4种电源模块预警功能设计方案比较
电路一点通 2024-05-30
介绍了四种可以检测的预警功能,包括:风扇转速异常(偏低)预警;PFC 电压和输出电压采样电阻阻值漂移预警;PFC电容容量下降预警;输出插座温度预警。
以上四种预警功能的软件实现前提是需要基于或者增加合适的硬件电路。比如风扇转速异常预警需要增加风扇FG信号频率检测电路。PFC电压和输出电压采样电阻阻值漂移预警各需要两套PFC电压和输出电压采样电路。PFC电容容量下降预警需要增加纹波电压检测电路。输出插座温度预警需要增加输出插座温度检测电路。

一.功能描述

四种可以检测的预警功能:(1)风扇转速异常(偏低)预警风扇由于积灰、腐蚀、磨损等原因,转速会降低,到一定程度风扇会停转,导致开关电源过热退出工作。PWM型风扇有四个管脚:电源、地、风扇转速FG信号、风扇控制PWM信号。风扇正常工作时,风扇转速FG信号是一个方波信号,FG信号频率是风扇转速的2倍,占空比固定50%,如果风扇停转,FG信号就是一个高/低电平信号。软件可以检测风扇转速FG信号的频率,和根据PWM信号计算到的实际FG转速相比较,来判断风扇转速是否降低。如果开关电源检测到风扇转速降低,产生预警信息给监控单元,监控单元提供预警信息给维护人员,清理风扇积灰,或者更换风扇可以避免开关电源因为风扇停转过热损坏退出工作。(2)PFC电压和输出电压采样电阻阻值漂移预警PFC电压和输出电压采样电阻容易被腐蚀导致阻值漂移,由于安规要求,硬件电路会增加一路PFC/输出电压采样过压保护电路,软件中可以比较两路PFC/输出采样值之间的差值,如果超出一定范围则认为阻值漂移,产生预警信息给监控单元。(3)PFC电容容量下降预警PFC电解电容因为电/热/机械应力等原因容量会下降,软件可以检测电容上的纹波电压,超出一定范围则产生预警信息。(4)插座温度偏高预警插座会因为接触不良、设计问题、过功率等原因导致温度升高,引发起火事故。软件可以检测输出端口的温度,判断超过一定范围则认为温度偏高,产生预警信息。同时上传插座及主要散热器的温度实时值给监控单元,监控单元根据这些实时温度对比分析是否需要产生预警信息。

二.设计方案

1、风扇转速异常预警Buck型风扇在正常工作时,风扇故障FG信号是一个方波信号,风扇转速FG信号的频率检测步骤如下,。(1)风扇转速FG信号通过一个电阻送到单片机或者DSP的输入IO口。(2)软件中判断步骤1中IO的高低电平,电平没有改变时,持续累加计数,电平改变时,如果是第一次电平改变,则继续累加,如果是第二次电平改变,则统计一个周期内检测到的频率计数值。(3)对步骤2中的计数值进行加权滤波,平滑采样值。(4)按照下列公式计算风扇频率:周期 = 计算周期 * 频率计数(步骤3中的计数值)= 频率计数 /计算频率得到:风扇转速频率 =计算频率 / 频率计数(5)对步骤4中的转速频率进行限幅。以上步骤得到风扇转速的频率后,和一个风扇频率阈值比较。这个风扇频率阈值的计算方法如下:根据实时的风扇PWM占空比(PwmValue)留一个余量(20%,风扇厂商标称的风扇转速是RPM+-10%,因此取了20%的余量)得到风扇FG信号的频率。计算公式如下:FG信号的频率=2×风扇转数(RPM)×80%×PwmValue /602、PFC电压和输出电压采样电阻阻值漂移预警主要思路是软件中比较两路PFC/输出采样值之间的差值,如果超出一定范围则认为阻值漂移。采样电阻本身导致的精度偏差可以通过校准来修正。对于HVDC模块,PFC电压精度要求是+-4v,输出电压精度要求是±0.5V,如果软件检测到两路PFC电压采样值之差大于8.8V,则认为采样电阻阻值漂移。模块输出电压超过精度范围仍然可以正常工作,硬件过压保护点是297.5+-2.5v,即295~300v之间,软件最大设置输出电压是292.5v,因此将预警阈值定为2.5v,回差是2v。3、PFC电容容量下降预警PFC的母线电容分布在两块PCB板,DCDC采用串联全桥LLC电路,有两个谐振腔,为了实现自动均流,在两块板的母线电容地之间加了500欧姆的大电阻,会产生较大的压差。AGND_AUX代表PFC侧的母线中点地;AGND_DC代表DCDC侧的母线中点地。



DCDC侧DSP没有检测PFC过欠压保护,在DCDC动态时,PFC侧DSP可能来不及保护。因此增加了母线电容地的电压差检测电路。PFC侧的母线电容容量下降可以用PFC总母线电压检测,DCDC侧的母线电容容量下降可以用母线中点电压差检测。具体判断方法如下:模块正常工作时,如果检测到PFC总母线电压纹波峰峰值大于6.5v,持续30s,则认为PFC侧总母线电容容量下降。如果检测到母线中点压差峰峰值大于38v,持续30s,则认为DCDC侧总母线电容容量下降。(具体阈值受到负载大小,DCDC电路影响,需要根据实际测试结果来确定)
4、插座温度偏高预警检测输出端口插座的温度,如果超出90度则产生预警信息,通过通信协议将预警信息发送给监控单元。并且将所有采样的温度值上送给监控单元,监控单元根据这些实时温度对比分析是否需要产生预警信息。


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