2021：热敏电阻仿真奥德赛（第1部分）：从桌面LTspice到云端VHDL-AMS

第1部分： 从桌面LTspice到云端VHDL-AMS

设计工程师评估新的电子仿真工具时，应尽可能牢记以下要点：

-建立更好的描述性甚至预测模型

-更有效地准备实际实验

-在合理时间范围内获得解决方案

-尽可能降低成本

目前最著名、使用最广的模拟电路仿真工具仍是SPICE。

“星球模拟”（Planet Analog）博客已发表大量文章，专门介绍Vishay非线性无源器件，我们无疑已经证明，对于Vishay非线性电阻，LTspice计算能够准确再现元件及其应用中观察到的实验结果。LTspice速度极快，可将模拟器件以外的条件轻松导入SPICE模型。这是电子仿真工具最重要的品质之一。

负温度系数 （NTC） 热敏电阻1和正温度系数 （PTC） 热敏电阻建模时2，许多电气特性与温度相关，因此，考虑热量是非常重要的 （如自热或传热延迟），但可以利用一些技巧来处理。例如，可以使用RC 电路3表示热敏电阻的热时间常数。物体温度本身变成电压，原样模拟各种行为产生的自热4。

但是，如果设计师想将一侧的电效应与另一侧的热效应结合呢？ 这时，他们可以使用SABER RD，这是一种相当流行的软件，或使用SLPS （PSpice与MATLAB Simulink组合平台）。

如果考虑成本，一种可以取代SPICE建模进行多学科仿真的方法，是采用IEEE 标准 VHDL-AMS （超高速模拟和混合信号IC 硬件描述语言）。这种SystemVision® Cloud工具是明导（Mentor） 推出的一种基于云的仿真工具，常规用户免费使用。

VHDL-AMS 语言 （也可以使用 VERILOG-AMS） 完整系统建模特别有趣的一个例子是安全气囊系统，从电容传感器开始，经过信号处理，最后以化学反应结束5。

回到热敏电阻—SPICE和VHDL-AMS建立组件模型的方法略有不同，而且有不同的程序选项—采用SPICE和VHDL-AMS软件时，验证同样类型仿真结果一致性是十分重要的。例如，图1仿真电路中，PTC 开关在不同环境温度条件下的表现。由于SystemVision® Cloud没有参数扫描功能，我们重复PTC元件四次，每次取一个环境温度，这在LTspice中不容易实现。于是，我们得到图2仿真结果。从图 3 和图 4的图形可以看出，结果相似。重复这种仿真和定量分析表明，电流振幅的微小差别与LTspice部署的蒙特卡罗公差有关，SystemVision®Cloud不支持这种情况。

图1： LTspice仿真电路

图2： SystemVision® Cloud仿真电路

图3： LTspice仿真结果

图4： SystemVision® Cloud仿真结果

图5： PTC内部温度

SystemVision® Cloud仿真过程中，我们可以看到图 5 每种仿真情况下，PTC元件的温度变化，图中显示温度从环境温度上升到160 °C。LTspice尚未实现这种内部温度可视化，部分原因是影响仿真速度，而且PTC符号需要增加难以处理的“只读”虚拟输出脚。

图 5 中的图表清楚地显示，作为多学科技术，VHDL-AMS语言不仅涉及模拟电子技术，而且涉及热设计特性，可以直接掌握元件达到的内部温度。一般来说，这些设计的性质可以是数字、机械、电磁、液压或辐射。

现在，我们在简化 （且现实） 的浪涌电流限制应用中测试PTC VHDL模型，我们采用已知基本SMPS电路 （图6，也可查看https://www.systemvision.com），平稳的三相AC整流电源电压，经二极管和大电容 （3 mF 或更大） 生成恒定电流加到负载。PTC 网络必须在电容充电期间限制浪涌电流。电容器电压达到定义电压后，两个开关闭合。 因此，PTC 网络断开，电流引入负载过程中处于冷却状态。

图 6： SystemVision® Cloud正常工作条件下SMPS电路仿真

例如，在这个仿真电路中，将电容并联电阻r13的阻值 （通常为 100 MΩ） 降为0 Ω，可以完全直观地显示电容短路时的情况。结果如图 7 所示。PTC 网络每个并联电阻，其中一个PTC （上部分支最高值 u66） 热量高于开关温度。这时，整个电压为开关元件电压。PTC 网络阻值全面提高，使浪涌电流在不到 0.5 秒内降到零，从而保护整个电路。

图7： SystemVision® Cloud电容短路条件下SMPS电路仿真

电路的许多其他参数可以调整，即环境温度、PTC 元件公差和容值。理论上，这样可在实验之前校准 PTC 网络，并验证整个环境温度范围内是否有效保护。

总之，我们可以说，欢迎为促进这种永无休止的元件仿真工作添砖加瓦，而SystemVision® Cloud、VHDL-AMS程序模块正是这样的工具。建立多学科模型甚至可以激发SPICE 的灵感。不过，作为通常结束一篇文章的悬念，我们将在第二部分讨论这方面的内容。

　　参考书目

　　1）https://www.vishay.com/doc？29174

　　2）https://www.sensorsmag.com/components/design-your-ptc-current-limiTIng-protecTIon-device-ltspice

　　3）https://www.planetanalog.com/author.asp？secTIon_id=3356&doc_id=564455

　　4）https://www.planetanalog.com/author.asp？secTIon_id=3356&doc_id=564755&

　　5）François Pêcheux， Christophe Lallement， Alain Vachoux. VHDL-AMS and Verilog-AMS as alternative hardware description languages for efficient modeling of multidiscipline systems. IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems， IEEE， 2005， 24 （2）， pp.204-225. 〈10.1109/TCAD.2004.841071〉。 〈hal-01195872〉