基于Saber仿真軟件的直流電子負載設計

李 巖，邢紅宏，蘇學軍，汪興海

(1.海軍航空工程學院 控制工程系，山東 煙臺 264001；2.海軍航空工程學院 基礎實驗部，山東 煙臺 264001)

蓄電池放電試驗、大功率充電電源試驗、牽引動力試驗、汽車動力性能試驗等都需要進行負載測試[1-2]。傳統的負載測試采用靜態負載(如電阻、電阻箱、滑線變阻器等)能耗放電的辦法，不但浪費能源，而且由于電阻和電阻箱負載采用有級調節，負載形式單一、功率小[2]，越來越不能滿足復雜、動態的電源測試需求。電子負載引入了電力電子技術和微機控制技術[3]，不但可以實現傳統的靜態負載的基本功能，實現電源的可靠檢測，還可以在不改變硬件的情況下升級軟件，實現功能的擴充。

實際電子設備類型不同、使用環境不同，對電子負載也有許多不同的要求。為縮短研制周期，節約開發費用，在研制初期通過基于軟件仿真的方法，對電子負載電路進行優化，并通過仿真進行整體性能模擬測試。

1 電子負載的設計要求與測試方法

根據某型直流電子負載使用環境要求，電路設計采用功率場效應晶體管(MOSFET)搭建電子電路來模擬負載，配合單片機技術與變換器電路實現以下功能：(1)預定電壓、電流、電阻值，且應有較好的調節精度；(2)多臺電子負載一起工作時，可只使用其中一臺顯示面板以降低成本；(3)多臺負載同時工作，可以采用同步功能同步所有的工作參數；(4)電子負載具有在線編程功能及數據保存功能；(5)大容量并機時也有良好的抗干擾能力及穩定性。

Saber仿真軟件是一個功能非常強大的電路仿真軟件，尤其適用于開關電源的時域和頻域仿真，可用于電子、電力電子、機械、光電、光學、控制等不同類型系統構成的混合系統仿真[4]。Saber作為混合仿真系統，可以兼容模擬、數字、控制量的混合仿真，便于在不同層面上分析和解決問題。由于直流電子負載設計為數字控制系統下的模擬量控制，利用Saber內置的可編程電源，可以對PWM器件進行廣泛的建模和實時仿真，能夠有效地加快仿真速度[5]。

2 系統方案論證與設計

直流電子負載由恒流、恒壓和恒阻3種電路組成，3種電路均采用運算放大器結合反饋網絡實現，其他功能可通過單片機實時控制實現。根據設計要求，此電路中的反饋網絡以場效應管為核心，控制部分采用單片機，其基本系統如圖1所示。

圖1 直流電子負載系統框圖

電子負載系統的控制程序包括以下2部分：

(1) 人-機聯系程序，包括信息輸入程序和顯示輸出程序等；

(2) 數據采集和處理程序，主要是D/A、A/D轉換程序和電壓、電流采樣程序。

2.1 硬件電路設計與元件選擇

本系統主要由主控模塊、電源模塊、恒流電路模塊、恒壓電路模塊、恒阻電路模塊和過載報警與保護模塊等6部分組成。恒流工作模式時，恒流模塊通過分流電阻采壓，經過放大和比較后，反饋給主控模塊，調節分流電阻兩端電壓，實現恒流；恒壓工作模式原理與恒流模式基本相同，經采壓后與設定電壓比較后，反饋給工作模塊實現恒壓。考慮到實際需要，通過把恒壓和恒流模塊整合在一起，簡化了硬件設計；而恒阻模塊通過單獨的電路實現恒阻。該方案電路集成度較高，功能實現完全依靠硬件電路，可靠性高。

考慮到電子負載系統的體積、造價以及快速性和穩定性，選用了TI公司MSP430系列的430x1xx系列單片機。也可采用F系列，通過USB接口自主下載更新功能。利用單片機自帶的12位ADC模塊，采集負載電路的電壓信號，通過芯片內部的計算，進行電壓以及電流的顯示與其他功能的實現。

信號放大電路采用LM324四運放集成電路。開關元件采用IRF540 型N溝道MOS管[6-8]。

2.2 軟件設計

系統工作流程圖如圖2所示。

圖2 系統工作流程圖

通過控制面板上的按鍵，可以對工作模式進行手動選擇。本系統共設計了3種工作模式，分別是恒壓模式、恒流模式和恒阻模式(見圖2)，選好工作模式后，要對閾值進行預先設定。控制面板上有4個可以進行參數預設的調節旋鈕，分別是恒壓預置、恒流預置、恒阻預置和過載預置。閾值設置結束后，系統會根據事先選擇的工作模式進入相應的電路模塊以完成相應的數據測量，測量結果會顯示在LED模塊上。系統還會對各數據進行過載檢測和過載報警，并通過保護模塊切斷電路。

3 基本電路仿真

為了提高仿真速度，在搭建仿真電路時，單片機控制部分將使用Saber電源庫中的PWM電源，電子負載的兩個單元也將進行獨立仿真[9-10]。

3.1 電源模塊

為提高系統抗干擾能力，減少耦合電流的損耗，采用隔離強度高、隔離電容低的DC/DC變換器，以減小泄漏電流。電源模塊電路圖如圖3所示，電路中12 V電壓經過DC/DC變換器，分別為穩壓、穩流和控制電路供電。

圖3 電源模塊電路設計圖

3.2 恒流恒壓模塊設計與實現

恒流恒壓仿真電路如圖4所示。光耦P521連接工作模塊和控制模塊，利用線性光耦合器可構成光耦反饋電路，通過調節控制端電流來改變占空比，實現精密穩壓，利用光耦隔離作用使各工作模塊工作時互不影響。使用二極管限制運放管腳間電壓使其小于0.7 V，起到保護作用。考慮到電路的復雜程度，仿真電路中使用線性可調電壓源U4A、U4B替代PWM控制模塊和測試電源信號，以加快仿真速度。

恒流工作模式時，恒流模塊通過采壓控制分流電阻兩端電壓實現恒流功能，經過限壓后的電壓再經過放大器放大，和預設電壓比較反饋給工作模塊，實現恒流。

根據設計要求，經計算，分流電阻R兩端電壓U=IR，變化范圍為0.02～0.4 V。比較電路各參數選擇為Ucc=12 V，計算U4A可調范圍為0～10 V。U經放大器后電壓變化范圍應與比較電壓U4A相同，所以放大器倍數K選擇20倍，反饋電阻

R26=K×R25=11.2 kΩ

圖4 恒流恒壓模塊

在恒定電壓工作模式時，電子負載所流入的負載電流由所設定的負載電壓而定，此時負載電流將會增加，直到負載電壓等于設定值為止，即負載電壓保持設定值不變。

系統監測電路采壓后，和設定電壓比較，然后反饋給恒壓控制電路，調節負載電壓，實現恒壓模式。恒壓工作模式時，監測電路采樣電壓Uo經R22降壓后送比較器，與U4B比較并將結果反饋給工作電路控制負載電壓。通過調節U4B可實現在1.0～20.0V內對負載電壓的穩壓。

經計算，U4B上的電壓可調范圍為0～10V，而設計要求電壓設置及調節范圍是1.0～20.0V，所以必須對Uo降壓。選擇R22=R21=1kΩ，Uo經R22分壓后變化范圍達到0.5～10V，滿足設計要求。

使用Saber的直流工作點分析仿真取得電壓輸入信號，MOS管最終在電子負載輸出測量端輸出。調用Sader的CosmosScope模塊取得輸出電壓電流波形如圖5(a)所示。測試電源信號，取得電子負載上輸出電壓電流波形如圖5(b)所示。

圖5 恒流恒壓模塊電壓電流波形

通過多次測量可以看到，通過更改不同的PWM頻率，在誤差允許的范圍內，輸出電壓及電流能基本穩定，符合設計要求。

3.3 恒阻電路模塊設計與實現

在定電阻工作模式時，電子負載所流入的負載電流依據所設定負載電阻和輸入電壓的大小而定，此時負載電流與輸入電壓呈正比，比值即是所設定的負載電阻，即負載電阻保持設定值不變。恒阻電路獨立于恒流和恒壓電路，通過開關轉換。電路設計圖如圖6所示。

圖6 恒阻電路模塊

由于Saber中沒有電位器，只有可變電阻，仿真過程采用2個電阻R4A、R4B串聯進行替代，總電阻100kΩ。恒阻電路實際上是通過改變運放元件正向輸入端的電壓得到電阻恒定的效果，其原理與恒流電路基本相同。

圖7為恒阻模塊電壓電流波形，經多次仿真，取得的結果符合設計要求。

圖7 恒阻模塊電壓和電流波形

3.4 過載報警與保護模塊設計與實現

為了保護電路能夠正常使用，設計了電子負載過載保護電路。通過電流和電壓AD采樣與設置閾值進行比較，超過閾值時，單片機控制電源輸入單元斷開，系統停機。

4 各電路模塊高級仿真

基本電路仿真結果為理想狀態波形，而高級仿真已取得更符合實際的結果。

4.1 蒙特卡羅分析

蒙特卡羅分析(MonteCarloAnalysis)是在模型參數值浮動范圍內隨機取樣，檢驗器件參數在一定范圍內浮動對輸出的影響。圖8為各電阻元件精度至0.5%的條件下，恒阻模塊電壓、電流100次采樣的蒙特卡羅分布。

圖8 采用高精度元件的蒙特卡羅分布圖

可以確認電路波動不來自于電阻浮動變化。去除P521光耦電路模塊，再次進行蒙特卡羅分析，取得電子負載輸出端結果如圖9所示。

圖9 蒙特卡羅分布圖(無光耦)

更換電路為恒壓恒流模塊，仿真結果與電阻模塊基本相同。

綜合以上結果可知，如電子負載不利用光耦電路實施隔離，則系統可靠性可以接近100%，但由于本次設計對象情況的復雜性，在實際使用中不可能達到這種效果。加上光耦隔離電路后，雖然系統可靠性有所下降，但依然在設計要求范圍內。如需繼續提高系統可靠性，可考慮通過提高光耦模塊電路的穩定性實現。

4.2 電應力分析

由于電子負載長時間工作在高電壓、高電流狀態，為了確保電路的穩定，進行系統電應力分析，需要檢驗電路運行時的工作參數是否超過元器件的承受能力。

對恒壓恒流電路和恒阻電路進行電應力分析，可得各元件負荷情況。根據電應力分析，兩組電路采樣電阻均存在功率不足的問題，至少應達到13.3W；IRF540負荷最高時刻達到96%，雖然在額定值以內，為了提高電路的穩定性，也應更換為功率更高的MOS管。

5 結束語

電路系統可靠性是電路設計的重要環節，也是測試耗時最長的環節。通過Saber仿真，可以實現在電路設計階段與設計并行進行各種參數分析，得到電路穩定性、可靠性等關鍵參數的實時變化結果，減少了重復環節。基于Saber仿真方案設計的直流電子負載已經成功應用于某型航空蓄電池充放電系統和某型電源的定型試驗中，縮短了研制周期，節約了開發費用。該研究使分析過程直觀化、理論結果可視化，也為相關課程的仿真實驗教學提供了素材和借鑒。

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