基于Saber的程控電源仿真設計

楊 帆，趙亞范（海軍航空工程學院基礎實驗部，山東煙臺 264001）

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基于Saber的程控電源仿真設計

楊 帆，趙亞范
（海軍航空工程學院基礎實驗部，山東煙臺 264001）

摘 要：直流程控電源是某型設備供電系統的中心部件，整機測試過程耗時尤長。為了縮短研制周期，節約開發費用，可利用Saber軟件在電源設計階段同步進行各種參數模擬分析，觀察各個模塊運行狀態。系統整體設計完成后，又通過仿真測試了電源工作時內部各元件的穩定性，完善了整個系統的功能，最終滿足了指標要求。基于Saber的開關電源設計過程，也為相關課程的仿真實驗教學提供了借鑒。

關鍵詞：程控電源；Saber；PWM控制；負載測試

1　引 言

開關電源以其高效率、適應能力強、可調范圍寬等特性成為直流電源家族中不可或缺的一份子，廣泛應用于民用電器、工廠設備等不同場合。由于實際電子設備類型、環境的不同，對電源也做出了更多的要求，特別是針對某些易受到電磁干擾的設備，其專用的開關電源設計周期也相對較長。我們在某型電源的定型試驗中，為縮短研制周期，節約開發費用，在研制初期結合軟件仿真，對開關電源電路進行優化，并通過仿真進行整體性能模擬測試，減少了設計難度。目前，基于Saber仿真方案設計的開關電源已經成功通過初步測試，縮短了研制周期，節約了開發費用。

2　開關電源的設計要求與測試方法

根據某型程控電源電路使用需求環境，電路設計擬采用功率場效應晶體管（MOSFET）搭建開關電路，配合單片機控制與濾波電路實現以下功能：

（1）預定電壓、電流（可設置定時變化）值，且應有較好的調節精度（此處略去具體參數要求）。

（2）電路元件應具有較高的集成化程度，可靠性要高。

（3）電源可以通過主機遠程設置，實時觀察工作情況并可隨時切入操控。

（4）整體電路應具有良好的抗干擾能力及穩定性。

設計初期階段，為確保能實現系統指標，我們在進行參數計算、電路布置的同時，通過Saber軟件仿真［1］的方式評估其性能。Saber軟件是美國SynoPsys公司的一款EDA軟件，可同時對模擬信號、事件驅動模擬信號、數字信號以及模數混合信號設備進行仿真，擁有大量的電源專用器件和功率電子器件模型，并提供高精度的電路仿真模型單元庫，尤其適合應用在開關電源領域的時域和頻域仿真，可用于不同類型系統構成的混合系統仿真。由于開關電源設計為數字控制系統下的模擬量控制，利用Saber內置的可編程模塊［2］，可以對各個模塊進行廣泛地建模和實時精確的仿真，大大減少了測試時間。

3　系統方案論證與設計

根據設計要求，開關電源應具有較高精度的電壓電流調節功能。電路采用一組功率場效應晶體管Buck電路［3］，通過運算放大器結合反饋網絡實現精確反饋，各個功能通過單片機實時控制實現。基本系統框圖如圖1所示。

3.1硬件電路設計

硬件系統由于電壓電流輸出模塊基本復用，整體電路可簡化為AC-DC電源模塊、控制電路及開關管模塊、輸出反饋模塊、過載報警保護模塊4部分組成。根據設計要求，考慮到電路的簡化及可靠性需求，開關管模塊采用單管正激電路而非反激或雙管正激等電路。該方案電路集成度較高，輸出紋波低，可靠性高。

考慮到項目要求及實際裝置的體積和穩定性需求，選用TI公司的MSP430系列的F149系列單片機作為主控芯片；開關管模塊使用IR2110芯片驅動IRF3205；反饋部分利用24位AD芯片采集負載電路電流電壓信號反饋回單片機。

為了有效降低電源系統體積，提升系統整合能力，本次設計摒棄了傳統的高頻變壓器，全面采用平面變壓器。相比于傳統變壓器，平面變壓器寄生參數極低，電流密度大，良好的磁芯屏蔽可大大降低輻射，效率極高，尤其是體積很小，滿足設計要求。本次設計采用的原副邊繞組交叉換位布局的平面變壓器已在其他設備上具有一定時間的使用經歷，能夠穩定工作在100kHz頻率下，性能可靠，故障率低。

根據設計要求，為實現程控電源與主機的可靠通信傳輸，監控接口通信協議設計采用RS485通訊協議。RS485擁有較好的干擾抑制性，傳輸距離超過1km，傳輸速度可達1MbPs，滿足設計需求。考慮到主機的預計工作環境，通信接口應合并至預設的航空插頭上。

3.2軟件設計

系統工作流程如圖2所示。

接通電源以后，首先進行過載判斷，若發生過載，電源會立即停機；沒有發生過載則進入下一階段設置閾值，即預先設定電源輸出恒壓或恒流值，此處也可通過上位機遠程設置；閾值設置結束后，單片機控制開關電源系統開始輸出。與此同時，系統還會不斷對輸出進行過載檢測，若發生過載，系統會進行過載報警，并通過保護模塊切斷電路。

圖1　開關電源系統實現框圖Fig.1 Block diagram of sw itching power supp ly system

圖2　系統工作流程圖Fig.2 System Flow chart

4　電路設計、仿真與實際測試

電路設計階段采用分段仿真方式以實現邊設計邊仿真，實時測試設計模塊工作狀況并以此進行修改。電路設計結束后將整個系統進行整合，考慮到仿真與實際的差異，為節約時間不進行閉環仿真，僅根據工作進度進行系統壓力仿真測試。

4.1基本電路搭建

4.1.1AC-DC電源模塊的設計與搭建

系統電源供電輸入為交流電220V±20%，且可能帶有較大的電磁射頻噪聲干擾［4］。為提高系統抗干擾能力，減少耦合電流的損耗，我們采用EMI濾波處理，即添加共模扼流圈［5］、電容組成的共模濾波器和差模濾波器抑制噪聲干擾。考慮到后端設備功率需求，不加入主動式功率因素校正而采用被動式功率因素校正。通過接入壓敏電阻和保險管作為基本浪涌保護。實際使用中，單片機等芯片供電單元還需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。

4.1.2控制電路及開關管模塊的設計與搭建

此模塊是本次仿真的重點。開關管電路選擇的MOSFET為IR公司生產的IRF3205快速開關管，其具有導通電阻RDS小（8.0毫歐），電流ID可以達到110A等優點，完全滿足設計要求；開關管驅動選擇同為IR公司生產的IR2110芯片，外部電路相對簡單，兼有光耦隔離和電磁隔離的優點；單片機選擇TI公司生產的MSP430F149，自帶的硬件PWM輸出可直接對IR2110驅動芯片進行精確控制，內部集成的AD也可使用在過載報警保護模塊中。仿真電路搭建過程中單片機部分不予仿真，以Saber電源庫中的PWM電源模擬。

經過不斷的優化仿真調試，最終搭建Saber仿真電路如圖3所示。其中，R2模擬輸出負載，實際仿真過程會將R2替換為各種組合電路以觀察不同情況下電源的輸出情況。

圖3　開關管及控制電路仿真Fig.3 Sw itching tube and control circuit sim ulation

變壓器xrfl2即為正激高頻平面變壓器［6］。由于此元件為特殊定制，Saber元件庫中不存在，仿真電路中相關參數為自行設定［7］，與實際元件應有差距。相同情況的還有IRF3205，此元件亦無法在原始元件庫中找到，電路中的元件為自行繪制的模型結合IR官網提供的sin手動添加。

4.1.3輸出反饋模塊與過載報警保護模塊的設計與搭建

由于電路的簡化設計需求，輸出模塊應盡可能少使用元件，因此主要靠對輸出端檢測反饋至單片機軟控制。考慮到所用的MSP430F149自帶AD精度不足，添加24位AD轉換器ADS1211作為AD采樣所用［8］。ADS1211可于1kHz轉換速率時達到20位分辨率，也可通過降低轉換速率已取得更高的分辨率，性能優良［9］。

輸出反饋模塊由電壓反饋和電流反饋兩個部分組成，利用高精度AD芯片、分流器、運放實時對輸出進行監測并反饋回控制電路。過載報警保護模塊采用運放搭建比較器電路構成。此模塊相對簡單且獨立，不進行仿真。

4.2電路仿真測試

實際設計過程中主要對圖3電路結合計算進行大量仿真測試，節約了設計測試時間，提高了整體設計速度。在基本確定設計電路及各元件參數后，為確定整個系統的穩定性，我們將仿真電路整合進行高級仿真，根據實際元件標稱誤差及功率，對仿真電路中的各元件進行更新，觀察整個系統工作時元件誤差對輸出是否帶來不利的影響。

4.2.1蒙特卡羅仿真（Monte Carlo Analysis）

蒙特卡羅分析是在模型參數值浮動范圍內隨機取樣，對所取的參數值進行分析，檢驗所用元件的參數在允許誤差范圍內浮動對輸出的影響。設計中主要依托此項仿真檢測設備批量生產時性能浮動影響。考慮到設計需求，設計中此項仿真結果僅供參考。

4.2.2電應力仿真（Stress Analysis）及結果分析

由于電子負載本身經常長時間工作在高電壓、高電流狀態，為了確保電路的穩定，我們必須進行系統整體壓力測試，檢驗電路運行時的工作參數是否超過元器件的承受能力，此項工作首先通過Saber的電應力分析仿真進行。通過對整體電路進行電應力分析仿真，可以看到各元件在實際電路中的負荷情況，相比于傳統的搭建實際電路后進行長時間壓力測試，電應力仿真能有效的減少測試環節，節約設計經費，節省測試時間。設計過程中某次仿真結果如圖4所示。

依托仿真結果，我們對電路做了大量改動。由圖4可知，電路某些存在實際電壓、電流或功率遠超額定值的問題，個別元件實際值可達額定值的231倍之多，經分析可能為平面變壓器所致，但此部分設計已有實際使用記錄，理論上也應滿足負荷要求，應為我們自行設置的變壓器參數有誤所致，穩妥起見應進行更換。而電路中的某些元件存在工作峰值達到額定值90%左右的情況，也應更換；除此之外，也能看到某些元件實際值遠低于額定值，為成本計應考慮更換。

4.3實際電路驗證

仿真結果成立不代表設計電路在實際測試中也能實現同樣的結果。在根據仿真結果更新過電路元件設計并仿真通過后，我們搭建了測試設備，進行實物測試，測試裝置如圖5所示。

圖4　電應力分析仿真結果Fig.4 Stress Analysis sim u lation resu lt

圖5　測試裝置全貌Fig.5 Testing device

我們使用220V市電作為供電輸入，模塊內建小型風扇散熱裝置，選擇DH2790型電子負載模擬實際電路，使用DS1062C型示波器觀察電路輸出。在分別利用上位機電腦和自帶鍵盤對電源進行設置后，我們對測試樣機進行了長時間壓力測試。

4.4 仿真結果分析及后續工作

通過一系列測試，可以看出實際測試結果與前面相應的仿真結果基本相同，但紋波電壓則與仿真結果差異相對較大，僅能剛好滿足設計需求。在后續工作中，我們對CLC濾波電路進行了改進，進一步降低輸出紋波。

硬件電路方面，所選用的單片機MSP430F149性能也略顯不足。由于電路為PWM控制，對占空比調節要求很高，經計算可調精度至少應達到0.05%。而選用的單片機F149最大工作頻率為8MHz，實際輸出PWM頻率為4kHz。在這個頻率驅動下仿真電路和實際電路工作中雖然均可正常輸出，但實際測試工作中能夠聽到IR2110發出異響，應是驅動頻率略有不足所致。為了整體電路的穩定性著想，在保證精度的前提下有必要對單片機進行更換以提高PWM驅動頻率。考慮到設計上的精簡化要求，選擇MSP430F6725替代原單片機。MSP430F6725同為TI公司生產的MCU，程序移植方便；其最高可工作在25MHz頻率下，PWM驅動頻率為10kHz時占空比調節可達到0.04%，完全滿足需求；片上具有的高精度24位Sigma-Delta AD可在調試后替代ADS1211［10］。通過更換單片機，能有效的簡化設計電路，提高電路帶負載控制能力。

軟件控制方面，由于測試中可以看到當電子負載發生較大變化時，電源輸出電壓或電流不能實現穩定輸出，存在短時間的抖動，后續工作中對控制算法進行了更進一步的修改，以確保電源輸出的穩定性。

5　結束語

電源系統的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初期階段即與設計并行進行各種參數分析，得到電路元件穩定性、可靠性等關鍵參數的實時結果，減少了重復設計環節，縮短了硬件研制周期，節約了開發費用，也為我們開展相關課程的仿真實驗教學提供了素材和借鑒。

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楊 帆 男（1982 -），北京通州人，工程師，主要研究方向為電工電子仿真技術。

趙亞范 女（1985 -），吉林通化人，工程師，主要研究方向電子技術。

Design of Programmable Power Supply Based on Saber Software Simulation

YANG fan，ZHA0 Yafan
（DePartment of Basic ExPeriment，Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai264001，China）

Abstrac t：Programmable control DC Power is the center Part of the Power suPPly system，w hich needs long time stress test.In order to shorten the develoPment cycle and save develoPment costs，w e use the Saber softw are to analyze the various Parameters，observe the running effect of every module in the design of Pow er suPPly .A fter Com Pleted the design of the w hole system，we also use Saber softw are testing the Power Performance stability，im Proving the function of the whole system，and ultimately meet the index requirem ents.Sw itching Power suPPly design which based on Saber，also Provide a reference to the related curriculum.

Key words：Programmable Power；saber；PWM control；stress test

中圖分類號：TP 319

文獻標識碼：A