基于Saber的彈載二次電源系統(tǒng)建模與仿真

丁 旭 ，余志勇 ，李 旭 ，金 睿

（1.火箭軍工程大學(xué)，西安 710025；2.中國航天科工集團(tuán)第二研究院二十五所，北京 100854）

0 引言

二次電源系統(tǒng)是導(dǎo)引頭的關(guān)鍵供電部分，其主要功能是將一次電源的直流輸入變換成不同規(guī)格的直流輸出，用以滿足接收機、頻率綜合器等不同設(shè)備的用電需要。而其電源母線具有不穩(wěn)定性，且DC/DC變換器在直流變換中極易引入或形成各種干擾噪聲，這些問題都直接影響著導(dǎo)引頭上的分系統(tǒng)能否正常工作及通過相應(yīng)的指標(biāo)測試。

針對二次電源系統(tǒng)的性能檢測和電磁干擾（E-MI）分析，目前主要還是在產(chǎn)品成形后采用測試的手段，這時許多改進(jìn)措施都不能加入設(shè)計中。若能對導(dǎo)引頭二次電源系統(tǒng)建立包含其電磁特性且功能齊全的仿真模型，就可以用模型代替實際系統(tǒng)來分析其性能［1］，同時還可以作為傳導(dǎo)干擾模型，對系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾進(jìn)行仿真分析，預(yù)測其實際測試結(jié)果，及時發(fā)現(xiàn)問題［2］。這樣不僅能縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，還節(jié)省大量的人力物力。

本文利用Saber軟件建立了二次電源系統(tǒng)的仿真模型，其關(guān)鍵環(huán)節(jié)是對系統(tǒng)的國產(chǎn)元器件建模，運用參量化建模與Mast語言結(jié)合的方法建立了高精度、性能齊全的DC/DC變換器模型，根據(jù)元器件的功能要求、原理圖，分別建立了霍爾電流傳感器、電源濾波器模型。最后在負(fù)載滿載的情況下對系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果體現(xiàn)出系統(tǒng)的電磁特性，對導(dǎo)引頭通過CE102項［3］指標(biāo)測試、電磁兼容（EMC）改進(jìn)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 彈載二次電源系統(tǒng)介紹

彈載二次電源系統(tǒng)主要由DC/DC變換器、霍爾電流傳感器、電源濾波器及不同類型的負(fù)載組成，二次電源系統(tǒng)應(yīng)具備以下的功能：霍爾電流傳感器對電源電路輸入電流進(jìn)行采樣，并轉(zhuǎn)化為電壓輸出，以實現(xiàn)對一次電源輸入的監(jiān)測功能；不同型號的DC/DC變換器將+28 V的穩(wěn)壓輸入變換為±5 V、15 V及±8 V的穩(wěn)壓輸出，供給不同負(fù)載，還應(yīng)具備短路保護(hù)等功能；EMI濾波器構(gòu)成輸入濾波電路，對輸入串?dāng)_進(jìn)行抑制，同時防止DC/DC變換器模塊產(chǎn)生的電磁干擾耦合到一次電源。其模型框圖如圖1所示：

圖1 二次電源系統(tǒng)模型框圖

2 元器件建模

2.1 DC/DC變換器模型

DC/DC變換器是實現(xiàn)二次電源功能的核心元器件，除完成基本的直流-直流轉(zhuǎn)換外，還應(yīng)具備二次電源系統(tǒng)要求的電壓輸入保護(hù)、短路保護(hù)等功能［4］。導(dǎo)引頭二次電源系統(tǒng)DC/DC變換器采用脈沖寬度調(diào)制方式（PWM），具有固定的開關(guān)頻率，其內(nèi)部開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷是造成同頻率紋波噪聲的重要因素。本文采用參量化建模與Mast語言結(jié)合方法，以Saber軟件自帶的dcdc_1_os模板為原型，對其建模。其主要步驟如下：

1）將元器件數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的標(biāo)稱輸入輸出參數(shù)（voutnom、vinnom）、輸入特性參數(shù)（input）、輸出特性參數(shù)（output）、瞬態(tài)響應(yīng)參數(shù)（transient）輸入到dcdc_1_os模板中；

2）根據(jù)DC/DC變換器紋波特性，用Mast語言為原有模板添加ripple函數(shù)，并根據(jù)實際情況設(shè)置其開關(guān)頻率范圍，內(nèi)部電容、電阻等器件的取值。添加ripple函數(shù)后的屬性框圖如圖2所示，在output項中設(shè)置參數(shù)ripplepeak、ripplefreq的值。

圖2 改進(jìn)后的模型屬性框圖

2.2 霍爾電流傳感器建模

彈載二次電源系統(tǒng)中，霍爾電流傳感器作為一種電流檢測元件，將一次電源輸入電流值轉(zhuǎn)化為電壓輸出，用以實現(xiàn)對輸入電流的檢測。根據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊要求，此處使用的霍爾電流傳感器（HDC10A）其測量電流范圍為0～±10 A，工作電壓為12 V～±15 V，可以不失真地傳遞一定頻帶內(nèi)的任意波形的電流，運用宏建模的方法將Saber器件庫中的運算放大器、限幅器等器件搭接起來建立的模型如下頁圖3所示。工作時A、B端通過檢測電流，VCC、VEE端加+15 V、-15 V的工作電壓，out端接入400 Ω的輸出電阻并接地。整個模型使用var2v、var2i模塊將控制信號轉(zhuǎn)換為電信號，運用反比例放大器、out端接入電阻來實現(xiàn)電流的縮放和電壓的輸出。

圖3 霍爾電流傳感器模型

2.3 電源濾波器建模

二次電源系統(tǒng)中的電源濾波器（無源EMI濾波器）具有互異性，既可以抑制一次電源傳入的干擾，也可以減小DC/DC變換器耦合進(jìn)電源線的高頻反射噪聲［5］，用以滿足GJB151B-2013（軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量）中CE102項（電源線傳導(dǎo)發(fā)射）要求，減少對彈上其他分系統(tǒng)工作的不利影響。典型的電源EMI濾波器包含共模干擾和差模干擾兩部分的抑制電路，一般的濾波方式為差模濾波在前，共模濾波在后。

圖4為無源濾波電路的原理電路，Lx相當(dāng)于差模扼流圈，與差模工作電容Cx共同構(gòu)成差模抑制電路；共模電路輸入端并聯(lián)接地的電容Cy對共模噪聲起旁路的作用，Ly為共模扼流圈，其兩個線圈繞向一致，當(dāng)電源輸入電流或是差模電流流過Ly時，所產(chǎn)生的電場可以互相抵消，從而對差模干擾和工頻電流沒有電感效應(yīng)。但對共模電流來說卻相當(dāng)于一個大電感，能有效抑制共模干擾［6］。在根據(jù)電路原理圖設(shè)計圖5中的電源濾波器時主要考慮了對共模干擾的抑制，而因二次電源電路設(shè)計中有多處接地，對差模干擾抑制只使用了一個濾波電容。由于彈上環(huán)境對濾波器體積的限制，僅采用兩級共模濾波電路。

圖4 無源濾波電路原理圖

圖5 電源濾波器模型

3 仿真實驗及結(jié)果分析

3.1 DC/DC變換器的仿真與分析

采用額定功率25W的28V/5VDC/DC變換器，從以下幾個方面完整地檢驗DC/DC變換器模型的功能特性：

1）輸入輸出特性。下頁圖6（a）中輸入電壓是從0～60 V線性遞增的。從輸出波形中可以得到，導(dǎo)通電壓vinon=15.913，關(guān)斷電壓vinoff=50.09 V，符合數(shù)據(jù)手冊輸入直流電壓：16 V～50 V的要求，DC/DC變換器具有輸入電壓保護(hù)的功能。導(dǎo)通期間，輸出電壓穩(wěn)定在5 V，輸出電流穩(wěn)定在5 A。

2）輸出電壓紋波特性。圖6（b）中紋波波形與實際測試相符，峰峰值約為33.2 mV，小于數(shù)據(jù)手冊50 mV的要求，輸出電壓具有較高的精度。

3）短路保護(hù)特性。在仿真實驗過程中將變換器的負(fù)載逐漸減小阻值來模擬輸出短路現(xiàn)象。由輸出波形圖6（c）可知，變換器在發(fā)生短路時，輸出電流增加，變換器輸出電流達(dá)到設(shè)置的最大值7.09 A后不再增加，變換器開啟輸出保護(hù)功能，電壓值逐漸降為0，模型具備系統(tǒng)要求的短路保護(hù)功能。

3.2 電源濾波器的仿真與分析

電源濾波器的使用原理如下頁圖7所示，其中Vin為+28 V的直流輸入電壓，DC/DC變換器的開關(guān)頻率為100 kHz，取電源線上節(jié)點n1、n2處的電壓波形進(jìn)行比較。圖8中上方波形為節(jié)點n2處的電壓波形，其電壓紋波的幅值約為457μ，下方波形為節(jié)點n1處的電壓波形，電壓紋波被大大削減，幅值降為37μ。可見負(fù)載上紋波噪聲通過建立的DC/DC變換器模型耦合到電源線上；在加入電源濾波器后，耦合到電源線的高頻反射噪聲得到了有效地抑制。

3.3 二次電源系統(tǒng)仿真及分析

對二次電源系統(tǒng)添加功率滿載時的負(fù)載后，系統(tǒng)總線上的電流與霍爾電流傳感器反饋的電壓如圖9所示?？梢钥闯龌魻栯娏鱾鞲衅髂軌蜉^為準(zhǔn)確地反映出電源總線電流數(shù)值的變化，從而驗證了霍爾電流傳感器模型的正確性。但是由于反饋存在著延時，不能反映出圖9中上電瞬間電源總線上的浪涌電流［7］。浪涌電流會影響電源系統(tǒng)的正常工作，產(chǎn)生極大的電磁干擾，所以常在電源系統(tǒng)前段加入瞬態(tài)抑制器來抑制浪涌電流和電磁干擾，改善其性能。

圖6 DC/DC變換器模型特性仿真

圖7 電源濾波器使用原理圖

圖8 電源濾波器仿真實驗波形圖

圖9 電源總線電流與反饋電壓波形

圖10 系統(tǒng)正向輸出電壓紋波與電壓頻譜

二次電源系統(tǒng)的三路正向輸出電壓紋波及其頻譜如圖10所示，紋波幅值均小于40 mV，符合數(shù)據(jù)手冊要求。仿真結(jié)果體現(xiàn)了二次電源系統(tǒng)的電磁特性，從頻譜中可以明顯看出，輸出電壓為+8V、+5V、+15 V的DC/DC變換器在開關(guān)過程中產(chǎn)生的紋波噪聲的頻率分別為 800 kHz、600 kHz、400 kHz，這與實際設(shè)置的變換器的開關(guān)頻率相符。

根據(jù)GJB151B-2013中CE102項（電源線傳導(dǎo)發(fā)射）測試要求，在校準(zhǔn)過的微波暗室中對二次電源系統(tǒng)進(jìn)行CE102項測試，其設(shè)備連接如圖11（a），將中間的二次電源連接左側(cè)負(fù)載箱（含不同負(fù)載）以模擬導(dǎo)引頭正常工作（負(fù)載滿載）的狀態(tài)，同時用右側(cè)的傳導(dǎo)干擾測試設(shè)備LISN（線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)）對電源母線進(jìn)行測試，測得的母線上的電壓頻譜如圖11（b），圖中紅線為CE102極限值。

圖11 導(dǎo)引頭電源母線CE102測試

圖12 電源母線CE102仿真頻譜

同樣在模擬負(fù)載滿載的情況下，對二次電源系統(tǒng)模型做CE102項仿真實驗結(jié)果如圖12所示。對比實際測試結(jié)果（圖11（b）），具有較高的相似度：頻譜均包含有開關(guān)頻率在400 k～800 k范圍內(nèi)的DC/DC變換器產(chǎn)生的同頻反射噪聲及其諧波，使其頻譜類似于梳狀譜，信號之間均有一定的間隔；在400k～3M、7M～10M頻率范圍內(nèi)仿真誤差小于10dB。但由于模型建立在原理圖的基礎(chǔ)上，未考慮PCB走線間的影響［8］，使得實際測試結(jié)果在3 M～6 M范圍內(nèi)超標(biāo)（CE102極限值）嚴(yán)重，而仿真頻譜在此頻率范圍內(nèi)幾乎未超過圖中紅線。

圖13為系統(tǒng)添加電源濾波器改進(jìn)前后對比圖，可以看出添加濾波器后（黑色頻譜）干擾電平相比未加濾波器（紅色頻譜）時明顯減小，能夠嚴(yán)格控制在CE102極限值之下。

圖13 CE102仿真頻譜與改進(jìn)

4 結(jié)論

為更加方便有效地評估二次電源系統(tǒng)的性能，及時將改進(jìn)措施加入到系統(tǒng)設(shè)計中。本文根據(jù)元器件數(shù)據(jù)手冊的要求，運用Saber軟件以參量化建模結(jié)合Mast語言建模的方法建立了高精度、功能齊全的關(guān)鍵元器件——DC/DC變換器模型；根據(jù)元器件的功能要求、原理圖，運用Saber軟件以宏建模的方法，分別建立了霍爾電流傳感器、電源濾波器模型，并對上述的元器件模型及整個二次電源系統(tǒng)模型進(jìn)行了仿真實驗。仿真結(jié)果證明了模型的有效性、準(zhǔn)確性，同時由于在DC/DC變換器建模中考慮到了其紋波特性，使得整個二次電源系統(tǒng)具備了較為真實的電磁特性。文章最后模擬導(dǎo)引頭CE102項測試，對二次電源系統(tǒng)總線上的傳導(dǎo)電磁干擾進(jìn)行仿真分析，并對比加入電源濾波器前后的電源母線電壓頻譜，為導(dǎo)引頭通過CE102項指標(biāo)測試，抑制電磁干擾提供了參考。

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