基于Saber库仿真的数字可调脉冲电源设计

摘 要为缩短某型射频开关供电电源研制周期，节约开发费用，在Saber仿真软件中搭建了数字可调脉冲电源仿真模型。采用saber库中较为精确的元器件模型建立了脉冲电源电路，并以相同参数的元器件设计了实验样机，验证了满载情况下不同频率和宽度的脉冲电压。仿真和样机实验结果表明：脉冲电压的调节分辨率小于0.1V，上升和下降沿小于45us，完全满足某型射频开关供电电源的性能指标。

【关键词】Saber软件 脉冲电源 射频开关

Saber是美国Analogy公司开发现由 Synopsys公司经营的系统仿真软件，为复杂的混合信号设计与验证提供了一个功能强大的混合信号仿真器，兼容模拟、数字、控制量的混合仿真，现已成为混合信号、混合技术设计和验证工具的业界标准，可用于不同类型系统构成的混合系统仿真，与其他电路仿真软件相比，其具有更丰富的元件库和更精确的仿真描述能力，仿真真实性更好，便于分析产品设计可能遇到的问题，对于降低开发费用、缩短开发周期等十分有用。

射频开关是射频通信中常用的链路切换器件，其频率范围从DC到40GHz可以做到全覆盖，除了其射频性能以外，驱动方式及其性能也是其重要指标之一；在进货检验或初次使用时，都要对其做一个全面的考核；为了精确测量评估射频开关驱动性能，要求提供脉冲电压幅度、宽度和频率可调的精密脉冲电源；本文提出了一种用于射频开关驱动性能测量评估的高精度数字可调脉冲电源的解决方案，并把利用saber软件的仿真参数移植到脉冲电源样机设计，实验结果达到了预期效果。

1 脉冲电源技术指标

本文介绍的用于射频开关供电的数字可调脉冲电源的主要设计指标：

输入电压：AC（220±10%）V /（50±10%）Hz；

脉冲输出电压范围： 0V～35V；

脉冲输出电压调节分辨率：0.1V；

脉冲输出电压纹波：≤50mV；

脉冲输出电流：≤450mA；

脉冲电压频率：0Hz～1kHz；

脉冲电压上升/下降延迟时间：≤45?s。

2 脉冲电源解决方案

自高频开关电源问世以来，已在电子、通信、电气、能源、航空航天、军事以及家电等领域作为解决方案广泛应用，并随着电力电子器件的不断发展，高频开关电源以效率高、体积小和快速响应等特点逐步取代了线性电源，但在某些对直流电压纹波要求极高的场合，线性电源以低纹波、电磁干扰小等特点具有很大优势。

由于脉冲电源输出电压纹波要求高，为满足设计指标要求，本文采取了线性电源和微控制器方案来实现。原理框图见图1所示。

从图1可以看出，脉冲电源按照线形电源原理设计，其工作原理为：首先PC机下发脉冲电压幅值和脉冲宽度，MCU接收到控制指令后，根据脉冲电压幅值选择变压器匝比，为三端稳压芯片提供合适的输入电压（5-40V），同时下发脉冲电压幅值指令给D/A芯片，D/A输出电压与三端稳压芯片输出端反馈电压通过运放比较，从而驱动三极管来调节线形稳压器LDO（LM317HV）调整端，形成闭环控制回路使线性LDO稳压器的输出电压达到PC机下设的脉冲电压幅值。其次MCU根据PC机设置的脉冲宽度控制PWM口驱动NMOS管，输出满足射频开关要求的脉冲电压幅值和宽度。

3 仿真模型搭建

Saber软件中具有很大的通用模型库和较为精确的具体信号器件模型，本系统依据脉冲电源解决方案，在Saber中选择方案中具体选型器件搭建仿真模型，仿真器件如表1所示。

3.1 仿真模型搭建

按照设计解决方案，利用saber软件搭建了仿真模型，如图2所示：主要包括LM317HV输出电压调节电路、NOMS管浮地驱动电路、输出电压采样电路和闭环控制器三部分。

3.2 LM317HV输出电压计算、D/A选择以及反馈电阻计算

电压输出模块主要采用 LM317HV 芯片完成转换输出。由于LM317HV芯片的输入电压一般要比输出电压高3V（即有3V的压降），输出端的最小电压为1.25V，为了使脉冲电源能输出0-35V电压，要求其输入Vin接 40V 的电压，同时把LM317HV芯片的ADJ 端口引入闭环反馈环路，通过D/A转换器芯片的输出电压Vda与反馈采样电压进行比较，使LM317HV的输出端电压降为0V。输出电压取决于闭环回路中三极管Q1集电极电压Vc，计算公式为：Vdc=1.25+Vc。详细电路如图3所示。

由于本设计输出的电压为0V 到35V 之间，步进电压为0.1V，为了保证调节精度，选用5V/12位DAC7802作为基准参考，考虑噪声干扰因素，按照10位的有效精度考核，最小分辨率为0.00244V，即满足系统0.1V调节精度要求，反馈电阻精度0.01%，当R1采用1.8欧时，R2=6R1，即R2为10.8欧，满足脉冲输出35V电压要求。

3.3 仿真和样机实验结果

本文针对额定电压为12V/450mA的射频开关，对输出0.1V和12V的仿真结果和样机实验结果进行了对比。

图4为仿真输出0.1V/100ms脉冲电压，脉冲幅值为0.10025V，上升沿为12.175us，下降沿为8.4626us，脉冲宽度为0.099986s。

图5为样机实验输出0.1V/100ms脉冲电压，脉冲幅值为0.09725V，上升沿为31.2us，下降沿为26.9us，脉冲宽度为0.09999s。

图6为仿真输出12V/100ms脉冲电压，脉冲幅值为11.99V，上升沿6.0126us，下降沿为4.8586us，脉冲宽度为0.099988s。

图7为样机实验输出12V/100ms脉冲电压，脉冲幅值为11.99V，上升沿为43.93us，下降沿为42.13us，脉冲宽度为0.1000s。

该样机在带额定电压为12V/480Ma的射频开关时，输出的100ms的脉冲电压符合设计要求，已成功用于某射频开关测试设备产品。

4 结束语

本文根据某射频开关测试产品的要求，设计了一种射频开关供电脉冲电源。利用saber库中元器件建立了脉冲电源电路仿真模型，并以同样参数元器件设计了实验样机，仿真和实验结果基本一致，脉冲电压的动态响应和精度都达到了预期效果。采用saber仿真辅助产品设计，减少了实验样机开发轮次，缩短了产品开发周期，同时降低了设计成本。可见saber辅助仿真建模是未来开关电源设计必不可少的软件工具之一。

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作者简介

王生范（1980-）， 男，工程师。

作者单位

艾默生网络能源（西安）有限公司 陕西省西安市 710075