基于Saber庫仿真的數字可調脈沖電源設計

王生范　羅建震

摘 要為縮短某型射頻開關供電電源研制周期，節約開發費用，在Saber仿真軟件中搭建了數字可調脈沖電源仿真模型。采用saber庫中較為精確的元器件模型建立了脈沖電源電路，并以相同參數的元器件設計了實驗樣機，驗證了滿載情況下不同頻率和寬度的脈沖電壓。仿真和樣機實驗結果表明：脈沖電壓的調節分辨率小于0.1V，上升和下降沿小于45us，完全滿足某型射頻開關供電電源的性能指標。

【關鍵詞】Saber軟件 脈沖電源 射頻開關

Saber是美國Analogy公司開發現由 Synopsys公司經營的系統仿真軟件，為復雜的混合信號設計與驗證提供了一個功能強大的混合信號仿真器，兼容模擬、數字、控制量的混合仿真，現已成為混合信號、混合技術設計和驗證工具的業界標準，可用于不同類型系統構成的混合系統仿真，與其他電路仿真軟件相比，其具有更豐富的元件庫和更精確的仿真描述能力，仿真真實性更好，便于分析產品設計可能遇到的問題，對于降低開發費用、縮短開發周期等十分有用。

射頻開關是射頻通信中常用的鏈路切換器件，其頻率范圍從DC到40GHz可以做到全覆蓋，除了其射頻性能以外，驅動方式及其性能也是其重要指標之一；在進貨檢驗或初次使用時，都要對其做一個全面的考核；為了精確測量評估射頻開關驅動性能，要求提供脈沖電壓幅度、寬度和頻率可調的精密脈沖電源；本文提出了一種用于射頻開關驅動性能測量評估的高精度數字可調脈沖電源的解決方案，并把利用saber軟件的仿真參數移植到脈沖電源樣機設計，實驗結果達到了預期效果。

1 脈沖電源技術指標

本文介紹的用于射頻開關供電的數字可調脈沖電源的主要設計指標：

輸入電壓：AC（220±10%）V /（50±10%）Hz；

脈沖輸出電壓范圍： 0V～35V；

脈沖輸出電壓調節分辨率：0.1V；

脈沖輸出電壓紋波：≤50mV；

脈沖輸出電流：≤450mA；

脈沖電壓頻率：0Hz～1kHz；

脈沖電壓上升/下降延遲時間：≤45?s。

2 脈沖電源解決方案

自高頻開關電源問世以來，已在電子、通信、電氣、能源、航空航天、軍事以及家電等領域作為解決方案廣泛應用，并隨著電力電子器件的不斷發展，高頻開關電源以效率高、體積小和快速響應等特點逐步取代了線性電源，但在某些對直流電壓紋波要求極高的場合，線性電源以低紋波、電磁干擾小等特點具有很大優勢。

由于脈沖電源輸出電壓紋波要求高，為滿足設計指標要求，本文采取了線性電源和微控制器方案來實現。原理框圖見圖1所示。

從圖1可以看出，脈沖電源按照線形電源原理設計，其工作原理為：首先PC機下發脈沖電壓幅值和脈沖寬度，MCU接收到控制指令后，根據脈沖電壓幅值選擇變壓器匝比，為三端穩壓芯片提供合適的輸入電壓（5-40V），同時下發脈沖電壓幅值指令給D/A芯片，D/A輸出電壓與三端穩壓芯片輸出端反饋電壓通過運放比較，從而驅動三極管來調節線形穩壓器LDO（LM317HV）調整端，形成閉環控制回路使線性LDO穩壓器的輸出電壓達到PC機下設的脈沖電壓幅值。其次MCU根據PC機設置的脈沖寬度控制PWM口驅動NMOS管，輸出滿足射頻開關要求的脈沖電壓幅值和寬度。

3 仿真模型搭建

Saber軟件中具有很大的通用模型庫和較為精確的具體信號器件模型，本系統依據脈沖電源解決方案，在Saber中選擇方案中具體選型器件搭建仿真模型，仿真器件如表1所示。

3.1 仿真模型搭建

按照設計解決方案，利用saber軟件搭建了仿真模型，如圖2所示：主要包括LM317HV輸出電壓調節電路、NOMS管浮地驅動電路、輸出電壓采樣電路和閉環控制器三部分。

3.2 LM317HV輸出電壓計算、D/A選擇以及反饋電阻計算

電壓輸出模塊主要采用 LM317HV 芯片完成轉換輸出。由于LM317HV芯片的輸入電壓一般要比輸出電壓高3V（即有3V的壓降），輸出端的最小電壓為1.25V，為了使脈沖電源能輸出0-35V電壓，要求其輸入Vin接 40V 的電壓，同時把LM317HV芯片的ADJ 端口引入閉環反饋環路，通過D/A轉換器芯片的輸出電壓Vda與反饋采樣電壓進行比較，使LM317HV的輸出端電壓降為0V。輸出電壓取決于閉環回路中三極管Q1集電極電壓Vc，計算公式為：Vdc=1.25+Vc。詳細電路如圖3所示。

由于本設計輸出的電壓為0V 到35V 之間，步進電壓為0.1V，為了保證調節精度，選用5V/12位DAC7802作為基準參考，考慮噪聲干擾因素，按照10位的有效精度考核，最小分辨率為0.00244V，即滿足系統0.1V調節精度要求，反饋電阻精度0.01%，當R1采用1.8歐時，R2=6R1，即R2為10.8歐，滿足脈沖輸出35V電壓要求。

3.3 仿真和樣機實驗結果

本文針對額定電壓為12V/450mA的射頻開關，對輸出0.1V和12V的仿真結果和樣機實驗結果進行了對比。

圖4為仿真輸出0.1V/100ms脈沖電壓，脈沖幅值為0.10025V，上升沿為12.175us，下降沿為8.4626us，脈沖寬度為0.099986s。

圖5為樣機實驗輸出0.1V/100ms脈沖電壓，脈沖幅值為0.09725V，上升沿為31.2us，下降沿為26.9us，脈沖寬度為0.09999s。

圖6為仿真輸出12V/100ms脈沖電壓，脈沖幅值為11.99V，上升沿為6.0126us，下降沿為4.8586us，脈沖寬度為0.099988s。

圖7為樣機實驗輸出12V/100ms脈沖電壓，脈沖幅值為11.99V，上升沿為43.93us，下降沿為42.13us，脈沖寬度為0.1000s。

該樣機在帶額定電壓為12V/480Ma的射頻開關時，輸出的100ms的脈沖電壓符合設計要求，已成功用于某射頻開關測試設備產品。

4 結束語

本文根據某射頻開關測試產品的要求，設計了一種射頻開關供電脈沖電源。利用saber庫中元器件建立了脈沖電源電路仿真模型，并以同樣參數元器件設計了實驗樣機，仿真和實驗結果基本一致，脈沖電壓的動態響應和精度都達到了預期效果。采用saber仿真輔助產品設計，減少了實驗樣機開發輪次，縮短了產品開發周期，同時降低了設計成本。可見saber輔助仿真建模是未來開關電源設計必不可少的軟件工具之一。

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作者簡介

王生范（1980-）， 男，工程師。

作者單位

艾默生網絡能源（西安）有限公司 陜西省西安市 710075