基于Saber的程控電源仿真設(shè)計(jì)

楊 帆，趙亞范（海軍航空工程學(xué)院基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部，山東煙臺 264001）

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基于Saber的程控電源仿真設(shè)計(jì)

楊 帆，趙亞范
（海軍航空工程學(xué)院基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部，山東煙臺 264001）

摘 要：直流程控電源是某型設(shè)備供電系統(tǒng)的中心部件，整機(jī)測試過程耗時(shí)尤長。為了縮短研制周期，節(jié)約開發(fā)費(fèi)用，可利用Saber軟件在電源設(shè)計(jì)階段同步進(jìn)行各種參數(shù)模擬分析，觀察各個(gè)模塊運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)完成后，又通過仿真測試了電源工作時(shí)內(nèi)部各元件的穩(wěn)定性，完善了整個(gè)系統(tǒng)的功能，最終滿足了指標(biāo)要求?；赟aber的開關(guān)電源設(shè)計(jì)過程，也為相關(guān)課程的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：程控電源；Saber；PWM控制；負(fù)載測試

1　引 言

開關(guān)電源以其高效率、適應(yīng)能力強(qiáng)、可調(diào)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(yīng)用于民用電器、工廠設(shè)備等不同場合。由于實(shí)際電子設(shè)備類型、環(huán)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(shè)備，其專用的開關(guān)電源設(shè)計(jì)周期也相對較長。我們在某型電源的定型試驗(yàn)中，為縮短研制周期，節(jié)約開發(fā)費(fèi)用，在研制初期結(jié)合軟件仿真，對開關(guān)電源電路進(jìn)行優(yōu)化，并通過仿真進(jìn)行整體性能模擬測試，減少了設(shè)計(jì)難度。目前，基于Saber仿真方案設(shè)計(jì)的開關(guān)電源已經(jīng)成功通過初步測試，縮短了研制周期，節(jié)約了開發(fā)費(fèi)用。

2　開關(guān)電源的設(shè)計(jì)要求與測試方法

根據(jù)某型程控電源電路使用需求環(huán)境，電路設(shè)計(jì)擬采用功率場效應(yīng)晶體管（MOSFET）搭建開關(guān)電路，配合單片機(jī)控制與濾波電路實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）預(yù)定電壓、電流（可設(shè)置定時(shí)變化）值，且應(yīng)有較好的調(diào)節(jié)精度（此處略去具體參數(shù)要求）。

（2）電路元件應(yīng)具有較高的集成化程度，可靠性要高。

（3）電源可以通過主機(jī)遠(yuǎn)程設(shè)置，實(shí)時(shí)觀察工作情況并可隨時(shí)切入操控。

（4）整體電路應(yīng)具有良好的抗干擾能力及穩(wěn)定性。

設(shè)計(jì)初期階段，為確保能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)指標(biāo)，我們在進(jìn)行參數(shù)計(jì)算、電路布置的同時(shí)，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(shí)對模擬信號、事件驅(qū)動(dòng)模擬信號、數(shù)字信號以及模數(shù)混合信號設(shè)備進(jìn)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(yīng)用在開關(guān)電源領(lǐng)域的時(shí)域和頻域仿真，可用于不同類型系統(tǒng)構(gòu)成的混合系統(tǒng)仿真。由于開關(guān)電源設(shè)計(jì)為數(shù)字控制系統(tǒng)下的模擬量控制，利用Saber內(nèi)置的可編程模塊［2］，可以對各個(gè)模塊進(jìn)行廣泛地建模和實(shí)時(shí)精確的仿真，大大減少了測試時(shí)間。

3　系統(tǒng)方案論證與設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，開關(guān)電源應(yīng)具有較高精度的電壓電流調(diào)節(jié)功能。電路采用一組功率場效應(yīng)晶體管Buck電路［3］，通過運(yùn)算放大器結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)精確反饋，各個(gè)功能通過單片機(jī)實(shí)時(shí)控制實(shí)現(xiàn)?；鞠到y(tǒng)框圖如圖1所示。

3.1硬件電路設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)由于電壓電流輸出模塊基本復(fù)用，整體電路可簡化為AC-DC電源模塊、控制電路及開關(guān)管模塊、輸出反饋模塊、過載報(bào)警保護(hù)模塊4部分組成。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，考慮到電路的簡化及可靠性需求，開關(guān)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(xiàng)目要求及實(shí)際裝置的體積和穩(wěn)定性需求，選用TI公司的MSP430系列的F149系列單片機(jī)作為主控芯片；開關(guān)管模塊使用IR2110芯片驅(qū)動(dòng)IRF3205；反饋部分利用24位AD芯片采集負(fù)載電路電流電壓信號反饋回單片機(jī)。

為了有效降低電源系統(tǒng)體積，提升系統(tǒng)整合能力，本次設(shè)計(jì)摒棄了傳統(tǒng)的高頻變壓器，全面采用平面變壓器。相比于傳統(tǒng)變壓器，平面變壓器寄生參數(shù)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(shè)計(jì)要求。本次設(shè)計(jì)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(shè)備上具有一定時(shí)間的使用經(jīng)歷，能夠穩(wěn)定工作在100kHz頻率下，性能可靠，故障率低。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，為實(shí)現(xiàn)程控電源與主機(jī)的可靠通信傳輸，監(jiān)控接口通信協(xié)議設(shè)計(jì)采用RS485通訊協(xié)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(dá)1MbPs，滿足設(shè)計(jì)需求?？紤]到主機(jī)的預(yù)計(jì)工作環(huán)境，通信接口應(yīng)合并至預(yù)設(shè)的航空插頭上。

3.2軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

接通電源以后，首先進(jìn)行過載判斷，若發(fā)生過載，電源會立即停機(jī)；沒有發(fā)生過載則進(jìn)入下一階段設(shè)置閾值，即預(yù)先設(shè)定電源輸出恒壓或恒流值，此處也可通過上位機(jī)遠(yuǎn)程設(shè)置；閾值設(shè)置結(jié)束后，單片機(jī)控制開關(guān)電源系統(tǒng)開始輸出。與此同時(shí)，系統(tǒng)還會不斷對輸出進(jìn)行過載檢測，若發(fā)生過載，系統(tǒng)會進(jìn)行過載報(bào)警，并通過保護(hù)模塊切斷電路。

圖1　開關(guān)電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖Fig.1 Block diagram of sw itching power supp ly system

圖2　系統(tǒng)工作流程圖Fig.2 System Flow chart

4　電路設(shè)計(jì)、仿真與實(shí)際測試

電路設(shè)計(jì)階段采用分段仿真方式以實(shí)現(xiàn)邊設(shè)計(jì)邊仿真，實(shí)時(shí)測試設(shè)計(jì)模塊工作狀況并以此進(jìn)行修改。電路設(shè)計(jì)結(jié)束后將整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行整合，考慮到仿真與實(shí)際的差異，為節(jié)約時(shí)間不進(jìn)行閉環(huán)仿真，僅根據(jù)工作進(jìn)度進(jìn)行系統(tǒng)壓力仿真測試。

4.1基本電路搭建

4.1.1AC-DC電源模塊的設(shè)計(jì)與搭建

系統(tǒng)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(tǒng)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?？紤]到后端設(shè)備功率需求，不加入主動(dòng)式功率因素校正而采用被動(dòng)式功率因素校正。通過接入壓敏電阻和保險(xiǎn)管作為基本浪涌保護(hù)。實(shí)際使用中，單片機(jī)等芯片供電單元還需采用隔離強(qiáng)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(guān)管模塊的設(shè)計(jì)與搭建

此模塊是本次仿真的重點(diǎn)。開關(guān)管電路選擇的MOSFET為IR公司生產(chǎn)的IRF3205快速開關(guān)管，其具有導(dǎo)通電阻RDS?。?.0毫歐），電流ID可以達(dá)到110A等優(yōu)點(diǎn)，完全滿足設(shè)計(jì)要求；開關(guān)管驅(qū)動(dòng)選擇同為IR公司生產(chǎn)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(yōu)點(diǎn)；單片機(jī)選擇TI公司生產(chǎn)的MSP430F149，自帶的硬件PWM輸出可直接對IR2110驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行精確控制，內(nèi)部集成的AD也可使用在過載報(bào)警保護(hù)模塊中。仿真電路搭建過程中單片機(jī)部分不予仿真，以Saber電源庫中的PWM電源模擬。

經(jīng)過不斷的優(yōu)化仿真調(diào)試，最終搭建Saber仿真電路如圖3所示。其中，R2模擬輸出負(fù)載，實(shí)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(guān)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(guān)參數(shù)為自行設(shè)定［7］，與實(shí)際元件應(yīng)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(jié)合IR官網(wǎng)提供的sin手動(dòng)添加。

4.1.3輸出反饋模塊與過載報(bào)警保護(hù)模塊的設(shè)計(jì)與搭建

由于電路的簡化設(shè)計(jì)需求，輸出模塊應(yīng)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(jī)軟控制?？紤]到所用的MSP430F149自帶AD精度不足，添加24位AD轉(zhuǎn)換器ADS1211作為AD采樣所用［8］。ADS1211可于1kHz轉(zhuǎn)換速率時(shí)達(dá)到20位分辨率，也可通過降低轉(zhuǎn)換速率已取得更高的分辨率，性能優(yōu)良［9］。

輸出反饋模塊由電壓反饋和電流反饋兩個(gè)部分組成，利用高精度AD芯片、分流器、運(yùn)放實(shí)時(shí)對輸出進(jìn)行監(jiān)測并反饋回控制電路。過載報(bào)警保護(hù)模塊采用運(yùn)放搭建比較器電路構(gòu)成。此模塊相對簡單且獨(dú)立，不進(jìn)行仿真。

4.2電路仿真測試

實(shí)際設(shè)計(jì)過程中主要對圖3電路結(jié)合計(jì)算進(jìn)行大量仿真測試，節(jié)約了設(shè)計(jì)測試時(shí)間，提高了整體設(shè)計(jì)速度。在基本確定設(shè)計(jì)電路及各元件參數(shù)后，為確定整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，我們將仿真電路整合進(jìn)行高級仿真，根據(jù)實(shí)際元件標(biāo)稱誤差及功率，對仿真電路中的各元件進(jìn)行更新，觀察整個(gè)系統(tǒng)工作時(shí)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(shù)值浮動(dòng)范圍內(nèi)隨機(jī)取樣，對所取的參數(shù)值進(jìn)行分析，檢驗(yàn)所用元件的參數(shù)在允許誤差范圍內(nèi)浮動(dòng)對輸出的影響。設(shè)計(jì)中主要依托此項(xiàng)仿真檢測設(shè)備批量生產(chǎn)時(shí)性能浮動(dòng)影響?？紤]到設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)中此項(xiàng)仿真結(jié)果僅供參考。

4.2.2電應(yīng)力仿真（Stress Analysis）及結(jié)果分析

由于電子負(fù)載本身經(jīng)常長時(shí)間工作在高電壓、高電流狀態(tài)，為了確保電路的穩(wěn)定，我們必須進(jìn)行系統(tǒng)整體壓力測試，檢驗(yàn)電路運(yùn)行時(shí)的工作參數(shù)是否超過元器件的承受能力，此項(xiàng)工作首先通過Saber的電應(yīng)力分析仿真進(jìn)行。通過對整體電路進(jìn)行電應(yīng)力分析仿真，可以看到各元件在實(shí)際電路中的負(fù)荷情況，相比于傳統(tǒng)的搭建實(shí)際電路后進(jìn)行長時(shí)間壓力測試，電應(yīng)力仿真能有效的減少測試環(huán)節(jié)，節(jié)約設(shè)計(jì)經(jīng)費(fèi)，節(jié)省測試時(shí)間。設(shè)計(jì)過程中某次仿真結(jié)果如圖4所示。

依托仿真結(jié)果，我們對電路做了大量改動(dòng)。由圖4可知，電路某些存在實(shí)際電壓、電流或功率遠(yuǎn)超額定值的問題，個(gè)別元件實(shí)際值可達(dá)額定值的231倍之多，經(jīng)分析可能為平面變壓器所致，但此部分設(shè)計(jì)已有實(shí)際使用記錄，理論上也應(yīng)滿足負(fù)荷要求，應(yīng)為我們自行設(shè)置的變壓器參數(shù)有誤所致，穩(wěn)妥起見應(yīng)進(jìn)行更換。而電路中的某些元件存在工作峰值達(dá)到額定值90%左右的情況，也應(yīng)更換；除此之外，也能看到某些元件實(shí)際值遠(yuǎn)低于額定值，為成本計(jì)應(yīng)考慮更換。

4.3實(shí)際電路驗(yàn)證

仿真結(jié)果成立不代表設(shè)計(jì)電路在實(shí)際測試中也能實(shí)現(xiàn)同樣的結(jié)果。在根據(jù)仿真結(jié)果更新過電路元件設(shè)計(jì)并仿真通過后，我們搭建了測試設(shè)備，進(jìn)行實(shí)物測試，測試裝置如圖5所示。

圖4　電應(yīng)力分析仿真結(jié)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(nèi)建小型風(fēng)扇散熱裝置，選擇DH2790型電子負(fù)載模擬實(shí)際電路，使用DS1062C型示波器觀察電路輸出。在分別利用上位機(jī)電腦和自帶鍵盤對電源進(jìn)行設(shè)置后，我們對測試樣機(jī)進(jìn)行了長時(shí)間壓力測試。

4.4 仿真結(jié)果分析及后續(xù)工作

通過一系列測試，可以看出實(shí)際測試結(jié)果與前面相應(yīng)的仿真結(jié)果基本相同，但紋波電壓則與仿真結(jié)果差異相對較大，僅能剛好滿足設(shè)計(jì)需求。在后續(xù)工作中，我們對CLC濾波電路進(jìn)行了改進(jìn)，進(jìn)一步降低輸出紋波。

硬件電路方面，所選用的單片機(jī)MSP430F149性能也略顯不足。由于電路為PWM控制，對占空比調(diào)節(jié)要求很高，經(jīng)計(jì)算可調(diào)精度至少應(yīng)達(dá)到0.05%。而選用的單片機(jī)F149最大工作頻率為8MHz，實(shí)際輸出PWM頻率為4kHz。在這個(gè)頻率驅(qū)動(dòng)下仿真電路和實(shí)際電路工作中雖然均可正常輸出，但實(shí)際測試工作中能夠聽到IR2110發(fā)出異響，應(yīng)是驅(qū)動(dòng)頻率略有不足所致。為了整體電路的穩(wěn)定性著想，在保證精度的前提下有必要對單片機(jī)進(jìn)行更換以提高PWM驅(qū)動(dòng)頻率。考慮到設(shè)計(jì)上的精簡化要求，選擇MSP430F6725替代原單片機(jī)。MSP430F6725同為TI公司生產(chǎn)的MCU，程序移植方便；其最高可工作在25MHz頻率下，PWM驅(qū)動(dòng)頻率為10kHz時(shí)占空比調(diào)節(jié)可達(dá)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(diào)試后替代ADS1211［10］。通過更換單片機(jī)，能有效的簡化設(shè)計(jì)電路，提高電路帶負(fù)載控制能力。

軟件控制方面，由于測試中可以看到當(dāng)電子負(fù)載發(fā)生較大變化時(shí)，電源輸出電壓或電流不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出，存在短時(shí)間的抖動(dòng)，后續(xù)工作中對控制算法進(jìn)行了更進(jìn)一步的修改，以確保電源輸出的穩(wěn)定性。

5　結(jié)束語

電源系統(tǒng)的可靠性是電路設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，也是測試耗時(shí)最長的環(huán)節(jié)。通過Saber仿真，可以實(shí)現(xiàn)在電路設(shè)計(jì)初期階段即與設(shè)計(jì)并行進(jìn)行各種參數(shù)分析，得到電路元件穩(wěn)定性、可靠性等關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)結(jié)果，減少了重復(fù)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，縮短了硬件研制周期，節(jié)約了開發(fā)費(fèi)用，也為我們開展相關(guān)課程的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)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?yàn)殡姽る娮臃抡婕夹g(shù)。

趙亞范 女（1985 -），吉林通化人，工程師，主要研究方向電子技術(shù)。

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(xiàn)標(biāo)識碼：A