电路仿真 - Protel 99SE在过压欠压保护电路设计中的应用

　　采用EDA软件对电路进行仿真，电路越是复杂就越易出现“Singular Maxtrix”，“Gmin stepping faiLED”，“Source stepping failed”，“Iteration limit reached”，“Timestep too small”，“Run simulation(s)aborted”等仿真错误。对于图1所示电路，为了避免仿真错误的发生，可对电路进行分块简化，去掉IC1集成稳压器，用8.2 V直流电压源Vcc代之。IC1对整流滤波电路的负载作用可用等效电阻R13代替，由计算可知R13约为400 Ω;再去掉电路延时功能便得到与图1等效的仿真电路图2。

　　电路仿真主要采用瞬态特性分析及直流扫描分析两种方式。由于过压欠压保护电路的交流输入电压有效值在仿真过程中不能自动地连续变化，且最大值有可能大于245 V，其对应的峰值电压Up也可能超出±347 V范围，因此，两种分析方式的电压范围与输入电压的峰值相对应可设定为-370～+370 V，仿真时也可根据实际需要作适当调整，仿真所得输入电压值均可作为正弦峰值而折合成输入交流电压的有效值。所以，在瞬态特性分析中市电输入电压源用分段线性电压源Vs替代，负载所在电路电源仍采用正常的220 V市电。

　　2.1 电路参数仿真

　　电路参数仿真测试采用“DC Sweep Analysis”(直流扫描分析)方式。仿真方式、测试点的设置步骤是，在原理图编辑窗口，执行“Si-mulate”菜单下“Setup…”命令，进入“Analysis Setup”仿真设置窗口，在“General”标签中选中“DC Sweep”，在“Available Signals”激活信号栏中选择要观测的信号“U220”，“Ua2”，“Ui”，“UL”，“US”，在“SimView Setup”栏中选中“Show Active Signal”。仿真参数设置与仿真结果如图3所示。

　　按设计要求，当市电在185～245 V(峰值为261.6～346.5 V)之间时，IC2的3脚应处于复位状态，图3(b)中US为高电平;市电在185～245 V范围之外时，US为低电平。由仿真结果可以看出，267.29 V>261.6 V，334.13 V<346.5 V，故应该修改R7，R8值，当R7=576 Ω、R8=3.238 kΩ时，如图4所示，工作电压范围满足要求。

　　2.2 电路基本功能仿真

　　电路基本功能仿真测试主要验证市电电压发生变化时，电路能否按照设计要求对负载实现通电与断电控制。仿真测试采用“Transient /Fourier Analysis”(瞬态特性分析)方式。其操作步骤与前面所述相似。分段电压源VS参数“Time/Voltage”设置为：0，-400V;400m s，-220 V;600 ms，220 V;1 s，400 V。仿真参数设置与仿真结果如图5所示。由图5(b)可以看出，负载在市电峰值约为-346～-261 V及+261～+346 V(有效值185～245 V)范围内得到正常供电(RL两端电压UL-Ua2为正弦波)，在市电峰值-346～-261 V及+261～+346 V范围外断电(RL两端电压UL-Ua2=0)。瞬态特性分析与直流扫描分析结果有一定差异，这个问题可以在安装调试过程中得到解决。

　　经过上述方法对电路进行简化处理后，仿真过程中若仍有错误产生，对此，可不断调整仿真步长值或改变仿真参数初始值，一般情况下都能完成仿真;仿真过程中警告类的错误一般不会导致仿真失败，即使存在也是可以得到正确仿真结果的。

　　3 结语

　　Protel 99 SE软件包具有操作简单、易学、功能强大、自动化程度高等特点，它是我国电子行业中知名度很高、普及程度极广的EDA软件。学习使用Protel99 SE软件，不仅可以提高学生设计分析电子电路的能力、降低电路设计成本、减轻设计强度、提高设计效率，同时，还能为学习功能更强大、先进的EDA软件(如A1tiusim Design)打下良好的基础，使学生在电子设计方面能有一技之长。