第1部分： 從桌面LTspice到云端VHDL-AMS

設計工程師評估新的電子仿真工具時，應盡可能牢記以下要點：

-建立更好的描述性甚至預測模型

-更有效地準備實際實驗

-在合理時間范圍內獲得解決方案

-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）博客已發表大量文章，專門介紹Vishay非線性無源器件，我們無疑已經證明，對于Vishay非線性電阻，LTspice計算能夠準確再現元件及其應用中觀察到的實驗結果。LTspice速度極快，可將模擬器件以外的條件輕松導入SPICE模型。這是電子仿真工具最重要的品質之一。

負溫度系數 （NTC） 熱敏電阻1和正溫度系數 （PTC） 熱敏電阻建模時2，許多電氣特性與溫度相關，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。物體溫度本身變成電壓，原樣模擬各種行為產生的自熱4。

但是，如果設計師想將一側的電效應與另一側的熱效應結合呢？ 這時，他們可以使用SABER RD，這是一種相當流行的軟件，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建模進行多學科仿真的方法，是采用IEEE 標準 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（Mentor） 推出的一種基于云的仿真工具，常規用戶免費使用。

VHDL-AMS 語言 （也可以使用 VERILOG-AMS） 完整系統建模特別有趣的一個例子是安全氣囊系統，從電容傳感器開始，經過信號處理，最后以化學反應結束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果一致性是十分重要的。例如，圖1仿真電路中，PTC 開關在不同環境溫度條件下的表現。由于SystemVision? Cloud沒有參數掃描功能，我們重復PTC元件四次，每次取一個環境溫度，這在LTspice中不容易實現。于是，我們得到圖2仿真結果。從圖 3 和圖 4的圖形可以看出，結果相似。重復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，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仿真結果

圖4： SystemVision? Cloud仿真結果

圖5： PTC內部溫度

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，圖中顯示溫度從環境溫度上升到160 °C。LTspice尚未實現這種內部溫度可視化，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，作為多學科技術，VHDL-AMS語言不僅涉及模擬電子技術，而且涉及熱設計特性，可以直接掌握元件達到的內部溫度。一般來說，這些設計的性質可以是數字、機械、電磁、液壓或輻射。

現在，我們在簡化 （且現實） 的浪涌電流限制應用中測試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），平穩的三相AC整流電源電壓，經二極管和大電容 （3 mF 或更大） 生成恒定電流加到負載。PTC 網絡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，兩個開關閉合。 因此，PTC 網絡斷開，電流引入負載過程中處于冷卻狀態。

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。結果如圖 7 所示。PTC 網絡每個并聯電阻，其中一個PTC （上部分支最高值 u66） 熱量高于開關溫度。這時，整個電壓為開關元件電壓。PTC 網絡阻值全面提高，使浪涌電流在不到 0.5 秒內降到零，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可以調整，即環境溫度、PTC 元件公差和容值。理論上，這樣可在實驗之前校準 PTC 網絡，并驗證整個環境溫度范圍內是否有效保護。

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。建立多學科模型甚至可以激發SPICE 的靈感。不過，作為通常結束一篇文章的懸念，我們將在第二部分討論這方面的內容。

　　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?