基于Saber的弹载二次电源系统建模与仿真

丁 旭 ，余志勇 ，李 旭 ，金 睿

（1.火箭军工程大学，西安 710025；2.中国航天科工集团第二研究院二十五所，北京 100854）

0 引言

二次电源系统是导引头的关键供电部分，其主要功能是将一次电源的直流输入变换成不同规格的直流输出，用以满足接收机、频率综合器等不同设备的用电需要。而其电源母线具有不稳定性，且DC/DC变换器在直流变换中极易引入或形成各种干扰噪声，这些问题都直接影响着导引头上的分系统能否正常工作及通过相应的指标测试。

针对二次电源系统的性能检测和电磁干扰（E-MI）分析，目前主要还是在产品成形后采用测试的手段，这时许多改进措施都不能加入设计中。若能对导引头二次电源系统建立包含其电磁特性且功能齐全的仿真模型，就可以用模型代替实际系统来分析其性能［1］，同时还可以作为传导干扰模型，对系统产生的电磁干扰进行仿真分析，预测其实际测试结果，及时发现问题［2］。这样不仅能缩短产品的研发周期，还节省大量的人力物力。

本文利用Saber软件建立了二次电源系统的仿真模型，其关键环节是对系统的国产元器件建模，运用参量化建模与Mast语言结合的方法建立了高精度、性能齐全的DC/DC变换器模型，根据元器件的功能要求、原理图，分别建立了霍尔电流传感器、电源滤波器模型。最后在负载满载的情况下对系统模型进行仿真，其仿真结果体现出系统的电磁特性，对导引头通过CE102项［3］指标测试、电磁兼容（EMC）改进具有一定的指导意义。

1 弹载二次电源系统介绍

弹载二次电源系统主要由DC/DC变换器、霍尔电流传感器、电源滤波器及不同类型的负载组成，二次电源系统应具备以下的功能：霍尔电流传感器对电源电路输入电流进行采样，并转化为电压输出，以实现对一次电源输入的监测功能；不同型号的DC/DC变换器将+28 V的稳压输入变换为±5 V、15 V及±8 V的稳压输出，供给不同负载，还应具备短路保护等功能；EMI滤波器构成输入滤波电路，对输入串扰进行抑制，同时防止DC/DC变换器模块产生的电磁干扰耦合到一次电源。其模型框图如图1所示：

图1 二次电源系统模型框图

2 元器件建模

2.1 DC/DC变换器模型

DC/DC变换器是实现二次电源功能的核心元器件，除完成基本的直流-直流转换外，还应具备二次电源系统要求的电压输入保护、短路保护等功能［4］。导引头二次电源系统DC/DC变换器采用脉冲宽度调制方式（PWM），具有固定的开关频率，其内部开关管的导通和关断是造成同频率纹波噪声的重要因素。本文采用参量化建模与Mast语言结合方法，以Saber软件自带的dcdc_1_os模板为原型，对其建模。其主要步骤如下：

1）将元器件数据手册中规定的标称输入输出参数（voutnom、vinnom）、输入特性参数（input）、输出特性参数（output）、瞬态响应参数（transient）输入到dcdc_1_os模板中；

2）根据DC/DC变换器纹波特性，用Mast语言为原有模板添加ripple函数，并根据实际情况设置其开关频率范围，内部电容、电阻等器件的取值。添加ripple函数后的属性框图如图2所示，在output项中设置参数ripplepeak、ripplefreq的值。

图2 改进后的模型属性框图

2.2 霍尔电流传感器建模

弹载二次电源系统中，霍尔电流传感器作为一种电流检测元件，将一次电源输入电流值转化为电压输出，用以实现对输入电流的检测。根据产品数据手册要求，此处使用的霍尔电流传感器（HDC10A）其测量电流范围为0～±10 A，工作电压为12 V～±15 V，可以不失真地传递一定频带内的任意波形的电流，运用宏建模的方法将Saber器件库中的运算放大器、限幅器等器件搭接起来建立的模型如下页图3所示。工作时A、B端通过检测电流，VCC、VEE端加+15 V、-15 V的工作电压，out端接入400 Ω的输出电阻并接地。整个模型使用var2v、var2i模块将控制信号转换为电信号，运用反比例放大器、out端接入电阻来实现电流的缩放和电压的输出。

图3 霍尔电流传感器模型

2.3 电源滤波器建模

二次电源系统中的电源滤波器（无源EMI滤波器）具有互异性，既可以抑制一次电源传入的干扰，也可以减小DC/DC变换器耦合进电源线的高频反射噪声［5］，用以满足GJB151B-2013（军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量）中CE102项（电源线传导发射）要求，减少对弹上其他分系统工作的不利影响。典型的电源EMI滤波器包含共模干扰和差模干扰两部分的抑制电路，一般的滤波方式为差模滤波在前，共模滤波在后。

图4为无源滤波电路的原理电路，Lx相当于差模扼流圈，与差模工作电容Cx共同构成差模抑制电路；共模电路输入端并联接地的电容Cy对共模噪声起旁路的作用，Ly为共模扼流圈，其两个线圈绕向一致，当电源输入电流或是差模电流流过Ly时，所产生的电场可以互相抵消，从而对差模干扰和工频电流没有电感效应。但对共模电流来说却相当于一个大电感，能有效抑制共模干扰［6］。在根据电路原理图设计图5中的电源滤波器时主要考虑了对共模干扰的抑制，而因二次电源电路设计中有多处接地，对差模干扰抑制只使用了一个滤波电容。由于弹上环境对滤波器体积的限制，仅采用两级共模滤波电路。

图4 无源滤波电路原理图

图5 电源滤波器模型

3 仿真实验及结果分析

3.1 DC/DC变换器的仿真与分析

采用额定功率25W的28V/5VDC/DC变换器，从以下几个方面完整地检验DC/DC变换器模型的功能特性：

1）输入输出特性。下页图6（a）中输入电压是从0～60 V线性递增的。从输出波形中可以得到，导通电压vinon=15.913，关断电压vinoff=50.09 V，符合数据手册输入直流电压：16 V～50 V的要求，DC/DC变换器具有输入电压保护的功能。导通期间，输出电压稳定在5 V，输出电流稳定在5 A。

2）输出电压纹波特性。图6（b）中纹波波形与实际测试相符，峰峰值约为33.2 mV，小于数据手册50 mV的要求，输出电压具有较高的精度。

3）短路保护特性。在仿真实验过程中将变换器的负载逐渐减小阻值来模拟输出短路现象。由输出波形图6（c）可知，变换器在发生短路时，输出电流增加，变换器输出电流达到设置的最大值7.09 A后不再增加，变换器开启输出保护功能，电压值逐渐降为0，模型具备系统要求的短路保护功能。

3.2 电源滤波器的仿真与分析

电源滤波器的使用原理如下页图7所示，其中Vin为+28 V的直流输入电压，DC/DC变换器的开关频率为100 kHz，取电源线上节点n1、n2处的电压波形进行比较。图8中上方波形为节点n2处的电压波形，其电压纹波的幅值约为457μ，下方波形为节点n1处的电压波形，电压纹波被大大削减，幅值降为37μ。可见负载上纹波噪声通过建立的DC/DC变换器模型耦合到电源线上；在加入电源滤波器后，耦合到电源线的高频反射噪声得到了有效地抑制。

3.3 二次电源系统仿真及分析

对二次电源系统添加功率满载时的负载后，系统总线上的电流与霍尔电流传感器反馈的电压如图9所示。可以看出霍尔电流传感器能够较为准确地反映出电源总线电流数值的变化，从而验证了霍尔电流传感器模型的正确性。但是由于反馈存在着延时，不能反映出图9中上电瞬间电源总线上的浪涌电流［7］。浪涌电流会影响电源系统的正常工作，产生极大的电磁干扰，所以常在电源系统前段加入瞬态抑制器来抑制浪涌电流和电磁干扰，改善其性能。

图6 DC/DC变换器模型特性仿真

图7 电源滤波器使用原理图

图8 电源滤波器仿真实验波形图

图9 电源总线电流与反馈电压波形

图10 系统正向输出电压纹波与电压频谱

二次电源系统的三路正向输出电压纹波及其频谱如图10所示，纹波幅值均小于40 mV，符合数据手册要求。仿真结果体现了二次电源系统的电磁特性，从频谱中可以明显看出，输出电压为+8V、+5V、+15 V的DC/DC变换器在开关过程中产生的纹波噪声的频率分别为 800 kHz、600 kHz、400 kHz，这与实际设置的变换器的开关频率相符。

根据GJB151B-2013中CE102项（电源线传导发射）测试要求，在校准过的微波暗室中对二次电源系统进行CE102项测试，其设备连接如图11（a），将中间的二次电源连接左侧负载箱（含不同负载）以模拟导引头正常工作（负载满载）的状态，同时用右侧的传导干扰测试设备LISN（线路阻抗稳定网络）对电源母线进行测试，测得的母线上的电压频谱如图11（b），图中红线为CE102极限值。

图11 导引头电源母线CE102测试

图12 电源母线CE102仿真频谱

同样在模拟负载满载的情况下，对二次电源系统模型做CE102项仿真实验结果如图12所示。对比实际测试结果（图11（b）），具有较高的相似度：频谱均包含有开关频率在400 k～800 k范围内的DC/DC变换器产生的同频反射噪声及其谐波，使其频谱类似于梳状谱，信号之间均有一定的间隔；在400k～3M、7M～10M频率范围内仿真误差小于10dB。但由于模型建立在原理图的基础上，未考虑PCB走线间的影响［8］，使得实际测试结果在3 M～6 M范围内超标（CE102极限值）严重，而仿真频谱在此频率范围内几乎未超过图中红线。

图13为系统添加电源滤波器改进前后对比图，可以看出添加滤波器后（黑色频谱）干扰电平相比未加滤波器（红色频谱）时明显减小，能够严格控制在CE102极限值之下。

图13 CE102仿真频谱与改进

4 结论

为更加方便有效地评估二次电源系统的性能，及时将改进措施加入到系统设计中。本文根据元器件数据手册的要求，运用Saber软件以参量化建模结合Mast语言建模的方法建立了高精度、功能齐全的关键元器件——DC/DC变换器模型；根据元器件的功能要求、原理图，运用Saber软件以宏建模的方法，分别建立了霍尔电流传感器、电源滤波器模型，并对上述的元器件模型及整个二次电源系统模型进行了仿真实验。仿真结果证明了模型的有效性、准确性，同时由于在DC/DC变换器建模中考虑到了其纹波特性，使得整个二次电源系统具备了较为真实的电磁特性。文章最后模拟导引头CE102项测试，对二次电源系统总线上的传导电磁干扰进行仿真分析，并对比加入电源滤波器前后的电源母线电压频谱，为导引头通过CE102项指标测试，抑制电磁干扰提供了参考。

［1］LIU Y S，CHEN H Q.A framework of multidiscipline systemlevel simulation evaluation for marine propulsion system argumentation［J］.Computer Simulation，2008，25（6）：4-6.

［2］路宏敏，余志勇，李万玉.工程电磁兼容［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2010.

［3］GJB151B.中华人民共和国国家军用标准［S］.北京：解放军总装备部，2013.

［4］闫群民.机载二次电源系统的建模与仿真分析［J］.火力与指挥控制，2012，37（5）：175-178.

［5］范治玉.抑制电源线传导干扰［J］.电光与控制，1997，2（1）：14-19.

［6］郑旻琦.电源电路器件建模及WCA技术研究［D］.西安：西安电子科技大学，2014.

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［8］陶陈彬.开关电源共模EMI抑制技术研究［D］.天津：天津大学，2008.