Saber電源仿真-基礎(chǔ)篇

1、Saber電源仿真基礎(chǔ)篇電路仿真作為電路計算的必要補充和論證手段，在工程應(yīng)用中起著越來越重要的作用。熟練地使用仿真工具，在設(shè)計的起始階段就能夠發(fā)現(xiàn)方案設(shè)計和參數(shù)計算的重大錯誤，在產(chǎn)品開發(fā)過程中，輔之以精確的建模和仿真，可以替代大量的實際調(diào)試工作，節(jié)約可觀的人力和物力投入，極大的提高開發(fā)效率。Saber仿真軟件是一個功能非常強大的電路仿真軟件，尤其適合應(yīng)用在開關(guān)電源領(lǐng)域的時域和頻域仿真。但由于國內(nèi)的學(xué)術(shù)機構(gòu)和公司不太重視仿真應(yīng)用，所以相關(guān)的研究較少，沒有形成系統(tǒng)化的文檔體系，這給想學(xué)習(xí)仿真軟件應(yīng)用的工程師造成了許多的困擾，始終在門外徘徊而不得入。本人從事4年多的開關(guān)電源研發(fā)工作，對仿真軟件從一開

2、始的茫然無知，到一個人的苦苦探索，幾年下來也不過是了解皮毛而已，深感個人力量的渺小，希望以這篇文章為引子，能夠激發(fā)大家的興趣，積聚眾人的智慧，使得我們能夠?qū)aber仿真軟件有全新的認(rèn)識和理解，能夠在開發(fā)工作中更加熟練的使用它，提高我們的開發(fā)效率。下面僅以簡單的實例，介紹一下saber的基本應(yīng)用，供初學(xué)者參考。在saber安裝完成之后，點擊進(jìn)入saber sketch，然后選擇file newschematic，進(jìn)入原理圖繪制畫面，如下圖所示：在進(jìn)入原理圖繪制界面之后，可以按照我們自己的需要來繪制電路原理圖。首先，我們來繪制一個簡單的三極管共發(fā)射極電路。第一步，添加元器件，在空白處點擊鼠標(biāo)右鍵

3、菜單get partpart gallery 有兩個選擇器件的方法，上面的左圖是search畫面，可以在搜索框中鍵入關(guān)鍵字來檢索，右圖是borwse畫面，可以在相關(guān)的文件目錄下查找自己需要的器件。通常情況下，選擇search方式更為快捷，根據(jù)關(guān)鍵字可以快速定位到自己想要的器件。如下圖所示，輸入雙極型晶體管的縮寫bjt，回車確定，列表中顯示所有含有關(guān)鍵字bjt的器件，我們選擇第三個選擇項，這是一個理想的NPN型三極管，雙擊之后，在原理圖中就添加了該器件。依照此方法，我們先后輸入voltage source查找電壓源，并選擇voltage source general purpose添加到原理圖。

4、輸入resistor，選擇resistorI添加到原理圖（添加2個）。輸入GND，選擇ground（saber node 0）添加到原理圖，ground（saber node 0）是必須的，否則saber仿真將因為沒有參考地而無法進(jìn)行。添加完器件之后，用鼠標(biāo)左鍵拖動每個器件，合理布置位置，鼠標(biāo)左鍵雙擊該器件，即可修改必要的參數(shù)，在本示例中，僅需要修改電壓源的電壓，電阻的阻值，其他的都不需修改。然后按下鍵盤的W鍵，光標(biāo)變成了一個十字星，即表示可繪制wire（連線），將所有的器件連接起來。如下圖所示：其中電壓源為12V，基極電阻為10k，集電極電阻為1k，共發(fā)射極連接。選擇分析方法，由于這是一個大

5、信號系統(tǒng)，我們尋找的是一個靜態(tài)直流工作點，因此我們選擇下圖所示的DC operating point，將basic中的display after analysis項選擇Yes，完成后點擊OK。直流工作點仿真結(jié)果如下：三極管的基極電壓為0.8422V，集電極電壓為0.06869V，即深度飽和時，Vbe約為0.84V，Vce約為0.069V。還有一種更為直觀的方法，如同示波器一樣觀測每個節(jié)點的電壓波形，如下圖所示：選擇分析圖標(biāo)欄的第五項operating point / transient，彈出窗口，進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。在上圖中的basic欄中，End Time指的是仿真結(jié)束的時間，這個時間指的是電路運

6、行的時間跨度，而不是仿真軟件工作的時間，在本示例中，由于在系統(tǒng)中沒有時變量和電容器，所以選擇1us就足夠了，默認(rèn)單位為s，所以輸入1u。Time Step指的是仿真軟件計算步進(jìn)，即從這個工作點到下一個工作點的時間跨度，在本示例中，由于沒有瞬變量，選擇100ns就可以了，輸入100n。Monitor Progress采用默認(rèn)設(shè)置，Plot Analysis選擇下拉框中的Yes-replace Plot，表示每一次仿真之后，所有的仿真結(jié)果都更新為最新值。 在上圖中，input/output一欄里，waveform at pins選擇下拉框中的Across and Through Variables

7、，表示仿真結(jié)果同時含有電壓和電流值，這樣你既可以看電壓波形，也可以看電流波形。在右圖的Transient選項欄里，Data File的輸入框中輸入 _ ，即下劃線，表示仿真結(jié)果不以文件的形式輸出（只保存在虛擬內(nèi)存中），一旦關(guān)閉仿真軟件，仿真結(jié)果將會丟失。記住，這里一定要輸入下劃線，否則你的硬盤很容易被仿真結(jié)果文件填滿，一個小的仿真結(jié)果文件都有幾百M，稍大一點的都有幾個G，還是節(jié)省一點吧，不要以文件形式保存在硬盤中了。還需要設(shè)置integration control欄中的Max Time Step和Min Time Step選項，這兩個會影響仿真的速度，一個是最大步進(jìn)，一個是最小步進(jìn)，仿真的步進(jìn)

8、將在這兩個值之間，這兩個值取的越大，仿真軟件的運行速度越快，但同樣的會降低仿真的精度，導(dǎo)致結(jié)果可能失真。同時，有一點必須注意，Min Time Step必須小于Basic中設(shè)置的Time Step，否則仿真軟件會因為錯誤而終止仿真進(jìn)程。在本示例中，我們選擇Max Time Step為200ns，Min Time Step為99ns（小于Time Step設(shè)定的100ns）。以上參數(shù)設(shè)置完成之后，其他參數(shù)均保持默認(rèn)值，點擊OK，saber會運行仿真進(jìn)程。仿真結(jié)束之后，程序會打開cosmoscope界面，讓我們可以觀察所有節(jié)點的電壓和電流波形。如上圖所示，在cosmoscope界面里，有兩個對話框

9、，第一個是signal manager，其中顯示所有可供選擇的仿真結(jié)果文件，此文件保存在虛擬內(nèi)存中，軟件關(guān)閉后即丟失。第二個對話框顯示所選中的仿真結(jié)果文件中所有可供觀察的節(jié)點，我們點擊三極管q_3p.q_3p1的可選項，選擇b和c，即基極b和集電極c的電壓，分別雙擊，其波形顯示如下：選擇測量選項，分別測得Vc為0.06869V，Vb為0.8422V，與DC operating point中分析的結(jié)果一致。以上是一個簡單的示例，下面我們再仿真一個稍微復(fù)雜一點的電路，用TL431和三極管共同構(gòu)成的一個線性直流穩(wěn)壓電源，如下圖所示：添加TL431的方法與上面添加其他器件的一樣，在空白處點擊鼠標(biāo)右鍵g

10、et partparts gallery，然后輸入tl431進(jìn)行關(guān)鍵字檢索，在搜索到的器件列表中選擇tl431c，雙擊添加到原理圖中。這里還有兩個簡單的原理圖繪制技巧，如果想添加某個器件，原理圖中已有類似器件，比如說電阻，那么不必再去檢索了，鼠標(biāo)左鍵單擊已有的電阻，這時器件顏色為綠色，表示已選中，然后用ctrl+C復(fù)制，鼠標(biāo)左鍵再點擊空白處，鍵盤ctrl+V粘貼，器件就添加完成了，修改其參數(shù)即可。第二個就是旋轉(zhuǎn)器件的角度，鼠標(biāo)左鍵點擊選中器件，鼠標(biāo)右鍵點擊彈出菜單欄，其中的rotate選項可以按照角度旋轉(zhuǎn)器件，flip選項可以上下或左右翻轉(zhuǎn)器件。在本示例中，我們想做一個10V 0.5A的線性電

11、源。輸入電壓12V，用TL431來控制輸出電壓值，反饋比例為1k/（1k+3k）=1/4，輸出電壓即為2.5V*4=10V，負(fù)載電阻為20，輸出電流為10V/20=0.5A，假定三極管的Vbe為0.8V，那么TL431陰極電壓為10V+0.8V=10.8V，TL431的工作電流在1mA100mA之間，這里我們選擇三極管集電極和基極之間的跨接電阻為50，則流過該電阻的電流為（12V-10.8V）/50=24mA，假定三極管的放大倍數(shù)為100，那么流入三極管基極的電流為5mA，流入TL431陰極的電流為19mA，滿足TL431工作電流的取值范圍。首先來看一下DC operating point的分

12、析結(jié)果：n_9即為輸出電壓，其值為9.998V，與我們設(shè)計的10V輸出電壓吻合。接下來用operating point / transient來看一下各節(jié)點的電壓波形：以上波形基本上與設(shè)計值一致。通過這個簡單的例子，我們用幾分鐘的時間來仿真，可以替代幾個小時的電路板焊接和調(diào)試的工作，是不是可以節(jié)約很多的時間呢？接下來，我們的仿真工作要進(jìn)入開關(guān)電源的領(lǐng)域了，先從最簡單的BUCK電路開始吧，腦子里面不能立即勾畫出BUCK電路的請舉手，您可以從大學(xué)一年級重新開始學(xué)習(xí)啦。仿真之前，先做簡單的設(shè)定和計算：輸入電壓20V，輸出電壓10V，那么穩(wěn)態(tài)占空比是0.5。輸出電流10A，那么負(fù)載電阻是1。設(shè)定電流紋

13、波系數(shù)為0.4，紋波電流峰峰值為10A*0.4=4A。設(shè)定開關(guān)頻率為100kHz，開關(guān)周期為10us，那么電感量為：L=（20V-10V）*（10us*0.5）/4A=12.5uH。電容根據(jù)經(jīng)驗值取100uF，電容的大小將決定輸出電壓紋波的大小，取的大一點，輸出電壓紋波小一點，大家可以自由選取，觀察輸出電壓紋波的大小。仿真的優(yōu)點就是你可以隨心所欲的選取你的參數(shù)，來觀察不同的仿真結(jié)果，而不用勞心勞力的去焊板子調(diào)試，示波器觀測。參數(shù)計算完成之后，下面要在saber中添加元器件，繪制原理圖了：首先，我們要添加一個開關(guān)管，你可以添加一個真實的MOSFET，也可以用一個模擬開關(guān)替代，由于本示例僅僅是驗證

14、BUCK電路的原理，所以選擇了模擬開關(guān)。在search檢索欄中輸入關(guān)鍵字switch確認(rèn)，在檢索結(jié)果中選擇switch，analog SPST w/logic Enbl，雙擊添加到原理圖中。 在原理圖中雙擊該器件，打開屬性欄，需要設(shè)置一些關(guān)鍵參數(shù)，ron即開關(guān)導(dǎo)通時的阻抗，此處保持默認(rèn)值0.001，roof即開關(guān)管關(guān)閉時的阻抗，此處保持默認(rèn)值1meg（1兆歐），如果你想改變導(dǎo)通和關(guān)斷阻抗也是可以的，還是那句話，隨心所欲。ton和toff是兩個關(guān)鍵參數(shù)，即開關(guān)管的開通時間和關(guān)斷時間，表示開關(guān)管的開關(guān)速度，理論上我們希望開關(guān)速度越快越好，比如你可以設(shè)置為1ns（注意，必須大于0，所以不能設(shè)置為0）

15、，但是這兩個值影響到saber仿真的時間步進(jìn)，即saber仿真參數(shù)中的Min Time Step必須小于ron和roff，否則仿真進(jìn)程會因為錯誤而無法進(jìn)行。所以如果ron和roff設(shè)置的太小，仿真參數(shù)中的Min Time Step也必須設(shè)置很小，導(dǎo)致仿真速度很慢，需要等待很長時間才能結(jié)束仿真進(jìn)程，尤其是在大型的系統(tǒng)仿真中，由于電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，元器件多，saber的計算量很大，如果時間步進(jìn)再設(shè)置的很小，可能需要幾十分鐘的時間來仿真一個幾十毫秒的仿真進(jìn)程。當(dāng)然，您也可以泡一杯咖啡或一杯茶，悠閑的等待。在本示例中，為了節(jié)約時間，設(shè)置ron和roff為100ns。添加了開關(guān)管之后，還需要添加一個驅(qū)動信號

16、，由于我們使用的模擬開關(guān)是邏輯使能的，所以需要一個邏輯時鐘信號來驅(qū)動它。在器件搜索欄中輸入logic clock，雙擊搜索結(jié)果，添加到原理圖中。然后再雙擊原理圖中的器件，打開屬性欄設(shè)置參數(shù)，有兩個關(guān)鍵參數(shù)，一個是freq，即頻率，此處輸入100k，默認(rèn)單位是Hz，所以不需要畫蛇添足的輸入單位。此處再說明一下，saber的參數(shù)設(shè)置中，所有的參數(shù)都是有默認(rèn)單位的，頻率是Hz，時間是s，電壓是V，電流是A，功率是W，以此類推，并不需要我們輸入單位符號。第二個參數(shù)是duty，即占空比，此處輸入0.5。接下來，依次添加電感（關(guān)鍵字inductor搜索），電容（關(guān)鍵字capacitor搜索），二極管（關(guān)鍵

17、字diode搜索）到原理圖中，diode檢索后選擇diode，ideal，即理想二極管。添加完成之后，修改必要的參數(shù)，電感修改參數(shù)欄的l值，輸入12.5u，電容修改參數(shù)欄的c值，輸入100u，二極管修改參數(shù)欄的Von值，輸入0.3V（肖特基二極管的導(dǎo)通壓降）。負(fù)載電阻的rnom值修改為1。所有器件參數(shù)設(shè)置完成，進(jìn)行仿真參數(shù)設(shè)置，如下：為什么要仿真10ms？是因為我們的開環(huán)電路，一開始就是0.5的占空比，電感電流為0，電容電壓為0，會有一個震蕩的過程，直到達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。在這里我們希望看到的是穩(wěn)態(tài)值，而不是震蕩的過程，所以仿真進(jìn)程設(shè)置10ms，以使時間長度足夠觀測到穩(wěn)態(tài)值。仿真結(jié)果如上圖所示，在經(jīng)過

18、1ms左右的震蕩之后，電壓和電流逐漸達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，輸出電壓為9.87V，與我們計算的10V有些誤差，為何？因為在我們的電路中開關(guān)管有導(dǎo)通阻抗，二極管有導(dǎo)通壓降，這是在計算時沒有考慮的，所以仿真結(jié)果與計算值有些出入。在上圖所示的時間軸上，如紅色標(biāo)記所示，鼠標(biāo)左鍵按住不放，向右移動一段距離后松開，即可把此段時間內(nèi)的波形展開： 同樣的方式繼續(xù)展開時間軸，直到能夠看到完整清晰的電感電流波形和電容電壓波形，如下圖所示：測量結(jié)果顯示，電容電壓紋波為0.05V，電感電流紋波為4.06A。如何進(jìn)行精確的測量？如上圖所示，在Tool中選擇measurement tool，彈出菜單，點擊measurement右邊的可選框，彈出下拉菜單，選擇levels中的peak to peak，即