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

Vishay 发表于 2020-01-09 18:12:53 收藏 已收藏
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2021:热敏电阻仿真奥德赛(第1部分):从桌面LTspice到云端VHDL-AMS

Vishay 发表于 2020-01-09 18:12:53
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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

2021: 热敏电阻仿真奥德赛

图2: SystemVision® Cloud仿真电路

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图3: LTspice仿真结果

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图4: SystemVision® Cloud仿真结果

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图5: PTC内部温度

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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

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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

2021: 热敏电阻仿真奥德赛

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⟩

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