作者：Mark Hagen 和 Brent McDonald，德州儀器 (TI)

引言

監控電源健康狀態的方法不止一種。因此我們就可以通過監控電源健康狀態采取一定的措施以提高電源子系統的可靠性以及總體系統的可靠性。根據實時故障診斷對系統運行參數進行調整，或者在電源子系統性能下降時向主機系統發出警報，讓系統能夠進行調整或按照預定時間進行維護，從而提高系統的可靠性。由于已經有了電源系統狀態離散值，這樣數字控制功能便可使電源自身監控和評估更為方便。另外，數字控制功能還簡化了可能要求更多的電路來實現傳感功能的參數監控。

數字控制電源解決方案的一個重要優勢是可以對一些復雜的參數進行監控。除一些簡單的參數以外（例如：開關頻率、占空比、輸入輸出電壓、輸入輸出電流以及各種組件的溫度等），數字控制電源解決方案還可以捕獲一些復雜的參數（例如：功耗、效率、穩定裕度、輸出紋波電壓、輸入紋波電壓、相位電流不匹配、脈寬抖動以及歷史故障記錄等），并將其報告給主機系統。傳統上來說諸如電流、電壓和溫度的測量工作已經變得很容易了，但是我們需要數字控制器的嵌入式智能來確定一些參數，例如：穩定裕度、脈寬抖動分布等。獲取此類信息并接入控制器的嵌入式智能，可以允許進行一些復雜的操作；例如，如果嵌入式智能感應到穩定裕度超出正常范圍就會調節其補償。

該環路增益的 Bode 特性可讓我們更加深入地了解各組件值、效率及穩定裕度。數字控制器這種能夠在實際產品中部署電源的同時完成這種測量，評估穩定裕度、組件值變化以及監控功率級效率較大變化的這種能力，為我們提供了一種可提高總體系統可靠性的獨特的方法。

一旦確定了這些 Bode 特性，我們便可以從結果數據中萃取出諸如相位裕度、增益裕度和環路帶寬的傳統穩定性指標。另外，我們還可以萃取出輸出濾波器的諧振頻率以及品質因素 (Q)。然后，將這些數據與期望值進行對比。如果觀測到的變化具有統計顯著性，那么便可以得到關于這些組件值或效率的結論，如果認為有必要的話，可以向系統發出一個維護請求。

圖 1 降壓轉換器

圖 1 顯示了一種典型的電源應用。從開關節點到輸出的傳輸函數適用方程式 1 的形式，其帶有數個如方程式 2 所示的無源損耗元件。[3]

輸出濾波器的 Q 與連接至能量存儲組件 L 和 C 的損耗元件相關，ωz 與輸出電容及其相關的等效串聯電阻 (ESR) 相關，而 ω0 則主要由電感和電容的諧振決定。本例中，諧振頻率為 R、ESR 以及 DCR 的函數，如圖 1 所示；效率要求需要 R 比 ESR 或 DCR 都要大得多。結果，ω0 約僅為 L 和 C 的一個函數。由于 Q 與損耗相關，因此其值的較大變化就意味著要么是一個無源組件值發生了改變，要么是一個 MOSFET 損耗發生了較大變化。不管是哪一種情況，系統都會接到警報，告知需要進行維護。一個 Bode 指標歷史記錄會被存入內存，以用于后來的統計分析。

除進行這些測量以外，控制器還必須能夠找出一個合適的時間來進行此類測量。Bode 特性僅在已知輸入電壓、負載特性以及溫度的穩定狀態條件期間才具有相關性。一個數字控制器可以在測量之前、之后以及測量期間對這些參數進行監控。如果任何這些參數超出正常范圍，便延遲測量，直到其正常為止。

作為一種應用，這種控制器可以在產品實際部署以前對關鍵環路增益特性進行正確的測量和記錄。在新產品中，如果系統可以在負載和溫度已知的條件下記錄帶寬、Q 以及ω0，那么電源就可以定時地監控這些參數，以檢查是否存在重大變化，并適時向主機系統發出警報。

系統識別

測量電源系統的傳輸函數并創建環路增益 Bode 圖稱為系統識別。網絡分析儀測量系統的傳統方法是在環路周圍某個位置的求和點處注入一個激勵信號，并對另一點的響應進行測量。如果我們選擇控制器內的數個位置，其控制信號為離散采樣，那么我們便可以使用數字技術來使用該激勵和測量方法。如圖 2 所示，電源系統會被 x1 或者 x2 處注入的信號激勵。對該激勵的響應可以在 e、c、d 或者 u 處測得。參考文獻 1 描述了每一種情況的相關數學運算。

圖 2 系統 ID 測量位置

由于數字控制器的補償濾波器以數字方式運行，因此存在同其傳輸函數相關的較小偏移和增益容差。另外，它幾乎不會隨時間和溫度出現漂移。這就意味著，數字邏輯時鐘頻率的容差只帶來該補償器傳輸函數的變化。因此，測得環路傳輸函數的任何變化都應該是由模擬功率級變化所引起的，而非該控制器。如果補償器傳輸函數超出了測得的開環路響應，那么我們就可以觀測到一個精確的功率級圖像及其任何變化。

除了監控小信號 AC 傳輸函數以外，數字控制器還可以訪問瞬時和平均占空比。在數字 PWM 控制器中，由數字濾波器來完成補償（請參見圖 3）。該濾波器的輸出與穩定輸出電壓所需的控制程度成正比例關系。由于該濾波器是數字的，因此濾波器的輸出可以很輕松地通過監控微處理器來進行采樣。實際上，數字電源《PMBus 指令標準 (PMBus Command Standard)》的作者早就預知到了這一點，并定義了標準指令：READ_DUTY_CYCLE。

圖 3 二階補償數字濾波器

使用多個參數

就降壓調節器而言，眾所周知，占空比必須要隨著系統中損耗的增加而增加。這一概念可以用于估算功率級中的串聯電阻損耗。圖 4 顯示了一個簡化的降壓功率級。該串聯電阻損耗合在一起用 RS 表示。在 DC 中，我們可以將輸出電壓表達式寫為方程式 3：

圖 4 帶串聯和并聯損耗元件的功率級電路

對平均占空比 D 求解，然后以 VOUT/iL 代替 RLoad，可以得到：

然后，我們可以求解 RS：

這也就是說，如果我們對占空比、VIN 和電感電流（控制器已監控的所有參數）進行監控，那么我們便可以估算出功率級的串聯電阻。該參數的變化表明功率級的健康狀況已經受到損害。

所有現實世界的電源均具有一些相關的開關損耗。在某種程度上而言，它們會影響這種方法測得的 RS 值。然而，當現場進行電源健康評估時，主要關心的項目并非是 RS 的絕對值，而是 RS 的相對變化。同樣，RS 測量的這種方法還可提供一個關于穩壓器中開關損耗的優良指數。

運用統計過程控制來監控各值

數字控制器的嵌入式處理能力可用于通過統計學方法來解讀測得和計算得到的數據。廠商們使用統計過程控制 (SPC) 技術來維持其制造過程控制。一個電子系統可以使用相同的技術來對一些電源相關重要參數進行測量。通用的方法是，首先對預計平均值和一次測量的標準偏差進行估算。這一工作一般會在產品開發期間完成。然后，進行定期測量，較后將測量得到的值同基于可靠區間的極限值進行對比。

要確定出現問題的偏差值，就要定義出某一值區間 。如果平均測量值超出這一區間，那么我們就可以憑借可靠區間說平均值已發生變化。K 可以由如下方程式計算得出：

其中，σ 為預計總體標準差，n 為采樣量，而 za/2 則為采樣平均值在可靠區間內的雙面概率 (double-sided probability)。za/2 的一些典型值為 95% 時的 1.96，99% 時的 2.58，以及每十億分之二時的 6.0。[2]

舉例說明，假設產品開發期間該平均值和開環路帶寬的 ∑ 分別為 μ = 55.0 kHz 和 σ = 0.750 kHz，那么在正常運行期間，我們可通過在末帶寬估算周圍頻率下激勵系統來定期識別零 dB 帶寬，并對測量頻率進行調節，直到發現零 dB 增益為止。發現零 dB 交叉的這個過程重復4次，分別產生 4 個值，即56 kHz、58 kHz、53 kHz 和 55 kHz，平均值為 55.5 kHz。要想用 95% 可靠區間來確定平均值是否發生改變，就需要將 za/2 指定為1.96。這樣，區間 k 就為 1.96*0.750/sqrt(4) = 0.735 kHz，而可靠區間為 [ 54.2650 kHz、55.7350 kHz]。由于 55.5 kHz 位于該區間內，因此我們可以很有信心地（95% 的把握）說該平均值并未發生改變。

健康指標

使用上述系統 ID 方法，并利用統計過程控制的可靠區間，我們便可以定義一套健康指標，以確定電源系統的健康狀況。

相位裕度：這是與閉環系統性能相關較為重要的參數之一。如果電壓穩壓電路沒有足夠的相位裕度，那么對指令電壓或者負載電流變化的響應就會成為穩壓輸出電壓中較大的振鈴。如果嚴重，其結果還有可能會損害穩壓器供電的一些電路。這樣就使得相位裕度成為健康指標的一個重要考慮參數。

要想計算相位裕度，就要測量出環路增益，同時還要檢查測得值的大小，以找出該增益振幅等于 1.0 的頻率。180 度該頻率測得的環路相位響應的相距便為相位裕度。

功率級 ω0 和 Q：在包括功率級預計諧振頻率的頻率范圍內，通過激勵系統，我們可以構建一種可能較難測量的電源組件健康狀況指標。基于 ω0 的健康指標可以為輸出電容或者電感值發生變化的指示器。這種變化可能是由于電容器電介質損壞，或者電感器破裂引起的。基于輸出濾波器品質因素的健康狀況指標可以用于識別濾波器組件串聯電阻的變化。在低負荷