第1部分： 從桌面LTspice到云端VHDL-AMS

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

-建立更好的描述性甚至預(yù)測(cè)模型

-更有效地準(zhǔn)備實(shí)際實(shí)驗(yàn)

-在合理時(shí)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(mén)介紹Vishay非線性無(wú)源器件，我們無(wú)疑已經(jīng)證明，對(duì)于Vishay非線性電阻，LTspice計(jì)算能夠準(zhǔn)確再現(xiàn)元件及其應(yīng)用中觀察到的實(shí)驗(yàn)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(fù)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(shí)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(lái)處理。例如，可以使用RC 電路3表示熱敏電阻的熱時(shí)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(jì)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(shí)，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(tái)）。

如果考慮成本，一種可以取代SPICE建模進(jìn)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(hào)IC 硬件描述語(yǔ)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(fèi)使用。

VHDL-AMS 語(yǔ)言 （也可以使用 VERILOG-AMS） 完整系統(tǒng)建模特別有趣的一個(gè)例子是安全氣囊系統(tǒng)，從電容傳感器開(kāi)始，經(jīng)過(guò)信號(hào)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(xiàng)—采用SPICE和VHDL-AMS軟件時(shí)，驗(yàn)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(kāi)關(guān)在不同環(huán)境溫度條件下的表現(xiàn)。由于SystemVision? Cloud沒(méi)有參數(shù)掃描功能，我們重復(fù)PTC元件四次，每次取一個(gè)環(huán)境溫度，這在LTspice中不容易實(shí)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(guò)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(shí)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(hào)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(yǔ)言不僅涉及模擬電子技術(shù)，而且涉及熱設(shè)計(jì)特性，可以直接掌握元件達(dá)到的內(nèi)部溫度。一般來(lái)說(shuō)，這些設(shè)計(jì)的性質(zhì)可以是數(shù)字、機(jī)械、電磁、液壓或輻射。

現(xiàn)在，我們?cè)诤?jiǎn)化 （且現(xiàn)實(shí)） 的浪涌電流限制應(yīng)用中測(cè)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(fù)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(dá)到定義電壓后，兩個(gè)開(kāi)關(guān)閉合。 因此，PTC 網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)，電流引入負(fù)載過(guò)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(gè)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(shí)的情況。結(jié)果如圖 7 所示。PTC 網(wǎng)絡(luò)每個(gè)并聯(lián)電阻，其中一個(gè)PTC （上部分支最高值 u66） 熱量高于開(kāi)關(guān)溫度。這時(shí)，整個(gè)電壓為開(kāi)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(hù)整個(gè)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(shí)驗(yàn)之前校準(zhǔn) PTC 網(wǎng)絡(luò)，并驗(yàn)證整個(gè)環(huán)境溫度范圍內(nèi)是否有效保護(hù)。

總之，我們可以說(shuō)，歡迎為促進(jìn)這種永無(wú)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(guò)，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(shū)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?