【我是工程师第三季】基于saber软件的电源仿真

    最近正在边学边用saber仿真软件。说说我个人目前的心得体会吧。

    我比较熟悉的仿真软件是multisim，这款软件其内部的电路模型相较与saber软件的电路模型简单多了。换句话说saber软件的电路模型更加接近与实际的电路。好处就是电路的仿真更加符合实际情况，坏处就是需要考虑设置的参数多了不少，不易于上手。

    saber软件优于常规仿真软件的另一个特点是其磁性元件的参数设置较复杂，需要花点时间熟悉。

    最近花了不少的时间在学习sbaer软件，相较于multisim仿真软件来说，前者上手难度大了不少，但其仿真功能也强大了很多。

  《开关电源技术闲思》一帖中，我使用mutilsm软件对常规的开关电源进行了开环仿真操作，个人觉得此帖对于大家入门有很大的帮助。saber仿真一帖，我想将难度提高一点，讲一点开关电源中的技术难点，主要针对电源技术中的磁材特性展开讨论。

    很多初学者对于仿真软件的理解是电路原理图的直接复制。什么意思呢，通俗的解释是初学者希望仿真软件可以直接将自己设计的电路运行起来。这样的理解不能说错，但至少是片面的的，大家不能对仿真软件寄予过高的期望。

    仿真软件中的元器件并不是真正的元器件，而仅仅是真实器件的模型构造而已。很多时候，模拟电路直接通过仿真软件搭建运行是行不通的，导致的结果就是软件报错，专业术语叫作不收敛。

    针对仿真软件不收敛问题解释一下。

    我们知道开关电源是一个闭环控制系统，通电瞬间至其稳定工作是需要一段时间的。在这段时间中，系统由开机状态过渡到振荡状态，最终趋于稳定状态。这是现实世界中开关电源正常工作所经历的过程。

    而基于仿真软件设计的电路系统，它也需要经历上述过程，最终达到稳态。但由于元器件，电子线路等均是基于实物的仿真模型，所以实际上，仿真电路系统在运行时不能趋于稳态，也就是说它一直处于振荡状态，最终导致软件出错。我们将处于振荡状态的电路问题命名为不收敛问题，也即发散问题。

    这就是为什么电路原理没有问题，但仿真电路却总是出错的原因。最终原因还是我们自己没有真正了解仿真软件的特点。

    仿真电路在实际的工作应用中，个人觉得其对我的帮助很大。

    我买了很多的电子类专业书籍，看到好的新奇的电路，我都要验证一番。在之前的帖子中我提到过我不相信浮于纸面上的知识。验证电路的方法有两种。我之前一直坚持采用实物验证法，即采用元器件直接将电路搭出来，元器件参数均手动计算，节点参数必须通过示波器万用表等测量并与书籍上提供的参数进行对比。这样的好处是直观，理解透彻，但是其弊端是不方便，成本较高，测试参数受限与手头上的仪器，遇到相对较复杂的电路，还需要颇费一点周折。

    而使用仿真软件来验证电路特性则方便很多，同时仿真软件中提供的各类测试仪器也较齐全。不过其缺点是受限于电子技术人员的水平，也即是其对电路的理解程度。如果水平较高者，看到好的电路，可以选择合适的器件模型来搭建电路，从而得到近似于实物的电气参数。对于菜鸟来说，由于其对电路的理解不透彻，只会依葫芦画瓢，导致的结果是电路仿真不收敛，从而报错。

    这段时间将saber软件和multisim软件进行对比着学习，发现saber软件相较于后者确实有很多的优势。

    目前正在着手磁放大技术的学习，saber软件提供的磁材模型非常全面，对于个人的仿真学习相当有帮助。

    接下来我会把我个人使用saber软件仿真学习磁放大器的心得体会写出来，共享给大家。

    结合saber软件讲解磁放大技术之前，我想先提一个问题。在电子技术领域，哪些元器件可以当做开关。看到这个问题，很多朋友可能觉得太简单了。常见的用于开关的电子元器件有三极管，MOS管，晶闸管，继电器，交流接触器。

    上述元器件之所以能当做开关使用的原理很简单。三极管，MOS管，晶闸管是根据半导体PN结的特性实现的。继电器，交流接触器是通过电流产生的磁场吸合机械式开关实现的。这些元器件的工作原理很好理解。现在的问题来了，电感可以当做开关使用吗？

    初次接触这个问题，大家一定认为电感不可以当做开关使用。在很多人的常识中，觉得电感就是个滤波储能元件，怎么可以当做开关呢。前文讲述的用于开关的元器件好歹还有个控制端。电感这玩意就两端口，分别为输入端和输出端，连控制端都没有怎么当做开关呢？

    对于电感的认识，很多人还仅仅停留在直观认识的层面。下面我们就先从直观的角度来复习一下工字电感的组成。常规的工字电感通常由两部分组成，分别为漆包线绕制的感应线圈以及工字磁芯。这里的工字磁芯有两个作用，第一是负责电磁场转换，第二是当作绕制感应线圈的骨架。

    下图分为为工字电感的磁芯以及成品工字电感

    在上文中，我们讲到电感只有两个端口，分别为输入和输出端口。这两端口分别对应着感应线圈的两头。它是怎么实现控制的呢。上文我们已经讲到电感是由感应线圈和磁芯组成的。既然感应线圈对应着输入和输出端口，很显然想在感应线圈上做文章是行不通的。那答案显而易见，想要把电感当做开关只能从磁芯的角度去思考其原理了。

   电感到底是怎么实现开关作用的呢，先埋个伏笔，明天开始正式讲解。

    继续更新。

    今天开始正式讲解磁放大器的技术原理。今天主要讲解有关磁的物理学概念。大多数人之所以觉得磁性材料难学，是因为他没有搞懂磁学相关的概念。夯实磁学概念是相对较痛苦的，但是一旦你真正理解了磁学的相关概念，对后面的磁性器件的原理以及设计帮助会很大。

    大家需要了解的第一个物理学常识，电和磁是一体的，二者相互依存，相互共生。至于说永磁体这类玩意，其实初期也是通过电生磁的原理，给这类材质充磁，从而使其可以长久的保存磁场。不过这类材质不是我们今天探讨的话题，可以忽略。

    既然电和磁是相互依存，相互共生的，所以他们的物理特性具有很多的相似之处。

    电荷的运动靠的是电场的作用。电荷的运动通常被称为电流，而电场被称作电动势，通俗的讲法就是电压。

    磁性材料可以看作是由无数个微小的磁材分子组成的。这些微小的磁材分子在未加磁场时，其方向是随机排列的，整个磁材对外不表现磁性。当外加磁场时，这些微小的磁材对磁场很敏感，都顺着外加磁场的方向排列，整个磁材对外表现出磁性。

    如果撤去外加的磁场，整个磁材很快便失去了磁性，这类磁材称作软磁材料，反之称作硬磁材料。至于说这些磁材为什么对磁场的表现各异主要是由其原子结构决定的，在此忽略。

    上文提到的微小的磁材分子专业术语叫作磁畴，而外加的磁场称作磁动势，是不是和电动势有点类似。而单位长度的磁动势，我们称之为磁场强度，符号为H。

    在外加磁场的作用下，磁材被顺利的磁化了，则必然存在着磁路，使外加磁场可以作用于磁性材料，并形成回路。我们知道磁场的回路方向是由北极指向南极的。物理学中用磁通来描述客观存在的外加磁场作用于磁材所形成的回路。

    如何描述单位面积中的磁通大小呢，这就引入了另一概念，磁通密度。前人用磁通密度这一物理量来衡量单位面积中的磁通大小。磁通密度还有另一个名称叫作磁感应强度，符号为B。

    上面的诸多概念总结如下：磁动势作用于磁材，使磁畴发生定向偏转，从而形成磁通。穿过单位面积中的磁通量被称为磁通密度。

    电流形成的原因是因为电动势作用于电的良导体，导致电荷的定向移动，从而形成电流。这和上文提到的磁通的形成是否有很多的类似处呢？

    其实物理学中很多的概念均是相通的，只不过换了几个名词，很多人就懵了。

    明天继续讲解磁相关的物理学概念。

    清明小长假结束，今天继续更新。

    前文主要讲了磁动势以及磁通密度的概念。今天讲讲围绕这两个概念衍生出的概念。

    我们知道不同的导电材质，其电导率不同。物理学中用电导率来衡量不同材质的导电能力，电导率符号为G，其与电阻为倒数的关系，同时电导率为电流和电压的比值。同样的道理，不同材质的磁材，其导磁率也是不同的，物理学中用什么来衡量呢。答案是磁导率，符号为u。磁导率等于磁通密度与磁动势的比值。

    对比着电导率的概念，大家是否发现磁导率的命名有很多的相似处呢。

    很多磁性材质的使用环境为真空状态，为此我们需要在真空中衡量一些磁材的导磁能力。显而易见，按照物理学中通常使用的衡量参数特性的套路，在此又得引入一个概念，相对磁导率。

    既然是在真空中衡量磁材的导磁率，首先得知道真空环境本身的导磁率如何，无数先贤实测得到真空的磁导率为4×Pi×???(具体数值大家自己百度一下，打数值太繁琐了，影响我的思考)，符号为u0。

    前文我们讲到衡量磁材的导磁能力的参数为磁导率u，该磁导率我们认为是磁性材质的绝对磁导率。由此则相对磁导率＝绝对磁导率/真空磁导率＝u/u0。相对磁导率的符号为ur。

    电流的形成需要除了需要有电压，电的良导体，还需要什么呢？答案是闭合的回路。只有具备了上述三个条件，才能形成电流。我在此将该闭合的回路命名为电路。

    同样的道理，磁通的形成除了需要磁动势，磁的良导体，还需要什么呢？依旧是闭合的回路，在此我们假设空气不能导磁。唯有上述三个条件同时成立，磁通才能形成。物理学中将该闭合的回路命名为磁路。

    我们知道电导率G为电阻R的倒数。前文讲解了磁导率的概念，其符号为u。很明显磁学中也有一个对应的物理量，它就是磁阻，符号为Rm。磁阻用于描述磁性材料对磁通的阻碍能力。磁阻不仅与磁导率有关，还与磁路的长度及磁材的横截面积有关。通常磁阻与磁路的长度L成正比，与磁导率u及磁材的横截面积A成反比，即Rm=L/(u×A)。

    之前讲解的均是电场和磁场的相似之处，今天讲讲磁和电的区别。

    我们知道形成电流需要具备三要素，即电压，电的良导体以及闭合的回路。当回路断开，电流便消失了。

    虽然磁通的形成也需要三要素，即磁动势，磁的良导体以及闭合的磁路。但是当磁路断开，磁通并不是立刻消失的。磁通会在磁性材料中停留一段时间。磁通在不同的磁材中停留的时间各异。如果是软磁材料，当回路断开，很短的时间内，磁通便会消失。如果是硬磁材料，磁通会停留相对较长的时间。如果是永磁材料，通常认为磁通不会消失。

    物理学中如何衡量磁学中这一特性呢，这又得命名一个概念来解释该性质，专业术语叫作磁滞性。专业的解释为磁通密度B的产生滞后于磁场强度H。我的解释是磁通的形成滞后于磁场。

    下面把磁性材料的磁化过程描述一下。外加磁场由零开始递增，当磁场达到一定的阀值，闭合磁路中的磁通开始成正比例增加。当磁场达到某一值时，磁通开始趋于平坦，最终达到饱和，此数值称为饱和磁通。此时即使继续增加磁场，磁通也不会再增加。当撤去外加磁场，磁通开始消失，但却不是沿着之前的路线下滑，而是沿着另一条路线缓慢减少。当减小至某一数值，磁通便不会再减少。此一数值称为磁材的剩磁。

    接下来这张图便是磁材的磁滞曲线，看懂这张图，开关电源中的变压器以及磁放大器的原理便通了。

是不是 

磁场强度相当于电压

磁导率相当于电导率

磁通量相当于电流

建议你把这些量的单位以及换算都列出来 这样更便于我们理解