康程度；将受到监控的性能特征与存储的数据相比较，以确定所述组件的健康程度是否已达到预定水平；和在确定了所述组件的健康程度已经达到所述预定水平后产生报警信号。

14.如权利要求13所述的方法，其中，所述组件是从大型电容器、输出电容器和风扇所构成的组中选出。

15.如权利要求13所述的方法，其中，所述组件是大型电容器，并且受到监控的性能特征包括所述大型电容器两端的波纹电压。

16.如权利要求15所述的方法，其中，受到监控的性能特征进一步包括所述功率转换器的输出电流水平。

17.如权利要求13所述的方法，其中，所述组件是输出电容器，并且受到监控的性能特征是所述输出电容器两端的波纹电压。

18.如权利要求13所述的方法，其中，所述组件是风扇，而受到监控的性能特征包括温度和所述风扇的速度。

19.如权利要求13所述的方法，进一步包括响应所述报警信号而激活警报器。

20.如权利要求19所述的方法，其中，所述警报器是可视警报器。

21.如权利要求20所述的方法，其中，所述可视警报器包括至少一个LED。

22.如权利要求13所述的方法，进一步包括向安装了所述功率转换器的系统发送所产生的报警信号。

23.如权利要求13所述的方法，其中，所述警报信号是由第一处理器产生的，所述方法进一步包括向第二处理发送所产生的报警信号。

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