第1部分： 從桌面LTspice到云端VHDL-AMS

設(shè)計工程師評估新的電子仿真工具時，應(yīng)盡可能牢記以下要點：

-建立更好的描述性甚至預(yù)測模型

-更有效地準(zhǔn)備實際實驗

-在合理時間范圍內(nèi)獲得解決方案

-盡可能降低成本

目前最著名、使用最廣的模擬電路仿真工具仍是SPICE。

“星球模擬”（Planet Analog）博客已發(fā)表大量文章，專門介紹Vishay非線性無源器件，我們無疑已經(jīng)證明，對于Vishay非線性電阻，LTspice計算能夠準(zhǔn)確再現(xiàn)元件及其應(yīng)用中觀察到的實驗結(jié)果。LTspice速度極快，可將模擬器件以外的條件輕松導(dǎo)入SPICE模型。這是電子仿真工具最重要的品質(zhì)之一。

負溫度系數(shù) （NTC） 熱敏電阻1和正溫度系數(shù) （PTC） 熱敏電阻建模時2，許多電氣特性與溫度相關(guān)，因此，考慮熱量是非常重要的 （如自熱或傳熱延遲），但可以利用一些技巧來處理。例如，可以使用RC 電路3表示熱敏電阻的熱時間常數(shù)。物體溫度本身變成電壓，原樣模擬各種行為產(chǎn)生的自熱4。

但是，如果設(shè)計師想將一側(cè)的電效應(yīng)與另一側(cè)的熱效應(yīng)結(jié)合呢？ 這時，他們可以使用SABER RD，這是一種相當(dāng)流行的軟件，或使用SLPS （PSpice與MATLAB Simulink組合平臺）。

如果考慮成本，一種可以取代SPICE建模進行多學(xué)科仿真的方法，是采用IEEE 標(biāo)準(zhǔn) VHDL-AMS （超高速模擬和混合信號IC 硬件描述語言）。這種SystemVision? Cloud工具是明導(dǎo)（Mentor） 推出的一種基于云的仿真工具，常規(guī)用戶免費使用。

VHDL-AMS 語言 （也可以使用 VERILOG-AMS） 完整系統(tǒng)建模特別有趣的一個例子是安全氣囊系統(tǒng)，從電容傳感器開始，經(jīng)過信號處理，最后以化學(xué)反應(yīng)結(jié)束5。

回到熱敏電阻—SPICE和VHDL-AMS建立組件模型的方法略有不同，而且有不同的程序選項—采用SPICE和VHDL-AMS軟件時，驗證同樣類型仿真結(jié)果一致性是十分重要的。例如，圖1仿真電路中，PTC 開關(guān)在不同環(huán)境溫度條件下的表現(xiàn)。由于SystemVision? Cloud沒有參數(shù)掃描功能，我們重復(fù)PTC元件四次，每次取一個環(huán)境溫度，這在LTspice中不容易實現(xiàn)。于是，我們得到圖2仿真結(jié)果。從圖 3 和圖 4的圖形可以看出，結(jié)果相似。重復(fù)這種仿真和定量分析表明，電流振幅的微小差別與LTspice部署的蒙特卡羅公差有關(guān)，SystemVision?Cloud不支持這種情況。

圖1： LTspice仿真電路

圖2： SystemVision? Cloud仿真電路

圖3： LTspice仿真結(jié)果

圖4： SystemVision? Cloud仿真結(jié)果

圖5： PTC內(nèi)部溫度

SystemVision? Cloud仿真過程中，我們可以看到圖 5 每種仿真情況下，PTC元件的溫度變化，圖中顯示溫度從環(huán)境溫度上升到160 °C。LTspice尚未實現(xiàn)這種內(nèi)部溫度可視化，部分原因是影響仿真速度，而且PTC符號需要增加難以處理的“只讀”虛擬輸出腳。

圖 5 中的圖表清楚地顯示，作為多學(xué)科技術(shù)，VHDL-AMS語言不僅涉及模擬電子技術(shù)，而且涉及熱設(shè)計特性，可以直接掌握元件達到的內(nèi)部溫度。一般來說，這些設(shè)計的性質(zhì)可以是數(shù)字、機械、電磁、液壓或輻射。

現(xiàn)在，我們在簡化 （且現(xiàn)實） 的浪涌電流限制應(yīng)用中測試PTC VHDL模型，我們采用已知基本SMPS電路 （圖6，也可查看https://www.systemvision.com），平穩(wěn)的三相AC整流電源電壓，經(jīng)二極管和大電容 （3 mF 或更大） 生成恒定電流加到負載。PTC 網(wǎng)絡(luò)必須在電容充電期間限制浪涌電流。電容器電壓達到定義電壓后，兩個開關(guān)閉合。 因此，PTC 網(wǎng)絡(luò)斷開，電流引入負載過程中處于冷卻狀態(tài)。

圖 6： SystemVision? Cloud正常工作條件下SMPS電路仿真

例如，在這個仿真電路中，將電容并聯(lián)電阻r13的阻值 （通常為 100 M?） 降為0 ?，可以完全直觀地顯示電容短路時的情況。結(jié)果如圖 7 所示。PTC 網(wǎng)絡(luò)每個并聯(lián)電阻，其中一個PTC （上部分支最高值 u66） 熱量高于開關(guān)溫度。這時，整個電壓為開關(guān)元件電壓。PTC 網(wǎng)絡(luò)阻值全面提高，使浪涌電流在不到 0.5 秒內(nèi)降到零，從而保護整個電路。

圖7： SystemVision? Cloud電容短路條件下SMPS電路仿真

電路的許多其他參數(shù)可以調(diào)整，即環(huán)境溫度、PTC 元件公差和容值。理論上，這樣可在實驗之前校準(zhǔn) PTC 網(wǎng)絡(luò)，并驗證整個環(huán)境溫度范圍內(nèi)是否有效保護。

總之，我們可以說，歡迎為促進這種永無休止的元件仿真工作添磚加瓦，而SystemVision? Cloud、VHDL-AMS程序模塊正是這樣的工具。建立多學(xué)科模型甚至可以激發(fā)SPICE 的靈感。不過，作為通常結(jié)束一篇文章的懸念，我們將在第二部分討論這方面的內(nèi)容。

　　參考書目

　　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）Fran?ois 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?