王生范　羅建震

摘 要為縮短某型射頻開關(guān)供電電源研制周期，節(jié)約開發(fā)費(fèi)用，在Saber仿真軟件中搭建了數(shù)字可調(diào)脈沖電源仿真模型。采用saber庫中較為精確的元器件模型建立了脈沖電源電路，并以相同參數(shù)的元器件設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，驗(yàn)證了滿載情況下不同頻率和寬度的脈沖電壓。仿真和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：脈沖電壓的調(diào)節(jié)分辨率小于0.1V，上升和下降沿小于45us，完全滿足某型射頻開關(guān)供電電源的性能指標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】Saber軟件 脈沖電源 射頻開關(guān)

Saber是美國(guó)Analogy公司開發(fā)現(xiàn)由 Synopsys公司經(jīng)營(yíng)的系統(tǒng)仿真軟件，為復(fù)雜的混合信號(hào)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證提供了一個(gè)功能強(qiáng)大的混合信號(hào)仿真器，兼容模擬、數(shù)字、控制量的混合仿真，現(xiàn)已成為混合信號(hào)、混合技術(shù)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工具的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，可用于不同類型系統(tǒng)構(gòu)成的混合系統(tǒng)仿真，與其他電路仿真軟件相比，其具有更豐富的元件庫和更精確的仿真描述能力，仿真真實(shí)性更好，便于分析產(chǎn)品設(shè)計(jì)可能遇到的問題，對(duì)于降低開發(fā)費(fèi)用、縮短開發(fā)周期等十分有用。

射頻開關(guān)是射頻通信中常用的鏈路切換器件，其頻率范圍從DC到40GHz可以做到全覆蓋，除了其射頻性能以外，驅(qū)動(dòng)方式及其性能也是其重要指標(biāo)之一；在進(jìn)貨檢驗(yàn)或初次使用時(shí)，都要對(duì)其做一個(gè)全面的考核；為了精確測(cè)量評(píng)估射頻開關(guān)驅(qū)動(dòng)性能，要求提供脈沖電壓幅度、寬度和頻率可調(diào)的精密脈沖電源；本文提出了一種用于射頻開關(guān)驅(qū)動(dòng)性能測(cè)量評(píng)估的高精度數(shù)字可調(diào)脈沖電源的解決方案，并把利用saber軟件的仿真參數(shù)移植到脈沖電源樣機(jī)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期效果。

1 脈沖電源技術(shù)指標(biāo)

本文介紹的用于射頻開關(guān)供電的數(shù)字可調(diào)脈沖電源的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)：

輸入電壓：AC（220±10%）V /（50±10%）Hz；

脈沖輸出電壓范圍： 0V～35V；

脈沖輸出電壓調(diào)節(jié)分辨率：0.1V；

脈沖輸出電壓紋波：≤50mV；

脈沖輸出電流：≤450mA；

脈沖電壓頻率：0Hz～1kHz；

脈沖電壓上升/下降延遲時(shí)間：≤45?s。

2 脈沖電源解決方案

自高頻開關(guān)電源問世以來，已在電子、通信、電氣、能源、航空航天、軍事以及家電等領(lǐng)域作為解決方案廣泛應(yīng)用，并隨著電力電子器件的不斷發(fā)展，高頻開關(guān)電源以效率高、體積小和快速響應(yīng)等特點(diǎn)逐步取代了線性電源，但在某些對(duì)直流電壓紋波要求極高的場(chǎng)合，線性電源以低紋波、電磁干擾小等特點(diǎn)具有很大優(yōu)勢(shì)。

由于脈沖電源輸出電壓紋波要求高，為滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，本文采取了線性電源和微控制器方案來實(shí)現(xiàn)。原理框圖見圖1所示。

從圖1可以看出，脈沖電源按照線形電源原理設(shè)計(jì)，其工作原理為：首先PC機(jī)下發(fā)脈沖電壓幅值和脈沖寬度，MCU接收到控制指令后，根據(jù)脈沖電壓幅值選擇變壓器匝比，為三端穩(wěn)壓芯片提供合適的輸入電壓（5-40V），同時(shí)下發(fā)脈沖電壓幅值指令給D/A芯片，D/A輸出電壓與三端穩(wěn)壓芯片輸出端反饋電壓通過運(yùn)放比較，從而驅(qū)動(dòng)三極管來調(diào)節(jié)線形穩(wěn)壓器LDO（LM317HV）調(diào)整端，形成閉環(huán)控制回路使線性LDO穩(wěn)壓器的輸出電壓達(dá)到PC機(jī)下設(shè)的脈沖電壓幅值。其次MCU根據(jù)PC機(jī)設(shè)置的脈沖寬度控制PWM口驅(qū)動(dòng)NMOS管，輸出滿足射頻開關(guān)要求的脈沖電壓幅值和寬度。

3 仿真模型搭建

Saber軟件中具有很大的通用模型庫和較為精確的具體信號(hào)器件模型，本系統(tǒng)依據(jù)脈沖電源解決方案，在Saber中選擇方案中具體選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

按照設(shè)計(jì)解決方案，利用saber軟件搭建了仿真模型，如圖2所示：主要包括LM317HV輸出電壓調(diào)節(jié)電路、NOMS管浮地驅(qū)動(dòng)電路、輸出電壓采樣電路和閉環(huán)控制器三部分。

3.2 LM317HV輸出電壓計(jì)算、D/A選擇以及反饋電阻計(jì)算

電壓輸出模塊主要采用 LM317HV 芯片完成轉(zhuǎn)換輸出。由于LM317HV芯片的輸入電壓一般要比輸出電壓高3V（即有3V的壓降），輸出端的最小電壓為1.25V，為了使脈沖電源能輸出0-35V電壓，要求其輸入Vin接 40V 的電壓，同時(shí)把LM317HV芯片的ADJ 端口引入閉環(huán)反饋環(huán)路，通過D/A轉(zhuǎn)換器芯片的輸出電壓Vda與反饋采樣電壓進(jìn)行比較，使LM317HV的輸出端電壓降為0V。輸出電壓取決于閉環(huán)回路中三極管Q1集電極電壓Vc，計(jì)算公式為：Vdc=1.25+Vc。詳細(xì)電路如圖3所示。

由于本設(shè)計(jì)輸出的電壓為0V 到35V 之間，步進(jìn)電壓為0.1V，為了保證調(diào)節(jié)精度，選用5V/12位DAC7802作為基準(zhǔn)參考，考慮噪聲干擾因素，按照10位的有效精度考核，最小分辨率為0.00244V，即滿足系統(tǒng)0.1V調(diào)節(jié)精度要求，反饋電阻精度0.01%，當(dāng)R1采用1.8歐時(shí)，R2=6R1，即R2為10.8歐，滿足脈沖輸出35V電壓要求。

3.3 仿真和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文針對(duì)額定電壓為12V/450mA的射頻開關(guān)，對(duì)輸出0.1V和12V的仿真結(jié)果和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

圖4為仿真輸出0.1V/100ms脈沖電壓，脈沖幅值為0.10025V，上升沿為12.175us，下降沿為8.4626us，脈沖寬度為0.099986s。

圖5為樣機(jī)實(shí)驗(yàn)輸出0.1V/100ms脈沖電壓，脈沖幅值為0.09725V，上升沿為31.2us，下降沿為26.9us，脈沖寬度為0.09999s。

圖6為仿真輸出12V/100ms脈沖電壓，脈沖幅值為11.99V，上升沿為6.0126us，下降沿為4.8586us，脈沖寬度為0.099988s。

圖7為樣機(jī)實(shí)驗(yàn)輸出12V/100ms脈沖電壓，脈沖幅值為11.99V，上升沿為43.93us，下降沿為42.13us，脈沖寬度為0.1000s。

該樣機(jī)在帶額定電壓為12V/480Ma的射頻開關(guān)時(shí)，輸出的100ms的脈沖電壓符合設(shè)計(jì)要求，已成功用于某射頻開關(guān)測(cè)試設(shè)備產(chǎn)品。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)某射頻開關(guān)測(cè)試產(chǎn)品的要求，設(shè)計(jì)了一種射頻開關(guān)供電脈沖電源。利用saber庫中元器件建立了脈沖電源電路仿真模型，并以同樣參數(shù)元器件設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，脈沖電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和精度都達(dá)到了預(yù)期效果。采用saber仿真輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)，減少了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)開發(fā)輪次，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，同時(shí)降低了設(shè)計(jì)成本?？梢妔aber輔助仿真建模是未來開關(guān)電源設(shè)計(jì)必不可少的軟件工具之一。

參考文獻(xiàn)

[1]楊帆，趙亞范.基于Saber的程控電源仿真設(shè)計(jì)[J].系統(tǒng)仿真技術(shù)，2016，12（01）：46-50，55.

[2]馮金林，王海泉.射頻開關(guān)閾值電平設(shè)置與分析[J].有線電視技術(shù)，2013，20（01）：100-103.

[3]呂天文.中國(guó)線性與開關(guān)電源的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)分析[J].電源世界，2011，12：8-9.

[4]李翔翔，孫愛鳴.基于Saber器件庫的L6599芯片建模及仿真[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016，35（12）：35-38.

[5]郭焱，張加勤.一種高精度數(shù)控穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].化工自動(dòng)化及儀表，2013，40（12）：1532-1536.

作者簡(jiǎn)介

王生范（1980-）， 男，工程師。

作者單位

艾默生網(wǎng)絡(luò)能源（西安）有限公司 陜西省西安市 710075