假定已建立全新非線性元件SPICE模型–包括各種電壓變量和自熱效應(yīng)。模型以直流電源仿真方式模擬元件真實(shí)特性1。然而，在長(zhǎng)時(shí)間交流電源瞬態(tài)仿真過(guò)程中，您會(huì)注意到，完成的時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)。有毅力的工程師耐心等待。但是，10分鐘或更長(zhǎng)時(shí)間之后，就開(kāi)始堅(jiān)持不住了。更糟糕的是，界面彈出圖1所示的信息讓人無(wú)法繼續(xù)等待。

圖 1

分析：時(shí)間步過(guò)小；時(shí)間=0.141773，時(shí)間步=1.25029e-016：節(jié)點(diǎn) “u2：：6”故障

這時(shí)，您會(huì)嘗試一些可能的解決辦法2，3，但無(wú)濟(jì)于事，計(jì)算時(shí)間似乎只會(huì)增加，準(zhǔn)確性也不復(fù)存在。有時(shí)，您必須面對(duì)模型重啟的現(xiàn)實(shí)。

現(xiàn)在，很容易說(shuō)明重啟是超級(jí)英雄大片中比SPICE模型更重要的角色。我的建議：重新思考模型并加以簡(jiǎn)化。實(shí)際操作中，將盡可能多的特征組成連續(xù)推導(dǎo)的行為源。這樣，可以增加新的令人興奮的特征，鼓勵(lì)用戶(hù)進(jìn)一步認(rèn)真觀察思考。

本文介紹上述過(guò)程結(jié)束時(shí)，新的Vishay PTC浪涌限流器模型得出的結(jié)果。

原始PTC模型 （https://www.vishay.com/doc？29184） 建立在以下等效電路 （圖2） 基礎(chǔ)上，該電路用于物理描述PTC與并聯(lián)電壓的依賴(lài)性關(guān)系：

圖 2

這個(gè)電路適用以下方程式：

方程 （1） 至 （3） 是定義元件的電學(xué)定律

方程 （4） 是元件熱平衡。

代入詳細(xì)數(shù)據(jù)將方程 （1） 至 （4） 轉(zhuǎn)換成典型E、G和H SPICE源電路，否則我們必須處理11個(gè)彼此相互作用的行為源。

簡(jiǎn)化之后，模型描述減少到兩個(gè)方程式：

新模型不包含方程 （1） 的VDR物理參數(shù)，方程 （5） 純擬合函數(shù)F根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量值確定，如圖3所示4。

圖 3

低于脈沖電壓最小PTC電阻

這個(gè)重啟模型的新符號(hào)如圖4所示，與參考文獻(xiàn)2中發(fā)布的模型相反。新特點(diǎn)是一個(gè)引腳指明PTC （T5節(jié)點(diǎn)） 內(nèi)部溫度，我們希望這對(duì)設(shè)計(jì)師非常有用。

這個(gè)溫度節(jié)點(diǎn)不是懸而不決，LTspice符號(hào)編輯器可進(jìn)行量化操作，包括構(gòu)建一個(gè)小的內(nèi)部溫度計(jì)顯示測(cè)量的元件溫度。

圖 4

下一個(gè)問(wèn)題：簡(jiǎn)化模型是否與原有模型一樣有效評(píng)估基本屬性？ 為此，我們需要在相同仿真條件下對(duì)比兩種模型。

在第一個(gè)瞬態(tài)仿真中 （圖4），我們以非常低和非常高的電壓，在PTCEL13R501RBE兩端施加非熱脈沖電壓，用SPICE錯(cuò)誤日志文件計(jì)算并顯示圖2瞬時(shí)電阻與溫度的關(guān)系。

所得曲線與同一仿真，但采用典型模型進(jìn)行的相同測(cè)量進(jìn)行比較，精確復(fù)制物理測(cè)量結(jié)果。

圖 5

PTCEL 13 500 ? （LTspice測(cè)量值） （0V和700V 脈沖電壓） 的電阻特性

rptc典型模型 （0V）? ? ? rptc典型模型 （700 V 脈沖電壓）

重啟模型 （0V）? ? ? ? 重啟模型700 V 脈沖電壓

現(xiàn)在，如圖5所示，當(dāng)重啟和正態(tài)模型整個(gè)溫度范圍內(nèi)，0 V條件下所得電阻相同時(shí)，它們僅在700 V脈沖條件下一致 （橙色和紅色曲線），只要溫度不超170 °C。這種不便恰好對(duì)于PTC保護(hù)并不重要；設(shè)計(jì)人員主要關(guān)心低于、介于或高于開(kāi)關(guān)溫度，即140 °C出現(xiàn)的情況。高于這個(gè)溫度，PTC電阻上升到非常高的阻值，電路電流快速下降，PTC溫度不可能進(jìn)一步增加。所有結(jié)果在170 °C以上重現(xiàn)，很容易視為情況不錯(cuò)，但不是必不可少的性能。

現(xiàn)在，我們來(lái)驗(yàn)證這些模型交流電源瞬態(tài)仿真效果，我們的新模型可在合理時(shí)間內(nèi)完成。

下一個(gè)仿真中，我們采用完整的SMPS穩(wěn)壓平滑電路，290 ?負(fù)載施加440 V峰值電壓。我們可以將開(kāi)關(guān)設(shè)置為電容充電達(dá)到95%電壓振幅時(shí)PTC失效。重啟模型運(yùn)行速度比前一模型快20倍，幾秒鐘之后即可給出結(jié)果 （仿真速度為200 ms / s，實(shí)際時(shí)間為1秒，因此每次仿真5秒鐘之后即可給出結(jié)果）。PTC （± 30 %） 和DC鏈路電容器 （± 20 %） 采用蒙特卡羅公差。仿真進(jìn)行十次。

圖 6

我們顯示兩個(gè)PTC的溫度變化 （圖7），電容器周邊電路電壓上升 （圖8），以及阻性負(fù)載電流 （圖9）。

圖 7

V（t2b）*1 °C/1V? ? ? ? 1 °C/1V*C（t1）

圖 8

圖 9

如7所示，電容充電需要0.25秒到0.5秒，PTC溫度上升到70 °C到90 °C （低于開(kāi)關(guān)溫度）。當(dāng)電壓達(dá)到440 V的95 % 時(shí) （圖8），開(kāi)關(guān)閉合，電流加至負(fù)載 （圖9）。

我們現(xiàn)在可以按下所有紅色按鈕，用圖6相同的電路模擬4.7 mF大電容充電并顯示電路行為。很短時(shí)間之后，兩個(gè)PTC開(kāi)關(guān)高于160 °C （圖10），但不超過(guò)170 °C （我們新的模型有效限制）。有點(diǎn)令人驚訝的是，當(dāng)PTC溫度下降時(shí) （圖10），似乎飽和的電容繼續(xù)充電 （圖11）。25秒至1分多鐘負(fù)載接通電流。

圖 10

V（t2b）*1 °C/1V? ? ? ? ? 1 °C/1V*V（t1）

圖 11

現(xiàn)在，我們用8個(gè)PTC組成的電路網(wǎng)絡(luò)演示曲線圖形 （圖12）。 平滑電容短接，以產(chǎn)生PTC切換的巨大電流。

圖 12

圖13顯示八個(gè)PTC中每一個(gè)的溫度變化 （注意，極為有限的情況下初始環(huán)境溫度選擇70 °C）。

一半元件0.7秒后，溫度達(dá)到165 °C左右切換。這與預(yù)想是完全一樣的。如果咨詢(xún)PTC電氣工程技術(shù)人員，他們會(huì)告訴您，每個(gè)PTC網(wǎng)絡(luò)分支中的一個(gè)元件切換，這是最高值的元件。與這個(gè)開(kāi)關(guān)部分串聯(lián)的元件溫度下降。

圖 13

1 °C/1V*V（t3b）? ? V（t4）*1 °C/1V? ? V（t4b）*1 °C/1V? ? V（t2）*1 °C/1V? ?V（t3）*1 °C/1V? ? V（t1b）*1°C/1V? ??V（t2b）*1 °C/1V? ? 1 °C/1V*V（t1）

總之，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的重啟模型不僅證實(shí)了PTC技術(shù)專(zhuān)家所說(shuō)的情況，而且使我們能夠非常快速地給出預(yù)測(cè)結(jié)果。

不必盯著屏幕看幾個(gè)小時(shí)，不用浪費(fèi)時(shí)間，仿真過(guò)程中不會(huì)出錯(cuò)，這是準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)的理想方法。

與往常一樣，本文所示模型和仿真電路可在以下網(wǎng)址獲取 edesign.ntc@vishay.com.

參考資料：

1.Simulation Notes for SPICE Modelling PTCTL， PTCCL， and PTCEL， https://www.vishay.com/doc？29180

2.https://electronics.stackexchange.com/questions/262663/how-to-trace-down-why-ltspice-simulation-is-slow

3.https://www.analog.com/en/technical-articles/ltspice-speed-up-your-simulations.html#

4.PTCEL data sheet https://www.vishay.com/doc？29165