基于Saber的程控电源仿真设计_杨帆

短研 制 周 期，节 约 开 发 费 用，在 研 制 初 期 结 合 软 件仿 真，对 开 关 电 源 电 路 进 行 优 化，并 通 过 仿 真 进行整 体 性 能 模 拟 测 试，减 少 了 设 计 难 度。目 前，基于 Saber 仿真方案设计的开关电源已经成 功通 过 初 步 测 试，缩 短 了 研 制 周 期，节 约 了 开 发 费用。
Design of Programmable Power Supply Based on Saber Software Simulation
YANG fan，ZHAO Yafan
（ Department of Basic Experiment，Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai 264001，China）
2 开关电源的设计要求与测试方法
根据某型程控电源电路使用需求环境，电路
杨 帆，等： 基于 Sab用功率场效应晶体管（ MOSFET） 搭建开 关电路，配 合 单 片 机 控 制 与 滤 波 电 路 实 现 以 下 功能：
（ 1） 预定电压、电流（ 可设置定时变化） 值， 且应有较好的调节精度（ 此处略去具体参数要 求） 。
计与搭建 由于电路的简化设计需求，输出模块应尽可 能少使用元件，因此主要靠对输出端检测反馈至 单片机软控制。考虑到所用的 MSP430F149 自带 AD 精度不足，添加 24 位 AD 转换器 ADS1211 作
杨 帆，等： 基于 Saber 的程控电源仿真设计
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为 AD 采样所用［8］。ADS1211 可于 1kHz 转换速 率时达到 20 位分辨率，也可通过降低转换速率已 取得更高的分辨率，性能优良［9］。
为了有效降低电源系统体积，提升系统整合 能力，本 次 设 计 摒 弃 了 传 统 的 高 频 变 压 器，全 面 采用平面变压器。相比于传统变压器，平面变压 器寄 生 参 数 极 低，电 流 密 度 大，良 好 的 磁 芯 屏 蔽 可大大降低辐射，效率极高，尤其是体积很小，满 足设计 要 求。 本 次 设 计 采 用 的 原 副 边 绕 组 交 叉 换位布局的平面变压器已在其他设备上具有一 定时间的使用经历，能够稳定工作在 100kHz 频率 下，性能可靠，故障率低。
经过不断的优化仿真调试，最终搭建 Saber 仿真电路如图 3 所示。其中，Ｒ2 模拟输出负载， 实际仿真过程会将 Ｒ2 替换为各种组合电路以观 察不同情况下电源的输出情况。
电路设 计 阶 段 采 用 分 段 仿 真 方 式 以 实 现 边 设计边仿真，实时测试设计模块工作状况并以此 进行修 改。 电 路 设 计 结 束 后 将 整 个 系 统 进 行 整 合，考 虑 到 仿 真 与 实 际 的 差 异，为 节 约 时 间 不 进 行闭环仿真，仅根据工作进度进行系统压力仿真 测试。 4． 1 基本电路搭建 4． 1． 1 AC － DC 电源模块的设计与搭建
1引言
开关电源 以 其 高 效 率、适 应 能 力 强、可 调 范 围宽等特性成为直流电源家族中不可或缺的一 份子，广 泛 应 用 于 民 用 电 器、工 厂 设 备 等 不 同 场 合。由于实 际 电 子 设 备 类 型、环 境 的 不 同，对 电 源也做出了更多的要求，特别是针对某些易受到 电磁干扰的设备，其专用的开关电源设计周期也 相对较长。我们在某型电源的定型试验中，为缩
2016 年 2 月 第 12 卷 第 1 期
中图分类号： TP 319
文献标识码： A
系统仿真技术
System Simulation Technology
Feb． ，2016 Vol． 12，No． 1
基于 Saber 的程控电源仿真设计
杨 帆，赵亚范
（ 海军航空工程学院 基础实验部，山东 烟台 264001）
（ 2） 电路元件应具有较高的集成化程度，可 靠性要高。
（ 3） 电源可以通过主机远程设置，实时观察 工作情况并可随时切入操控。
（ 4） 整体电路应具有良好的抗干扰能力及稳 定性。
设计初期 阶 段，为 确 保 能 实 现 系 统 指 标，我 们在进行参数计算、电路布置的同时，通过 Saber 软件仿真［1］的方式评估其性能。Saber 软件是美 国 Synopsys 公司的一款 EDA 软件，可同时对模拟 信号、事 件 驱 动 模 拟 信 号、数 字 信 号 以 及 模 数 混 合信号设备进行仿真，拥有大量的电源专用器件 和功率电子器件模型，并提供高精度的电路仿真 模型单元库，尤其适合应用在开关电源领域的时 域和频域仿真，可用于不同类型系统构成的混合 系统仿 真。 由 于 开 关 电 源 设 计 为 数 字 控 制 系 统 下的模 拟 量 控 制，利 用 Saber 内 置 的 可 编 程 模 块［2］，可以对各个模块进行广泛地建模和实时精 确的仿真，大大减少了测试时间。
3 系统方案论证与设计
根据设计要求，开关电源应具有较高精度的 电压电 流 调 节 功 能。电 路 采 用 一 组 功 率 场 效 应 晶体管 Buck 电路［3］，通过运算放大器结合反馈 网络实现精确反馈，各个功能通过单片机实时控 制实现。基本系统框图如图 1 所示。 3． 1 硬件电路设计
硬件系统由于电压电流输出模块基本复用， 整体电路可简化为 AC － DC 电源模块、控制电路 及开 关 管 模 块、输 出 反 馈 模 块、过 载 报 警 保 护 模 块 4 部分组成。根据设计要求，考虑到电路的简 化 及可靠性需求 ，开 关 管 模 块 采 用 单 管 正 激 电 路
输出反 馈 模 块 由 电 压 反 馈 和 电 流 反 馈 两 个 部分组成，利用高精度 AD 芯片、分流器、运放实 时对输 出 进 行 监 测 并 反 馈 回 控 制 电 路。 过 载 报 警保护 模 块 采 用 运 放 搭 建 比 较 器 电 路 构 成。 此 模块相对简单且独立，不进行仿真。 4． 2 电路仿真测试
图 1 开关电源系统实现框图 Fig． 1 Block diagram of switching power supply system
而非反 激 或 双 管 正 激 等 电 路。 该 方 案 电 路 集 成 度较高，输出纹波低，可靠性高。
考虑到项 目 要 求 及 实 际 装 置 的 体 积 和 稳 定 性需求，选用 TI 公司的 MSP430 系列的 F149 系 列单片机作为主控芯片； 开关管模块使用 IＲ2110 芯片驱动 IＲF3205； 反馈部分利用 24 位 AD 芯片 采集负载电路电流电压信号反馈回单片机。
根据设计要求，为实现程控电源与主机的可 靠通信传输，监控接口通信协议设计采用 ＲS485 通讯协议。ＲS485 拥有较好的干扰抑制性，传输 距离超过 1km，传输速度可达 1Mbps，满足设计需 求。考虑到主机的预计工作环境，通信接口应合 并至预设的航空插头上。 3． 2 软件设计
系统工作流程如图 2 所示。 接通电源 以 后，首 先 进 行 过 载 判 断，若 发 生 过载，电源会立即停机； 没有发生过载则进入下 一阶段设置阈值，即预先设定电源输出恒压或恒 流值，此处也可通过上位机远程设置； 阈值设置 结束后，单片机控制开关电源系统开始输出。与 此同 时，系 统 还 会 不 断 对 输 出 进 行 过 载 检 测，若
Abstract： Programmable control DC pow er is the center part of the pow er 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 ． After Completed the design of the w hole system，w e also use Saber softw are testing the pow er performance stability，improving the function of the w hole system，and ultimately meet the index requirements． Sw itching pow er supply design w hich based on Saber，also provide a reference to the related curriculum． Key words： programmable pow er； saber； PWM control； stress test
摘 要： 直流程控电源是某型设备供电系统的中心部件，整机测试过程耗时尤长。为了缩短研制周期，节约开发费 用，可利用 Saber 软件在电源设计阶段同步进行各种参数模拟分析，观察各个模块运行状态。系统整体设计完成后， 又通过仿真测试了电源工作时内部各元件的稳定性，完善了整个系统的功能，最终满足了指标要求。基于 Saber 的 开关电源设计过程，也为相关课程的仿真实验教学提供了借鉴。 关键词： 程控电源； Saber； PWM 控制； 负载测试 DOI:10.16812/31-1945.2016.01.009
系统电源供电输入为交流电 220V ± 20% ，且 可能带 有 较 大 的 电 磁 射 频 噪 声 干 扰［4］。 为 提 高 系统 抗 干 扰 能 力，减 少 耦 合 电 流 的 损 耗，我 们 采 用 EMI 滤波处理，即添加共模扼流圈［5］、电容组 成的共 模 滤 波 器 和 差 模 滤 波 器 抑 制 噪 声 干 扰。 考虑到后端设备功率需求，不加入主动式功率因 素校正 而 采 用 被 动 式 功 率 因 素 校 正。通 过 接 入 压敏电 阻 和 保 险 管 作 为 基 本 浪 涌 保 护。 实 际 使 用中，单片机等芯片供电单元还需采用隔离强度 高隔 离 电 容 低 的 DC / DC 变 换 器，以 减 小 泄 漏 电流。 4． 1． 2 控制电路及开关管模块的设计与搭建