溫度由電壓驅(qū)動的多仿真器NTC熱敏電阻器SPICE模型

        在目前市面上的NTC熱敏電阻器的經(jīng)典SPICE模型中，溫度仿真是使用嵌入式TEMP變量。這對研究電路在外部環(huán)境溫度變化時的一般響應(yīng)十分理想，但對評價傳感器對規(guī)定動態(tài)溫度曲線的響應(yīng)卻不再有效。在溫度調(diào)節(jié)應(yīng)用中，瞬間狀態(tài)在電路設(shè)計中扮演著重要角色。例如，PID穩(wěn)壓器的行為可能非常依賴于傳感器的熱惰性或響應(yīng)時間。

　　為解決該問題，我們提出了一個新的SPICE模型，它使用的是連接至外部電壓的第三虛擬引腳處的熱敏電阻器溫度。對仿真而言，按照用戶的應(yīng)用需求，這個外部電壓代表熱敏電阻器的動態(tài)溫度。用戶因此能夠通過改變該外部電壓來隨意改變熱敏電阻器溫度。

　　以圖1上的電容器C(通過連接至固定電壓V2的固定電阻器R2充電)的指數(shù)式變化電壓為例。當(dāng)我們將該等電壓連接至熱敏電阻器模型的第三引腳Tin時，圖2的仿真代表受到溫度階躍影響的熱敏電阻器的溫度變化。固定電阻器R2值代表熱敏電阻器的響應(yīng)時間，電容器的規(guī)定初始電壓代表初始熱敏電阻器溫度。二者均可由用戶調(diào)節(jié)。R2值范圍這里是1秒至10秒。

　　圖1

　　采用溫度驅(qū)動NTC熱敏電阻器的分壓器橋電路(溫度階躍為25°C至85°C)

　　圖2：仿真結(jié)果：上方是熱敏電阻器電壓V(NTC)/下方是熱敏電阻器溫度V(Tin)

　　對于復(fù)雜性增加，這個例子中的固定電壓可用描述在應(yīng)用中測得的溫度曲線的正弦波或分段線性電壓(帶文件)代替。熱敏電阻器將遵循該曲線，延遲由RC網(wǎng)絡(luò)確定。

　　在溫度調(diào)節(jié)領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展該應(yīng)用，溫度驅(qū)動/電壓驅(qū)動式模型可連接至由應(yīng)用電路本身產(chǎn)生的電壓。該電壓必須代表由應(yīng)用產(chǎn)生的相等溫度。本例中構(gòu)建了一個溫度反饋回路來調(diào)節(jié)應(yīng)用中的溫度。

　　這個模型的一個實際用例是熱電冷卻器控制器的仿真，其中NTC反饋到電源來調(diào)節(jié)溫度。使用電壓控制熱敏電阻器，可用傳遞函數(shù)來仿真冷卻/散熱器和負(fù)載組合，并通過電壓將溫度反饋給NTC。

　　另一個例子是溫度-速度測量(thermo-velocimetric)火警探測器，其中使用熱敏電阻器溫度的上升速度來開關(guān)控制晶閘管的Schmitt觸發(fā)器運(yùn)放。臨界溫度曲線(速度上升)可記錄在一個文件中，作為文本文件包含于仿真，并用于熱敏電阻器的虛擬溫度引腳。

　　通常，所提供的模型可用于任何溫度調(diào)節(jié)檢測、控制，或者用于可以仿真最終溫度并反饋到NTC熱敏電阻器，以便調(diào)節(jié)溫度的調(diào)節(jié)過程。例如，目前已能夠根據(jù)溫度傳感器的溫度響應(yīng)，實時調(diào)整PID溫度控制器的比例、微分和積分常數(shù)。

　　所提供的熱敏電阻器模型是在六個不同電子仿真器中提供的，因為SPICE語言語法因仿真器的不同而異。這些仿真器按字母順序排列如下：

　　- Altium Designer 16.1

　　- Cadence® OrCAD® 16.6(也經(jīng)過17.2版本的測試)

　　- LTspice IV(也經(jīng)過LTspice XVII 64位版本的測試;不推薦LTspice XVII 32位版本)

　　- NI的 Multisim 14.0(有針對Multisim Blue的單獨(dú)版本)

　　- SIMetrix/SIMPLIS 7.20k

　　- Tina-TI version 9

　　這些仿真在所有這些仿真器中都基于相同的原理并可立即使用。三引腳熱敏電阻器模型包含典型的感測電路，包括分壓器橋電路在內(nèi)。第三(僅為仿真)引腳通過RC電路(其RC常數(shù)是熱敏電阻器的響應(yīng)時間)連接至固定電壓源。

　　根據(jù)每個軟件的可用特性(分段線性電壓源、分段線性電壓文件等)可進(jìn)一步發(fā)展該電路。重要的是應(yīng)當(dāng)注意，與電壓驅(qū)動/溫度驅(qū)動式熱敏電阻器模型相關(guān)聯(lián)的所有導(dǎo)入問題都已解決，無需用戶再費(fèi)時費(fèi)力，用戶將能把注意力完全集中于其自己的應(yīng)用。

　　該NTC熱敏電阻器SPICE模型的原始建模是在LTSpice IV中進(jìn)行的。另外，除了一個用于熱敏電阻器的更復(fù)雜熱傳遞函數(shù)外，還有包括蒙特卡羅法容差和最壞情況分析的更多精致模型可用。欲知有關(guān)本文所述模型和仿真的更多信息，請發(fā)送電子郵件至edesign.ntc@vishay.com。

　　作者：Alain Stas， Vishay Intertechnology非線性電阻器產(chǎn)品營銷工程師

　　Alain Stas現(xiàn)任Vishay非線性電阻器產(chǎn)品營銷工程師，此前在布魯塞爾自由大學(xué)(ULB)研究生物技術(shù)過程的數(shù)學(xué)建模。Alain擁有布魯塞爾自由大學(xué)物理學(xué)和土木工程理學(xué)碩士學(xué)位，專業(yè)是固態(tài)電子學(xué)。