基于Saber仿真软件的直流电子负载设计

李 岩，邢红宏，苏学军，汪兴海

(1.海军航空工程学院 控制工程系，山东 烟台 264001；2.海军航空工程学院 基础实验部，山东 烟台 264001)

蓄电池放电试验、大功率充电电源试验、牵引动力试验、汽车动力性能试验等都需要进行负载测试[1-2]。传统的负载测试采用静态负载(如电阻、电阻箱、滑线变阻器等)能耗放电的办法，不但浪费能源，而且由于电阻和电阻箱负载采用有级调节，负载形式单一、功率小[2]，越来越不能满足复杂、动态的电源测试需求。电子负载引入了电力电子技术和微机控制技术[3]，不但可以实现传统的静态负载的基本功能，实现电源的可靠检测，还可以在不改变硬件的情况下升级软件，实现功能的扩充。

实际电子设备类型不同、使用环境不同，对电子负载也有许多不同的要求。为缩短研制周期，节约开发费用，在研制初期通过基于软件仿真的方法，对电子负载电路进行优化，并通过仿真进行整体性能模拟测试。

1 电子负载的设计要求与测试方法

根据某型直流电子负载使用环境要求，电路设计采用功率场效应晶体管(MOSFET)搭建电子电路来模拟负载，配合单片机技术与变换器电路实现以下功能：(1)预定电压、电流、电阻值，且应有较好的调节精度；(2)多台电子负载一起工作时，可只使用其中一台显示面板以降低成本；(3)多台负载同时工作，可以采用同步功能同步所有的工作参数；(4)电子负载具有在线编程功能及数据保存功能；(5)大容量并机时也有良好的抗干扰能力及稳定性。

Saber仿真软件是一个功能非常强大的电路仿真软件，尤其适用于开关电源的时域和频域仿真，可用于电子、电力电子、机械、光电、光学、控制等不同类型系统构成的混合系统仿真[4]。Saber作为混合仿真系统，可以兼容模拟、数字、控制量的混合仿真，便于在不同层面上分析和解决问题。由于直流电子负载设计为数字控制系统下的模拟量控制，利用Saber内置的可编程电源，可以对PWM器件进行广泛的建模和实时仿真，能够有效地加快仿真速度[5]。

2 系统方案论证与设计

直流电子负载由恒流、恒压和恒阻3种电路组成，3种电路均采用运算放大器结合反馈网络实现，其他功能可通过单片机实时控制实现。根据设计要求，此电路中的反馈网络以场效应管为核心，控制部分采用单片机，其基本系统如图1所示。

图1 直流电子负载系统框图

电子负载系统的控制程序包括以下2部分：

(1) 人-机联系程序，包括信息输入程序和显示输出程序等；

(2) 数据采集和处理程序，主要是D/A、A/D转换程序和电压、电流采样程序。

2.1 硬件电路设计与元件选择

本系统主要由主控模块、电源模块、恒流电路模块、恒压电路模块、恒阻电路模块和过载报警与保护模块等6部分组成。恒流工作模式时，恒流模块通过分流电阻采压，经过放大和比较后，反馈给主控模块，调节分流电阻两端电压，实现恒流；恒压工作模式原理与恒流模式基本相同，经采压后与设定电压比较后，反馈给工作模块实现恒压。考虑到实际需要，通过把恒压和恒流模块整合在一起，简化了硬件设计；而恒阻模块通过单独的电路实现恒阻。该方案电路集成度较高，功能实现完全依靠硬件电路，可靠性高。

考虑到电子负载系统的体积、造价以及快速性和稳定性，选用了TI公司MSP430系列的430x1xx系列单片机。也可采用F系列，通过USB接口自主下载更新功能。利用单片机自带的12位ADC模块，采集负载电路的电压信号，通过芯片内部的计算，进行电压以及电流的显示与其他功能的实现。

信号放大电路采用LM324四运放集成电路。开关元件采用IRF540 型N沟道MOS管[6-8]。

2.2 软件设计

系统工作流程图如图2所示。

图2 系统工作流程图

通过控制面板上的按键，可以对工作模式进行手动选择。本系统共设计了3种工作模式，分别是恒压模式、恒流模式和恒阻模式(见图2)，选好工作模式后，要对阈值进行预先设定。控制面板上有4个可以进行参数预设的调节旋钮，分别是恒压预置、恒流预置、恒阻预置和过载预置。阈值设置结束后，系统会根据事先选择的工作模式进入相应的电路模块以完成相应的数据测量，测量结果会显示在LED模块上。系统还会对各数据进行过载检测和过载报警，并通过保护模块切断电路。

3 基本电路仿真

为了提高仿真速度，在搭建仿真电路时，单片机控制部分将使用Saber电源库中的PWM电源，电子负载的两个单元也将进行独立仿真[9-10]。

3.1 电源模块

为提高系统抗干扰能力，减少耦合电流的损耗，采用隔离强度高、隔离电容低的DC/DC变换器，以减小泄漏电流。电源模块电路图如图3所示，电路中12 V电压经过DC/DC变换器，分别为稳压、稳流和控制电路供电。

图3 电源模块电路设计图

3.2 恒流恒压模块设计与实现

恒流恒压仿真电路如图4所示。光耦P521连接工作模块和控制模块，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，实现精密稳压，利用光耦隔离作用使各工作模块工作时互不影响。使用二极管限制运放管脚间电压使其小于0.7 V，起到保护作用。考虑到电路的复杂程度，仿真电路中使用线性可调电压源U4A、U4B替代PWM控制模块和测试电源信号，以加快仿真速度。

恒流工作模式时，恒流模块通过采压控制分流电阻两端电压实现恒流功能，经过限压后的电压再经过放大器放大，和预设电压比较反馈给工作模块，实现恒流。

根据设计要求，经计算，分流电阻R两端电压U=IR，变化范围为0.02～0.4 V。比较电路各参数选择为Ucc=12 V，计算U4A可调范围为0～10 V。U经放大器后电压变化范围应与比较电压U4A相同，所以放大器倍数K选择20倍，反馈电阻

R26=K×R25=11.2 kΩ

图4 恒流恒压模块

在恒定电压工作模式时，电子负载所流入的负载电流由所设定的负载电压而定，此时负载电流将会增加，直到负载电压等于设定值为止，即负载电压保持设定值不变。

系统监测电路采压后，和设定电压比较，然后反馈给恒压控制电路，调节负载电压，实现恒压模式。恒压工作模式时，监测电路采样电压Uo经R22降压后送比较器，与U4B比较并将结果反馈给工作电路控制负载电压。通过调节U4B可实现在1.0～20.0V内对负载电压的稳压。

经计算，U4B上的电压可调范围为0～10V，而设计要求电压设置及调节范围是1.0～20.0V，所以必须对Uo降压。选择R22=R21=1kΩ，Uo经R22分压后变化范围达到0.5～10V，满足设计要求。

使用Saber的直流工作点分析仿真取得电压输入信号，MOS管最终在电子负载输出测量端输出。调用Sader的CosmosScope模块取得输出电压电流波形如图5(a)所示。测试电源信号，取得电子负载上输出电压电流波形如图5(b)所示。

图5 恒流恒压模块电压电流波形

通过多次测量可以看到，通过更改不同的PWM频率，在误差允许的范围内，输出电压及电流能基本稳定，符合设计要求。

3.3 恒阻电路模块设计与实现

在定电阻工作模式时，电子负载所流入的负载电流依据所设定负载电阻和输入电压的大小而定，此时负载电流与输入电压呈正比，比值即是所设定的负载电阻，即负载电阻保持设定值不变。恒阻电路独立于恒流和恒压电路，通过开关转换。电路设计图如图6所示。

图6 恒阻电路模块

由于Saber中没有电位器，只有可变电阻，仿真过程采用2个电阻R4A、R4B串联进行替代，总电阻100kΩ。恒阻电路实际上是通过改变运放元件正向输入端的电压得到电阻恒定的效果，其原理与恒流电路基本相同。

图7为恒阻模块电压电流波形，经多次仿真，取得的结果符合设计要求。

图7 恒阻模块电压和电流波形

3.4 过载报警与保护模块设计与实现

为了保护电路能够正常使用，设计了电子负载过载保护电路。通过电流和电压AD采样与设置阈值进行比较，超过阈值时，单片机控制电源输入单元断开，系统停机。

4 各电路模块高级仿真

基本电路仿真结果为理想状态波形，而高级仿真已取得更符合实际的结果。

4.1 蒙特卡罗分析

蒙特卡罗分析(MonteCarloAnalysis)是在模型参数值浮动范围内随机取样，检验器件参数在一定范围内浮动对输出的影响。图8为各电阻元件精度至0.5%的条件下，恒阻模块电压、电流100次采样的蒙特卡罗分布。

图8 采用高精度元件的蒙特卡罗分布图

可以确认电路波动不来自于电阻浮动变化。去除P521光耦电路模块，再次进行蒙特卡罗分析，取得电子负载输出端结果如图9所示。

图9 蒙特卡罗分布图(无光耦)

更换电路为恒压恒流模块，仿真结果与电阻模块基本相同。

综合以上结果可知，如电子负载不利用光耦电路实施隔离，则系统可靠性可以接近100%，但由于本次设计对象情况的复杂性，在实际使用中不可能达到这种效果。加上光耦隔离电路后，虽然系统可靠性有所下降，但依然在设计要求范围内。如需继续提高系统可靠性，可考虑通过提高光耦模块电路的稳定性实现。

4.2 电应力分析

由于电子负载长时间工作在高电压、高电流状态，为了确保电路的稳定，进行系统电应力分析，需要检验电路运行时的工作参数是否超过元器件的承受能力。

对恒压恒流电路和恒阻电路进行电应力分析，可得各元件负荷情况。根据电应力分析，两组电路采样电阻均存在功率不足的问题，至少应达到13.3W；IRF540负荷最高时刻达到96%，虽然在额定值以内，为了提高电路的稳定性，也应更换为功率更高的MOS管。

5 结束语

电路系统可靠性是电路设计的重要环节，也是测试耗时最长的环节。通过Saber仿真，可以实现在电路设计阶段与设计并行进行各种参数分析，得到电路稳定性、可靠性等关键参数的实时变化结果，减少了重复环节。基于Saber仿真方案设计的直流电子负载已经成功应用于某型航空蓄电池充放电系统和某型电源的定型试验中，缩短了研制周期，节约了开发费用。该研究使分析过程直观化、理论结果可视化，也为相关课程的仿真实验教学提供了素材和借鉴。

[1] 杨振吉,付永杰.电子负载的设计[J].计量技术,2003(5):24-25.

[2] 朱金刚.智能电子负载的设计[J].实验技术与管理，2006，23(6)：26-29，58.

[3] 吴文进,江善和.多功能直流电子负载的设计与实现[J].安庆师范学院学报：自然科学版,2011,17(3):42-45.

[4] 张玉叶,郗艳华.直流电子负载设计[J].陕西科技大学学报,2013,31(2):139-142.

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