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⟩
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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。
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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。
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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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