Saber電源仿真教程—基礎(chǔ)篇 送給硬件工程師們

電路仿真作為電路計(jì)算的必要補(bǔ)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(jì)的起始階段就能夠發(fā)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算的重大錯(cuò)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(shí)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(gè)功能非常強(qiáng)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(shí)域和頻域仿真。但由于國內(nèi)的學(xué)術(shù)機(jī)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(duì)仿真軟件從一開始的茫然無知，到一個(gè)人的苦苦探索，幾年下來也不過是了解皮毛而已，深感個(gè)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)�saber仿真軟件有全新的認(rèn)識(shí)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(shí)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(diǎn)擊進(jìn)入saber sketch，然后選擇file—> new—>schematic，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(gè)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(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵菜單get part—>part gallery

   

有兩個(gè)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(gè)選擇項(xiàng)，這是一個(gè)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。輸入resistor，選擇resistor[I]添加到原理圖（添加2個(gè)）。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?yàn)闆]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(dòng)每個(gè)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(gè)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(gè)大信號(hào)系統(tǒng)，我們尋找的是一個(gè)靜態(tài)直流工作點(diǎn)，因此我們選擇下圖所示的DC operating point，將basic中的display after analysis項(xiàng)選擇Yes，完成后點(diǎn)擊OK。

直流工作點(diǎn)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(shí)，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(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓波形，如下圖所示：

選擇分析圖標(biāo)欄的第五項(xiàng)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(shí)間，這個(gè)時(shí)間指的是電路運(yùn)行的時(shí)間跨度，而不是仿真軟件工作的時(shí)間，在本示例中，由于在系統(tǒng)中沒有時(shí)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(jì)算步進(jìn)，即從這個(gè)工作點(diǎn)到下一個(gè)工作點(diǎn)的時(shí)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，表示仿真結(jié)果同時(shí)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(xiàng)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(huì)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(gè)小的仿真結(jié)果文件都有幾百M(fèi)，稍大一點(diǎn)的都有幾個(gè)G，還是節(jié)省一點(diǎn)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(xiàng)，這兩個(gè)會(huì)影響仿真的速度，一個(gè)是最大步進(jìn)，一個(gè)是最小步進(jìn)，仿真的步進(jìn)將在這兩個(gè)值之間，這兩個(gè)值取的越大，仿真軟件的運(yùn)行速度越快，但同樣的會(huì)降低仿真的精度，導(dǎo)致結(jié)果可能失真。同時(shí)，有一點(diǎn)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(huì)因?yàn)殄e(cuò)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(diǎn)擊OK，saber會(huì)運(yùn)行仿真進(jìn)程。

仿真結(jié)束之后，程序會(huì)打開cosmoscope界面，讓我們可以觀察所有節(jié)點(diǎn)的電壓和電流波形。

如上圖所示，在cosmoscope界面里，有兩個(gè)對(duì)話框，第一個(gè)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(gè)對(duì)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(diǎn)，我們點(diǎn)擊三極管q_3p.q_3p1的可選項(xiàng)，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(xiàng)，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(gè)簡單的示例，下面我們?cè)俜抡嬉粋�(gè)稍微復(fù)雜一點(diǎn)的電路，用TL431和三極管共同構(gòu)成的一個(gè)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(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵—>get part—>parts 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(gè)簡單的原理圖繪制技巧，如果想添加某個(gè)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(shí)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(diǎn)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(gè)就是旋轉(zhuǎn)器件的角度，鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊選中器件，鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊彈出菜單欄，其中的rotate選項(xiàng)可以按照角度旋轉(zhuǎn)器件，flip選項(xiàng)可以上下或左右翻轉(zhuǎn)器件。

在本示例中，我們想做一個(gè)10V 0.5A的線性電源。

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20Ω，輸出電流為10V/20Ω=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1mA~100mA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50Ω，則流過該電阻的電流為（12V-10.8V）/50Ω=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的分析結(jié)果：

n_9即為輸出電壓，其值為9.998V，與我們?cè)O(shè)計(jì)的10V輸出電壓吻合。

接下來用operating point / transient來看一下各節(jié)點(diǎn)的電壓波形：

以上波形基本上與設(shè)計(jì)值一致。通過這個(gè)簡單的例子，我們用幾分鐘的時(shí)間來仿真，可以替代幾個(gè)小時(shí)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(shí)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(qǐng)舉手，您可以從大學(xué)一年級(jí)重新開始學(xué)習(xí)啦。

仿真之前，先做簡單的設(shè)定和計(jì)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1Ω。

設(shè)定電流紋波系數(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(yàn)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(diǎn)，輸出電壓紋波小一點(diǎn)，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(diǎn)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(jì)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(gè)開關(guān)管，你可以添加一個(gè)真實(shí)的MOSFET，也可以用一個(gè)模擬開關(guān)替代，由于本示例僅僅是驗(yàn)證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(shí)的阻抗，此處保持默認(rèn)值0.001Ω，roof即開關(guān)管關(guān)閉時(shí)的阻抗，此處保持默認(rèn)值1megΩ（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(gè)關(guān)鍵參數(shù)，即開關(guān)管的開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)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），但是這兩個(gè)值影響到saber仿真的時(shí)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(huì)因?yàn)殄e(cuò)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(shí)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(jì)算量很大，如果時(shí)間步進(jìn)再設(shè)置的很小，可能需要幾十分鐘的時(shí)間來仿真一個(gè)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(shí)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(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由于我們使用的模擬開關(guān)是邏輯使能的，所以需要一個(gè)邏輯時(shí)鐘信號(hào)來驅(qū)動(dòng)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(gè)關(guān)鍵參數(shù)，一個(gè)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(shí)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(hào)。第二個(gè)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?yàn)槲覀兊拈_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(huì)有一個(gè)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(shí)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(jì)算的10V有些誤差，為何？因?yàn)樵谖覀兊碾娐分虚_關(guān)管有導(dǎo)通阻抗，二極管有導(dǎo)通壓降，這是在計(jì)算時(shí)沒有考慮的，所以仿真結(jié)果與計(jì)算值有些出入。

在上圖所示的時(shí)間軸上，如紅色標(biāo)記所示，鼠標(biāo)左鍵按住不放，向右移動(dòng)一段距離后松開，即可把此段時(shí)間內(nèi)的波形展開：

同樣的方式繼續(xù)展開時(shí)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(diǎn)擊measurement右邊的可選框，彈出下拉菜單，選擇levels中的peak to peak，即可測量峰峰值，同時(shí)可以看到菜單中的選項(xiàng)非常豐富，跟示波器的使用方法類似，可測量最大值，最小值，峰峰值，平均值等，在time domain選項(xiàng)中還可以測量各種跟時(shí)間相關(guān)的量。

至此，一個(gè)BUCK電路的開環(huán)仿真就完成了，你也可以嘗試仿真BOOST，BUCK-BOOST等電路的開環(huán)仿真，用幾分鐘的時(shí)間，完成了一個(gè)電路的仿真，看到了和示波器中一樣的電壓或電流波形，效果是多么的美妙啊。

大部分的調(diào)試工作都是可以通過仿真來替代的。大部分的設(shè)計(jì)工作都是可以通過仿真來驗(yàn)證合理性和可行性的，一旦您掌握了仿真的方法，并能夠熟練的使用，你將終生受益，你可以擺脫大多數(shù)低效的調(diào)試工作，可以節(jié)約大量的時(shí)間和精力，可以直觀的看到你的設(shè)計(jì)結(jié)果，而不僅僅是計(jì)算書中的計(jì)算公式和枯燥的數(shù)字。

當(dāng)你有一個(gè)對(duì)于電路的新的想法和思路，如果你要驗(yàn)證它，你可能要花費(fèi)幾天甚至幾個(gè)月的時(shí)間去準(zhǔn)備器件，焊板子，調(diào)試，直到獲得結(jié)果�？墒侨绻�你用仿真的方法，也許幾分鐘就搞定了，并且通過更改電路和參數(shù)，許多靈感就會(huì)迸發(fā)出來。

對(duì)于很多無法通過精確計(jì)算來推算的電路，我們通過仿真就可以獲得精確的結(jié)果，這對(duì)于非線性系統(tǒng)的解決方案而言，真是事半功倍啊，為什么要去求解復(fù)雜的矩陣方程？我需要的僅僅是結(jié)果而已，過程的推導(dǎo)留給大學(xué)老師吧。仿真可以讓我們從復(fù)雜的計(jì)算中解脫出來，隨心所欲的更改電路參數(shù)，然后獲得直觀的結(jié)果，當(dāng)你掌握訣竅的時(shí)候，你可以讓自己的開發(fā)效率提高十倍！