手机电源的容差及仿真研究

摘要:在电子电路设计当中,实际元件的参数和标称值存在误差,而且这些实际参数呈现统计分布特点,通常是正态分布。而了解这种统计特性对电路实际输出影响程度就是容差分析. 容差分析就是通过对X统计特性分布对Y的影响的手法估算所有可能出现的情况,利用已知的元器件参数的随机分布规律去计算电路输出特性的统计分布规律。蒙特卡罗分析是容差分析的一种具体方法。

蒙特卡罗方法是容查分析方法的一种,被大量应用于电路防真分析。蒙特卡罗方法的本质思想是假定所研究问题是若干已知概率分布的随机变量的函数,并据此建立一个数学模型;对随机变量进行反复抽样,并根据模型计算每次抽样下的相关统计量,当抽样足够大的时候,统计量的平均值可作为问题的近似解,而解的可能覆盖范围可用统计量的标准偏差来计算。

关键词:电源可靠性容差分析仿真

容差分析实例:

以下以一车载电源为例,展开蒙特卡罗分析,蒙特卡罗分析是容差分析的一种具体方法。

如图是由LM317等构成的充电器电路。它是采用LM317的恒流充电电路,其输入电压Ui为+17～+30V,输出电压U。最大为13.8V,电流为1A。输出电压与被充电电池的充电终止电压一致,由分压电阻R1和R2进行设定。用R6检测输出电流,再通过Q1和Q2自动调整LM317使其输出电压与电池端子电压一致,输出约0.35A的恒定电流。R6阻值可按下式确定,即R6=UBE/1A=0.7V/0.35A≈2Ω,电路中选用2Ω。

对于电源电路,输出电压的稳定值是电路设计最为关心的指标。输出电压的稳定值由R1和R2电阻所决定,因此对R1和R2两个参数进行分析,他们实际电路取值为240Ω和1.9KΩ,选择电阻精度为1%,输出电压要求为5.0V +/-0.2。如果电阻R1和R2公差精度等级由1%放宽到5%,输出电压要求仍然为5.0V +/-0.2。

根据传统电路设计经验,无法对电路参数和稳定性之间的影响做定量的分析,因此工程师一般就采用低公差高稳定性的高成本元器件,虽然对性能没有影响,稳定性也有所保证,但是元器件成本较高,这样做势必造成产品成本提高,制造困难。

蒙特卡罗分析利用一种统计分析方法,分析电路元件的参数在一定数值范围内在按照指定的误差分布变化时对电路特性的影响。对电路进行蒙特卡罗分析时,一般要进行多次仿真分析。首先按电路元件标称值进行仿真,然后在电路元件参数标称值基础上加减一个δ值进行仿真分析,所去的值取决于所选择的δ概率分布类型。

蒙特卡罗参数仿真器参数设置主要有以下几个部分:

1、蒙特卡罗分析次数。最小值必须大于等于2

2、模型参数公差设置。即选择公差范围百分比

3、输出节点选择

Multisim 软件在蒙特卡罗性能参数设置:电阻R1和R2为电路中需要进行蒙特卡罗仿真的双参数,电阻值分别为240Ω和1.9KΩ。本例仅以选择电阻精度等级角度(精度等级由1%放宽到5%)来说明Multisim 仿真方法在定量进行容差分析中的蒙特卡罗分析中的应用。蒙特卡罗分析精度与仿真次数(抽样次数)直接相关,抽样次数直接在“分析参数”中按照需要设定。假设本例中30次已经能够满足统计精度要求,则在运行次数中设定30次.在对该电路仿真前同时按照要求设定公差,此例中电阻R1和R2公差设置为5%。

输出波形是仿真后得到的30条输出电压响应曲线,如图(Car Power Supplier Monte Carlo Analysis)所示。

根据图示蒙特卡罗分析,可以得出:基于Multisim仿真方法,对电路参数进行定量分析,证明该电路电阻R1和R2公差精度等级由1%放宽到5%完全能够满足系统工作的要求。

结论:

容差分析作为电路系统可靠性设计与分析的一个重要环节,提供了同时研究多个变量对一个输出变量的效应的方法。这些实验有一系列运行或检验组成,其中对输入变量进行有目的更改,并在每次运行后收集数据。特别是在开发阶段通过防真软件(Saber, Multisim)的容差分析技术和方法的应用研究,可以实现在电路设计阶段中对元器件公差选择和最终电路的输出特性分布做出预测,并得到批量生产时产品的系统性能可靠性以及电路参数变化对系统性能的影响,由此为电路可靠性设计和研究提供了一种有效的方法。

参考文献:

[1]熊伟、侯传教、梁青、孟涛. 电路设计及仿真应用. 清华大学出版社.

[2]刘维、沈颂华、骆明珠. 航空电源系统的容差分析及仿真研究. 测控技术, 2007年8月26卷 第6期.

本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文