溫度由電壓驅動的多仿真器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境溫度變化時的一般響應十分理想，但對評價傳感器對規定動態溫度曲線的響應卻不再有效。在溫度調節應用中，瞬間狀態在電路設計中扮演著重要角色。例如，PID穩壓器的行為可能非常依賴于傳感器的熱惰性或響應時間。

　　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，按照用戶的應用需求，這個外部電壓代表熱敏電阻器的動態溫度。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)的指數式變化電壓為例。當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時間，電容器的規定初始電壓代表初始熱敏電阻器溫度。二者均可由用戶調節。R2值范圍這里是1秒至10秒。

　　圖1

　　采用溫度驅動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)

　　對于復雜性增加，這個例子中的固定電壓可用描述在應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網絡確定。

　　在溫度調節領域進一步發展該應用，溫度驅動/電壓驅動式模型可連接至由應用電路本身產生的電壓。該電壓必須代表由應用產生的相等溫度。本例中構建了一個溫度反饋回路來調節應用中的溫度。

　　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反饋到電源來調節溫度。使用電壓控制熱敏電阻器，可用傳遞函數來仿真冷卻/散熱器和負載組合，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控制晶閘管的Schmitt觸發器運放。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節檢測、控制，或者用于可以仿真最終溫度并反饋到NTC熱敏電阻器，以便調節溫度的調節過程。例如，目前已能夠根據溫度傳感器的溫度響應，實時調整PID溫度控制器的比例、微分和積分常數。

　　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(也經過17.2版本的測試)

　　- LTspice IV(也經過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。第三(僅為仿真)引腳通過RC電路(其RC常數是熱敏電阻器的響應時間)連接至固定電壓源。

　　根據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)可進一步發展該電路。重要的是應當注意，與電壓驅動/溫度驅動式熱敏電阻器模型相關聯的所有導入問題都已解決，無需用戶再費時費力，用戶將能把注意力完全集中于其自己的應用。

　　該NTC熱敏電阻器SPICE模型的原始建模是在LTSpice IV中進行的。另外，除了一個用于熱敏電阻器的更復雜熱傳遞函數外，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。欲知有關本文所述模型和仿真的更多信息，請發送電子郵件至edesign.ntc@vishay.com。

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

　　Alain Stas現任Vishay非線性電阻器產品營銷工程師，此前在布魯塞爾自由大學(ULB)研究生物技術過程的數學建模。Alain擁有布魯塞爾自由大學物理學和土木工程理學碩士學位，專業是固態電子學。