技术领域
[0001] 本申请涉及电源寿命预测技术领域，特别是涉及一种电源寿命预测装置和电源寿命预测方法。
相关背景技术
[0002] 随着电力产品的不断国产化，电源模块的国产化也逐渐成熟，但针对国产电源模块的使用寿命了解甚少，且电源模块失效案例特别多，导致许多国产电力装置失效或异常动作，造成停电范围扩大等严重后果。因此为保证电力装置能够更加可靠地运行，提升电力装置的安全性，研究并且开发电源模块寿命预测显得尤为重要。
具体实施方式
[0066] 为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。
[0067] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
[0068] 可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。
[0069] 需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。此外，以下实施例中的“连接”，如果被连接的对象之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
[0070] 在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
[0071] 为了解决现有技术中难以准确预测电源模块使用寿命的问题，本发明提供了一种电源寿命预测装置和电源寿命预测方法。
[0072] 在一个实施例中，如图1所示，提供了一种电源寿命预测装置，包括电源模块、自检模块、功耗测量模块和寿命预测模块。
[0073] 其中，自检模块与所述电源模块连接，用于获取电源输入电压和电源输出电压并根据所述电源输入电压和电源输出电压判断所述电源模块功能是否正常；功耗测量模块与所述电源模块连接，用于根据所述电源输入电压和所述电源输出电压获取所述电源模块的负载工作数据；寿命预测模块分别与所述自检模块和所述功耗测量模块连接，用于根据所述自检模块的判断结果和所述电源模块的负载工作数据预测所述电源模块的使用寿命年限。
[0074] 上述电源寿命预测装置通过设置自检模块、功耗测量模块获取对电源模块的监测结果和电源模块的负载工作数据，能够根据所述监测结果和所述电源模块的负载工作数据准确预测电源模块的使用寿命年限。
[0075] 在一个实施例中，所示电源模块包括电源输入端和电源输出端；所述电源输入端用于输入电源输入电压，所述电源输出端用于输出电源输出电压所述自检模块包括输入电压监测回路、输出电压低频采样回路和分析单元。
[0076] 其中，输入电压监测回路与所述电源输入端连接，所述输入电压监测回路用于监测电源模块的所述电源输入电压；输出电压低频采样回路与所述电源模块的输入端连接，所述输出电压监测回路用于监测所述电源模块的所述电源输出电压；分析单元与所述输入电压监测回路和所述输出电压监测回路连接，所述分析单元用于根据所述电源输出电压是否满足预设输出范围且所述电源输入电压是否满足预设输入范围判断所述电源模块的功能是否正常。
[0077] 其中，其中所述电源模块的所述预设输入范围和所述预设输出范围均为由电源模块厂家提供。
[0078] 本实施例中，通过将电源输入电压与电源输出电压分别与预设输入范围和预设输出范围进行对比，可初步判定所述电源模块的工作状态是否异常，为进一步对电源模块寿命预测奠定基础。
[0079] 在一个实施例中，如图2所示，所述输入电压检测回路由二极管D4和二极管D12、电阻R85、电阻R20和电阻R14、电容C8和电容C37、瞬变电压抑制二极管Z4和光耦合器OP4组成。
[0080] 其中，所述二极管D4的阳极与交流电火线连接，所述二极管D4的阴极分别与所述电阻R85的一端和电阻R20的一端连接；所述电阻R85的另一端、所述瞬变电压抑制二极管Z4的一端均与交流电零线连接；所述电阻R20的另一端、二极管D12的阴极、所述电容C8的一端均与所述光耦合器OP4的1管脚连接；所述二极管D12的阳极、所述电容C8的另一端、所述瞬变电压抑制二极管Z4的另一端均与所述光耦合器OP4的2管脚相连接；所述光耦合器OP4的3管脚、所述电容C37的一端和网络接口DGND相连；所述光耦合器OP4的引脚4管脚、所述电容C37的另一端和所述电阻R14的一端相连接；所述电阻R14的另一端和所述电源模块的所述电源输出电压网络Vo连接。
[0081] 本实施例中，再次参考图2，所述光耦合器OP4芯片型号为TLP781，所述光耦合器OP4的1管脚和电阻R20，二极管D12和电容C8的共同端相连接，光耦合器OP4的2管脚和电阻R20，二极管D12和电容C8的共同端相连接，光耦合器OP4的3管脚接网络接口DGND，光耦合器OP4的4管脚接电阻(推荐阻值4.7K)，且光耦合器OP4的管脚网络名为KI1，此KI1网络接入CPU(微处理器)的GPIO普通管脚；光耦合器OP4和电阻R20决定电源模块输入范围的电压最小值，其中瞬变电压抑制二极管Z4关键参数由电源模块手册要求的电源模块输入范围最小值决定，电阻R20的阻值达到额定输入电压70％时，可以保证光耦合器导通，即电阻R20作用为限流功能；电阻R85作用为静电测试时，输入端L和N端可以快速释放电荷，二极管D4和二极管D12作用为防止交流电流过光耦合器OP4输入端，保证光耦芯片的正常运行，电阻R14为光耦合器OP4输出端的限流电阻，防止光耦合器的输出端过流，电容C37作用为防抖功能。通过上述输入电压检测回路能够获得准确的电源输入电压。
[0082] 在一个实施例中，所述电源输出端包括电压输出端和电流输出端；所述负载工作数据包括高频电压、低频电压和高频电流、低频电流；所述输出电压低频采样回路与所述电压输出端连接，还用于获取所述电源模块的电源输出电压，并对所述电源输出电压进行处理以获取高频电压和低频电压。
[0083] 所述功耗测量模块包括输出电流低频采样回路；所述输出电流低频采样回路与所述电流输出端连接，用于获取所述电源模块的电源输出电流；并对所述电源输出电流进行处理以获取高频电流和低频电流。
[0084] 在本实施例中，根据输出电压低频采样回路和输出电流低频采样回路对电源模块的电源输出电压和电源输出电流进行处理以获得高频电压、高频电流、低频电压和低频电流，能够获取更加详细的电源模块负载工作数据，为进一步预测电源模块的使用寿命提供了更加丰富的数据基础。
[0085] 在一个实施例中，如图3所示，所述输出电压低频采样回路包括电阻R12、电阻R112、电阻R117、电容C25、电容C24。
[0086] 其中，所述电阻R12的一端和所述电源模块的电源输出电压网络接口Vo连接；所述电阻R12的另一端、所述电阻R117的一端、所述电容C25的一端均与所述电阻R112的一端相连接且连接交点构成高频电压网络接口FPGA_Vo；所述电阻R117的另一端、所述电容C25的另一端、所述电容C24的一端均与网络接口DGND相连接；所述电阻R112的另一端与所述电容C24的另一端连接且连接点构成低频电压网络接口ADC_Vo。
[0087] 其中，再次参考图3，高频电压网络接口FPGA_Vo与网络接口DGND之间的电容C25用于滤除高频噪音，高频电压网络接口FPGA_Vo和低频电压网络接口ADC_Vo通过串阻R112连接，低频电压网络接口ADC_Vo和网络接口DGND之间的电容C24用于滤除高频噪音，其中电阻R12和电容C25组成的RC滤除器功能为滤除电源开关频率的以上的高频噪音，电阻R112和电容C24组成的RC滤除器功能为滤除工频磁场的以上的高频噪音。本实施例中，通过上述输出电压低频采样回路，能够获得准确的高频电压和低频电压，为下一步分析、预测所述电源模块的使用寿命奠定数据基础。
[0088] 在一个实施例中，所述电源寿命预测装置还包括负载模块，所述电源模块的电压输出端与所述负载模块的负载供电输入端连接以为所述负载模块供电；如图4所示，所述输出电流低频采样回路由电阻R2、电阻R120、电阻R116、电容C5、电容C56、电容C57及运算放大器U16组成；
[0089] 其中，所述电阻R2一端与所述电源输出电压网络接Vo连接；所述电阻R120的两端分别与所述运算放大器U16的1管脚和2管脚连接；所述电阻R116和电容C56串连；所述电容C57与所述电阻R120并联；所述运算放大器U16的2管脚连接网络接口DGND；所述运算放大器U16的3管脚与所述电源输出电压网络接口Vo网络连接；所述运算放大器U16的4管脚与负载供电端网络接口压V_Lo连接；所述运算放大器U16的3管脚与所述电源输出电压网络接口Vo网络连接；所述运算放大器U16的5管脚与所述电源输出电压网络接Vo连接，且和所述电容C15相连接。
[0090] 在本实施例中，再次参考图4，高频电压网络接口FPGA_Io与网络接口DGND之间的电容C57用于滤除高频噪音，高频电流网络接口FPGA_Io与网络接口DGND之间的电阻R120作用为调整运算放大器U16的放大倍数，高频电流网络接口FPGA_Io和低频电流网络接口ADC_Io通过电阻R116相连接，低频电流网络接口ADC_Io与网络接口DGND之间的电容C56用于滤除高频噪音，其中电容C57为滤除电源模块开关频率的以上的高频噪音，电阻R116和电容C56组成的RC滤除器功能为滤除工频磁场的以上的高频噪音。
[0091] 所述运算放大器芯片U16型号为SGM8198，运算放大器U16的运放放大倍数的计算公式为VR120＝R2*IR2*R120/1000，通过上述输出电流低频采样回路，能够获取准确的高频电流和低频电流。
[0092] 在一个实施例中，所述寿命预测模块包括输出电压高频采样回路和输出电流高频采样回路。所述输出电压高频采样回路与所述输出电压低频采样回路连接，用于将所述高频电压转换成高频电压差分信号；所述输出电流高频采样回路与所述输出电流低频采样回路连接，用于将所述高频电流转换成高频电流差分信号；其中，所述寿命预测模块用于根据所述判断结果、所述高频电压差分信号和所述高频电流差分信号预测所述电源模块的使用寿命年限。
[0093] 在本实施例中，通过输出电压高频采样回路和输出电流高频采样回路，对所述高频电压和高频电流进一步处理以获得高频电压差分信号和高频电流差分信号，能够使得根据判断结果、所述高频电压差分信号和所述高频电流差分信号对所述电源模块的使用寿命年进行预测的结果更具参考性。
[0094] 在一个实施例中，如图5所示，所述输出电压高频采样回路由放大器U18A、放大器U18B、放大器U19、电阻R121、电阻R123、电阻R124、电阻R125、电阻R128、电阻R131、电阻R132、电阻R133、电容C61、电容C103、电容C92、电容C97和电容C98组成。
[0095] 其中，所述放大器U18A的4管脚、放大器U19的6管脚均与网络接口DGND连接；所述放大器U18A的3管脚与高频电压网络接口FPGA_Vo连接；所述放大器U18A的1管脚和2管脚均与所述电阻R123连接；所述放大器U18B的5管脚和所述放大器分别与所述电容C97的一端和所述电容C98的一端连接，所述电容C97和所述电容C98分别连接至网络接口DGND；所述放大器U18的6管脚和7管脚均与电阻R131的一端连接，所述电阻R131的另一端和电阻R133的一端、所述电容C92的一端和所述放大器U19的2管脚连接；所述电阻R133另一端、电容C92另一端和网络接口AGND连接；所述放大器U18的8管脚和电源模块输出电压网络接口Vo相连接；所述放大器U19的8管脚、电阻R123另一端、电容C61一端和电阻R121一端连接，所述放大器U19的5管脚、电容C61另一端、电阻R21另一端和电阻R124相连接，所述放大器U19的1管脚、电阻R128一端、电容C103一端和电阻R132一端相连接，所述放大器U19的4管脚、电容C103另一端、电阻R132另一端和电阻R125相连接，电阻R128的另一端与网络接口AGND连接，电阻R124的另一端为网络接口VINA1‑，电阻R125的另一端为网络接口VINA1+，所述放大器U19的
3管脚和电源Vo相连接，所述放大器U19的6管脚和网络接口AGND相连接。
[0096] 在本实施例中，再次参考图5，电阻R123和电阻R128阻值必须保持一样，电阻R121和电阻R132阻值必须保持一样，电阻R121和R123调节信号放大倍数，电容C110和电容C121调节差分信号相位差，电阻R124和电阻R125为差分信号匹配电阻；放大器U19的型号为AD8137YRZ。放大器U18A和U18B的型号为OP2177ARMZ，此运放的带宽为1.3MHz，而实际大功率电源模块的开关频率最大100KHz，能够满足带宽需求，且此精度高，成本低，通用(电表等设备使用)，低偏置输入电路等。通过上述输出电压高频采样回路，能够获取准确的高频电压差分信号。
[0097] 在一个实施例中，如图6所示，输出电流高频采样回路由放大器U22A、放大器U22B、放大器U24、电阻R134、电阻R135、电阻R136、电阻R137、电阻R138、电阻R139、电阻R140、电阻R141、电阻R142、电容C110、电容C118、电容C119、电容C120和电容C121组成；
[0098] 其中，所述放大器U22A的3管脚与高频电压网络接口FPGA_Io连接；所述放大器U22A的2管脚和1管脚之间通过电阻R135相连接，所述放大器U22A的1管脚和所述电阻R136连接；所述放大器U22B的5管脚分别和电容C119、电容C120的一端相连接，电容C119、电容C120的另一端与网络接口AGND连接；所述放大器U22B的6管脚、所述放大器U22B的7管脚和电阻R140一端相连接，电阻R140的另一端和电阻R142一端、电容C118一端和所述放大器U24的2管脚相连接，电阻R142另一端、电容C118另一端和网络接口AGND连接，所述放大器U22B的4管脚和网络接口AGND相连接，所述放大器U22B的8管脚和电源Vo相连接，所述放大器U24的8管脚、电阻R136另一端、电容C110一端均与电阻R134一端相连接，所述放大器U24的5管脚、电容C110另一端、电阻R134另一端均与电阻R137相连接，所述放大器U24的1管脚、电阻R139一端、电容C121一端均与电阻R141一端相连接，所述放大器U24的4管脚、电容C121另一端、电阻R141另一端均与电阻R138相连接；电阻R139的另一端与网络接口AGND连接；所述电阻R137的另一端与网络接口VINB1‑连接；电阻R138的另一端与网络接口VINB1+连接，所述放大器U24的3管脚和电源输出电压网络接口Vo相连接，所述放大器U24的6管脚和网络接口AGND连接。
[0099] 本实施例中，再次参考图6，所述放大器U24的型号为AD8137YRZ；电阻R136和电阻R139阻值必须保持一样，电阻R134和电阻R141阻值必须保持一样，电阻R136和R134调节信号放大倍数，电容C110和电容C121调节差分信号相位差，电阻R137和电阻R138为差分信号匹配电阻；通过上述输出电流高频采样回路能够获取准确的高频电流差分信号。
[0100] 在一个实施例中，所述寿命预测模块还包括深度学习单元，与功耗测量模块连接，所述深度学习单元用于根据低频电压和低频电流获取所述负载工作状态；所述负载工作状态包括正常和异常；其中，所述寿命预测模块用于根据所述判断结果和所述负载工作状态预测所述电源模块的使用寿命年限。
[0101] 在本实施例中，所述深度学习单元能够根据低频电压和低频电流获取负载工作状态，进一步根据负载工作状态和判断结果预测电源模块的使用寿命年限。
[0102] 在一个实施例中，所述寿命预测模块还包括高频信号转换回路，分别与所述输出电压高频采样回路连接，所述高频信号转换回路用于将所述高频电压差分信号转换成高频电压数字信号；所述高频信号转换回路还与所述输出电流高频采样回路连接，所述高频信号转换回路还用于将所述高频电流差分信号转换成高频电流数字信号；深度学习单元，所述深度学习单元还与自检模块和高频信号转换回路连接，还用于在所述电源模块功能正常且负载工作状态正常时根据电源输出电压和电源输入电压建立寿命预测模型，并根据所述寿命预测模型、所述高频电压数字信号和所述高频电流数字信号预测所述电源模块的使用寿命年限。
[0103] 在本实施例中，当根据所述电源模块功能正常且负载工作状态正常时根据电源输出电压和电源输入电压建立寿命预测模型，并根据所述寿命预测模型、所述高频电压数字信号和所述高频电流数字信号预测所述电源模块的使用寿命年限，能够进一步提高预测电源模块使用寿命年限的准确性。
[0104] 在一个实施例中，如图7所述高频信号转换回路包括：ADC芯片U20、电容C69、电容C70、电容C89、电容C90、电容C91、电容C93、电容C95和电容C96；其中，所述ADC芯片U20的1管脚和所述电容C69一端均与网络接口VINA1+连接，所述ADC芯片U20的2管脚、电容C70一端和网络接口VINA1‑连接；所述电容C69另一端、所述电容C70另一端和网络接口AGND连接；所述ADC芯片U20的3管脚和网络借口VREFA1相连接，所述ADC芯片U20的4管脚、所述ADC芯片U20的5管脚和网络接口AGND相连接，所述ADC芯片U20的6管脚和网络接口VREFB1相连接，所述ADC芯片U20的7管脚、电容C91一端均与网络接口VINB1+相连接，所述ADC芯片U20的8管脚、电容C93一端均与网络接口VINB1‑相连接；所述电容C91另一端、电容C93另一端和网络接口AGND相连接，所述ADC芯片U20的9管脚和所述ADC芯片U20的16管脚与数字电源SPI接口VDD2.5连接；所述ADC芯片U20的10管脚和网络接口FPGA_SPI_CS相连接，所述ADC芯片U20的13管脚和网络接口FPGA_SPI_DATAB相连接，所述ADC芯片U20的14管脚和网络接口FPGA_SPI_DATAA信号相连接，所述ADC芯片U20的15管脚和网络接口FPGA_SPI_CLK信号相连接，所述ADC芯片U20的11管脚和网络接口AGND相连接，所述ADC芯片U20的12管脚和网络DGND接口相连接。
[0105] 本实施例中，再次参考图7，所述ADC芯片U20的选用型号为AD7356，此芯片的ADC采样频率为5MHz，满足高频采样的要求，同时，网络接口FPGA_SPI_CLK和网络接口FPGA_SPI_CS同时接入FPGA(可编程器件)的普通IO管脚，网络接口DGND和网络接口AGND通过磁珠RB1和RB2相连接，网络接口AGND为模拟信号地，DGND网络为数字信号地，保证模拟采样信号更加精确，避免干扰串扰等影响。
[0106] 在一个实施例中，如图8所示，提供了一种电源寿命预测方法，该方法包括步骤102至步骤106。
[0107] 步骤102，根据所述电源输入电压和电源输出电压判断所述电源模块功能是否正常。
[0108] 步骤104，根据所述电源输入电压和所述电源输出电压获取所述电源模块的负载工作数据。
[0109] 步骤106，根据判断结果和所述电源模块的负载工作数据预测所述电源模块的使用寿命年限。
[0110] 本实施中，上述电源寿命预测方法，能够根据所述监测结果和所述电源模块的负载工作数据准确预测电源模块的使用寿命年限。
[0111] 在一个实施例中，所述根据所述电源输入电压和电源输出电压生成监测结果包括根据所述电源输出电压是否满足预设输出范围且所述电源输入电压是否满足预设输入范围判断所述电源模块的功能是否正常；若所述电源输出电压满足预设输出范围且所述输入电压满足预设输入范围，则所述监测结果表明所述电源模块的功能正常，否则所述监测结果表明所述电源模块的功能不正常。
[0112] 在一个实施例中，所述负载工作数据包括高频电压、低频电压、高频电流、低频电流和负载工作状态；根据所述电源输入电压和所述电源输出电压获取所述电源模块的负载工作数据包括对所述电源输出电压进行处理以获取高频电压和低频电压；对所述电源输出电流进行处理以获取高频电流和低频电流；根据所述低频电压和所述低频电流获取所述电源模块的负载工作状态；所述负载工作状态包括正常和异常。
[0113] 在本实施例中，测得电源模块的功耗在负载额定功率附近波动，波动误差为5％以内，则所述负载工作状态正常。
[0114] 在一个实施例中，所述根据所述监测结果和所述电源模块的负载工作数据预测所述电源模块的使用寿命年限包括将所述高频电压转换成高频电压数字信号和将所述高频电流转换成高频电流数字信号；若监测结果表明所述电源模块的功能正常且所述负载工作状态正常则根据电源输出电压和电源输入电压建立寿命预测模型；根据所述寿命预测模型、所述高频电压数字信号和所述高频电流数字信号预测所述电源模块的使用寿命年限。
[0115] 本实施例中，当自检模块和功耗测量模块中判断所述电源模块的功能和所述负载工作状态均为正常时，寿命预测模块才通过高频电压信号和高频电流信号对所述电源模块进行寿命预测，当自检模块和功耗测量模块中判断所述电源模块的功能正常和所述负载工作状态中至少一个不正常时，此时预测电源模块寿命结果不准确。所述寿命预测模型为电源模块厂家或自检模块中获取的电源输入电压和电源输出电压以及功耗测量模块中获得的低频电压和低频电流建立的寿命预测模型，此寿命预测模型的建立和实际应用中的高频电压信号和高频电流信号参数无关，仅作为寿命预测模型的输入信号。
[0116] 应该理解的是，虽然图8的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图8中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
[0117] 在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。
[0118] 以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0119] 以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
