Saber电源仿真基础篇讲课讲稿.docx

1、Saber电源仿真基础篇讲课讲稿Saber电源仿真一一基础篇电路仿真作为电路计算的必要补充和论证手段，在工程应用中起着越来越重要的作用。熟练地使用仿真工具，在设计的起始阶段就能够发现方案设计和参数计算的重大错误， 在产品开发过程中，辅之以精确的建模和仿真， 可以替代大量的实际调试工作， 节约可观的人力和物力投入，极大的提高开发效率。Saber仿真软件是一个功能非常强大的电路仿真软件，尤其适合应用在开关电源领域的 时域和频域仿真。但由于国内的学术机构和公司不太重视仿真应用，所以相关的研究较少， 没有形成系统化的文档体系， 这给想学习仿真软件应用的工程师造成了许多的困扰， 始终在门外徘徊而不得入。

2、本人从事4年多的开关电源研发工作， 对仿真软件从一开始的茫然无知， 到一个人的苦苦探索，几年下来也不过是了解皮毛而已，深感个人力量的渺小，希望以这篇文章为引子， 能够激发大家的兴趣，积聚众人的智慧，使得我们能够对 saber仿真软件有全新的认识和理解，能够在开发工作中更加熟练的使用它，提高我们的开发效率。下面仅以简单的实例，介绍一下 saber的基本应用，供初学者参考。在saber安装完成之后，点击进入 saber sketch，然后选择file new schematic，进入原理图绘制画面，如下图所示：在进入原理图绘制界面之后， 可以按照我们自己的需要来绘制电路原理图。 首先，我们来绘制一

3、个简单的三极管共发射极电路。第一步，添加元器件，在空白处点击鼠标右键菜单 get part part gallery*JQ Chdr-actenzEd Fdits Libi-aries SO CommunicalicnWCl ContBol Sjysrems btllZZ DC (InlegriSAEd-CiiEuil l SO MAST Parl LbrRoww SystemlO VHDL AMS Paks Lflknaiy SO iQB舖 PlaWb有两个选择器件的方法，上面的左图是 search画面，可以在搜索框中键入关键字来检索,右图是borwse画面，可以在相关的文件目录下查找自己需

4、要的器件。通常情况下，选择 search方式更为快捷，根据关键字可以快速定位到自己想要的器件。如下图所示，输入双极型晶体管的缩写 bjt，回车确定，列表中显示所有含有关键字 bjt的器件，我们选择第三个选择项，这是一个理想的 NPN型三极管，双击之后，在原理图中就添加了该器件。FaisFmjTd. i3CUTElJTEL.IT. 3phNPW. TiflrWlJr &J1, J pn M輿科i草 AhP. 诃澤BJT, 4 ph NFT1. T r-anskta BJT.iprifflP.JimMsIcrBJT. 4 ph h/Ejkspf? Phsw HMM. Tsflntister B-J

5、T. 4 sn R/Ewt FWP. TlWSnlW QjTa 4pnH/rduetwNAH. Tivuiiila BJT4 ph h/rductanH： RNP. Transtsla WIT. MIOJM 21 NPN 了血.w Substte BJT.HICUN Z1 MPtJ. 3. no Sube.勺 BJT.HICUW 21 HFN. *5 8JT.HlCUHI21 WPIJ.BJT, HICtlM 21 PHP. |Ni. no Sdisli eaiiObieclSb-rgHtehC-crtrnngSiemse $依照此方法，我们先后输入 voltage source查找电压源，并

6、选择 voltage source general purpose 添加到原理图。输入 resistor，选择resistorl添加到原理图(添加 2个)。输入GND，选择 ground ( saber node 0)添加到原理图， ground (saber node 0)是必须的，否则 saber仿真将 因为没有参考地而无法进行。添加完器件之后，用鼠标左键拖动每个器件， 合理布置位置，鼠标左键双击该器件，即可修改必要的参数，在本示例中，仅需要修改电压源的电压，电阻的阻值，其他的都不需修改。然后按下键盘的 W键，光标变成了一个十字星，即表示可绘制 wire (连线)，将所有的器件连接起来。如

7、下图所示：选择分析方法，由于这是一个大信号系统， 我们寻找的是一个静态直流工作点， 因此我们选1R贰住血烛阻e.择下图所示的 DC operating point，将basic中的display after analysis项选择 Yes，完成后点 击OK。直流工作点仿真结果如下: -： andiB a-：- 岡 B=n -idot LtKa1-a.oiiSMn 1.un 3O.EI422n斗O-.D4BS9i(_3p.(l_JpL/c；pg.QWEBLJ1 A 心 pl/邮D電3卩电?pL/9旳DD诫挣空嶽聲 . 團1曲XI痢创旳舷圉耳 日-N口 ILepeit Tools rpt三极管的基

8、极电压为 0.8422V，集电极电压为 0.06869V，即深度饱和时， Vbe约为0.84V，Vce 约为 0.069V。还有一种更为直观的方法，如同示波器一样观测每个节点的电压波形，如下图所示:选择分析图标栏的第五项 operating point / transient，弹出窗口，进行参数设定。在上图中的basic栏中，End Time指的是仿真结束的时间，这个时间指的是电路运行的时间跨度，而不 是仿真软件工作的时间，在本示例中，由于在系统中没有时变量和电容器，所以选择 1us就足够了，默认单位为 s,所以输入1u。Time Step指的是仿真软件计算步进，即从这个工作点到下一个工作点的

9、时间跨度，在本示例中，由于没有瞬变量，选择 100ns就可以了，输喇屬曲 川略創羽列砂砖 钟* 擱BariDC EM伽 Fife i&CEndRw*Rffe hw（X：血側* :欧J.卜EimfrlMnlC4ndbomget part partsgallery，然后输入tl431进行关键字检索，在搜索到的器件列表中选择 tl431c,双击添加到原理图中。这里还有两个简单的原理图绘制技巧， 如果想添加某个器件， 原理图中已有类似器件， 比如说电阻，那么不必再去检索了， 鼠标左键单击已有的电阻，这时器件颜色为绿色， 表示已选中，然后用ctrl+C复制，鼠标左键再点击空白处，键盘 ctrl+V粘贴，

10、器件就添加完成了，修改其参数即可。第二个就是旋转器件的角度， 鼠标左键点击选中器件， 鼠标右键点击弹出菜单栏，其中的rotate选项可以按照角度旋转器件， flip选项可以上下或左右翻转器件。在本示例中，我们想做一个 10V 0.5A的线性电源。输入电压12V，用TL431来控制输出电压值，反馈比例为 1k/ ( 1k+3k) =1/4，输出电压即为2.5V*4=10V ,负载电阻为20Q,输出电流为10V/20 Q=0.5A ,假定三极管的 Vbe为0.8V , 那么TL431阴极电压为10V+0.8V=10.8V , TL431的工作电流在1mA100mA之间，这里我 们选择三极管集电极和

11、基极之间的跨接电阻为 50 Q，则流过该电阻的电流为(12V-10.8V )/50 Q=24mA ,假定三极管的放大倍数为 100,那么流入三极管基极的电流为 5mA ,流入TL431阴极的电流为19mA，满足TL431工作电流的取值范围。以上波形基本上与设计值一致。 通过这个简单的例子， 我们用几分钟的时间来仿真， 可以替代几个小时的电路板焊接和调试的工作，是不是可以节约很多的时间呢？接下来，我们的仿真工作要进入开关电源的领域了，先从最简单的 BUCK电路开始吧，脑子里面不能立即勾画出 BUCK电路的请举手，您可以从大学一年级重新开始学习啦。仿真之前，先做简单的设定和计算：输入电压20V，输

12、出电压10V，那么稳态占空比是 0.5。输出电流10A，那么负载电阻是1QO设定电流纹波系数为 0.4,纹波电流峰峰值为 10A*0.4=4A o设定开关频率为100kHz，开关周期为10us，那么电感量为：L= (20V-10V ) * (10us*0.5 ) /4A=12.5uH。电容根据经验值取100uF,电容的大小将决定输出电压纹波的大小，取的大一点，输出电压 纹波小一点，大家可以自由选取， 观察输出电压纹波的大小。 仿真的优点就是你可以随心所欲的选取你的参数，来观察不同的仿真结果，而不用劳心劳力的去焊板子调试，示波器观测。首先，我们要添加一个开关管，你可以添加一个真实的 MOSFET

13、，也可以用一个模拟开关替代，由于本示例仅仅是验证 BUCK电路的原理，所以选择了模拟开关。在 search检索栏中输入关键字 switch确认，在检索结果中选择 switch， analog SPST w/logic Enbl，双击添加20pimArvE|Hew Pr中eilyQuaiiiei.朗v Quafilisrl4CanedEdit At tri Lutes KelpgwswIjHJ_ligild到原理图中。pwichP#ti Fowd 625Drrwfl. THtHeL 2 Ftt Hj5 JSwridiDihnei. ThHd.Switch Di. TrareWionsI5wkh

14、Dri徊 Tr-arNjonaJ CnrwilBr / Tiani 5 曲ch. DC| Lu left 匚Dftroled Swikh.fDEIlSPKESwkh.IVCjiSPKrSwitch. 2 Pdt Cmhs 创 ig$wfch.3pgSwrich. FulAnog otlage Cartrc4d5 Xc扎 I伽 讷CofMKMSwitch.FET Ardog 佔Z Sv*h RwdTflwSwWi. FMocie SequshctPmi5wh. Psjwe Cu-cmioMSwrich. Pspcp cumpsi fete- Vofc-coniidle d 2J 在原理图中双击该

15、器件，打开属性栏，需要设置一些关键参数， ron即开关导通时的阻抗，此处保持默认值 0.001 Q, roof即开关管关闭时的阻抗，此处保持默认值 1meg Q （1兆欧）,如果你想改变导通和关断阻抗也是可以的，还是那句话，随心所欲。 ton和toff是两个关键参数，即开关管的开通时间和关断时间， 表示开关管的开关速度，理论上我们希望开关速度越快越好，比如你可以设置为 1ns （注意，必须大于 0，所以不能设置为 0）,但是这两个值影响到saber仿真的时间步进，即 saber仿真参数中的 Min Time Step必须小于ron和roff, 否则仿真进程会因为错误而无法进行。所以如果 ron

16、和roff设置的太小，仿真参数中的 MinTime Step也必须设置很小，导致仿真速度很慢，需要等待很长时间才能结束仿真进程，尤 其是在大型的系统仿真中，由于电路结构复杂，元器件多， saber的计算量很大，如果时间步进再设置的很小， 可能需要几十分钟的时间来仿真一个几十毫秒的仿真进程。 当然，您也可以泡一杯咖啡或一杯茶，悠闲的等待。在本示例中，为了节约时间，设置 ron和roff为100ns。添加了开关管之后， 还需要添加一个驱动信号， 由于我们使用的模拟开关是逻辑使能的,cfotk kli刖即!：| .Foed |Tim jSjmeStMdSwps i伽刚 |140Mm T neHekM

17、nHh Th* Siap j&R 止 bob Hcijraifl： MoirtvguiiQnjGfrw TrapPtaAAw*如c rat - Repixe PWs jJIntagirim Onhi 注为什么要仿真10ms？是因为我们的开环电路， 一开始就是0.5的占空比，电感电流为0,电容电压为0,会有一个震荡的过程，直到达到稳态值。10ms，以使时间在这里我们希望看到的是稳态值，而不是震荡的过程，所以仿真进程设置长度足够观测到稳态值。 Its)仿真结果如上图所示，在经过 1ms左右的震荡之后，电压和电流逐渐达到稳态值，输出电 压为9.87V，与我们计算的10V有些误差，为何？因为在我们的电

18、路中开关管有导通阻抗， 二极管有导通压降，这是在计算时没有考虑的，所以仿真结果与计算值有些出入。在上图所示的时间轴上，如红色标记所示，鼠标左键按住不放，向右移动一段距离后松开, 即可把此段时间内的波形展开:如下同样的方式继续展开时间轴， 直到能够看到完整清晰的电感电流波形和电容电压波形,图所示：IFTkI5 2Bm5 2DmPK2PK: D 0504 DE测量结果显示，电容电压纹波为 0.05V，电感电流纹波为 4.06A。如何进行精确的测量?如上图所示，在Tool中选择 measurement tool,弹出菜单，点击 measurement右边的可选框， 弹出下拉菜单，选择levels中的

19、peak to peak，即可测量峰峰值，同时可以看到菜单中的选 项非常丰富，跟示波器的使用方法类似， 可测量最大值，最小值，峰峰值，平均值等，在timedomain选项中还可以测量各种跟时间相关的量。至此，一个 BUCK电路的开环仿真就完成了，你也可以尝试仿真 BOOST, BUCK-BOOST等电路的开环仿真，用几分钟的时间，完成了一个电路的仿真， 看到了和示波器中一样的电压或电流波形，效果是多么的美妙啊。大部分的调试工作都是可以通过仿真来替代的。 大部分的设计工作都是可以通过仿真来验证合理性和可行性的， 一旦您掌握了仿真的方法，并能够熟练的使用，你将终生受益，你可以 摆脱大多数低效的调试

20、工作，可以节约大量的时间和精力，可以直观的看到你的设计结果， 而不仅仅是计算书中的计算公式和枯燥的数字。当你有一个对于电路的新的想法和思路， 如果你要验证它，你可能要花费几天甚至几个月的时间去准备器件，焊板子，调试，直到获得结果。可是如果你用仿真的方法，也许几分钟就 搞定了，并且通过更改电路和参数，许多灵感就会迸发出来。对于很多无法通过精确计算来推算的电路， 我们通过仿真就可以获得精确的结果， 这对于非线性系统的解决方案而言，真是事半功倍啊，为什么要去求解复杂的矩阵方程？我需要的仅 仅是结果而已，过程的推导留给大学老师吧。 仿真可以让我们从复杂的计算中解脱出来， 随心所欲的更改电路参数， 然后获得直观的结果， 当你掌握诀窍的时候， 你可以让自己的开发 效率提高十倍！