2021：热敏电阻仿真奥德赛（第3部分）：LTspice PTC限流器模型,到重启的时候了？

假定已建立全新非线性元件SPICE模型–包括各种电压变量和自热效应。模型以直流电源仿真方式模拟元件真实特性1。然而，在长时间交流电源瞬态仿真过程中，您会注意到，完成的时间相当长。有毅力的工程师耐心等待。但是，10分钟或更长时间之后，就开始坚持不住了。更糟糕的是，界面弹出图1所示的信息让人无法继续等待。

图 1

分析：时间步过小；时间=0.141773，时间步=1.25029e-016：节点 “u2：：6”故障

这时，您会尝试一些可能的解决办法2，3，但无济于事，计算时间似乎只会增加，准确性也不复存在。有时，您必须面对模型重启的现实。

现在，很容易说明重启是超级英雄大片中比SPICE模型更重要的角色。我的建议：重新思考模型并加以简化。实际操作中，将尽可能多的特征组成连续推导的行为源。这样，可以增加新的令人兴奋的特征，鼓励用户进一步认真观察思考。

本文介绍上述过程结束时，新的Vishay PTC浪涌限流器模型得出的结果。

原始PTC模型 （https://www.vishay.com/doc？29184） 建立在以下等效电路 （图2） 基础上，该电路用于物理描述PTC与并联电压的依赖性关系：

图 2

这个电路适用以下方程式：

方程 （1） 至 （3） 是定义元件的电学定律

方程 （4） 是元件热平衡。

代入详细数据将方程 （1） 至 （4） 转换成典型E、G和H SPICE源电路，否则我们必须处理11个彼此相互作用的行为源。

简化之后，模型描述减少到两个方程式：

新模型不包含方程 （1） 的VDR物理参数，方程 （5） 纯拟合函数F根据实验测量值确定，如图3所示4。

图 3

低于脉冲电压最小PTC电阻

这个重启模型的新符号如图4所示，与参考文献2中发布的模型相反。新特点是一个引脚指明PTC （T5节点） 内部温度，我们希望这对设计师非常有用。

这个温度节点不是悬而不决，LTspice符号编辑器可进行量化操作，包括构建一个小的内部温度计显示测量的元件温度。

图 4

下一个问题：简化模型是否与原有模型一样有效评估基本属性？ 为此，我们需要在相同仿真条件下对比两种模型。

在第一个瞬态仿真中 （图4），我们以非常低和非常高的电压，在PTCEL13R501RBE两端施加非热脉冲电压，用SPICE错误日志文件计算并显示图2瞬时电阻与温度的关系。

所得曲线与同一仿真，但采用典型模型进行的相同测量进行比较，精确复制物理测量结果。

图 5

PTCEL 13 500 Ω （LTspice测量值） （0V和700V 脉冲电压） 的电阻特性

rptc典型模型 （0V）      rptc典型模型 （700 V 脉冲电压）

重启模型 （0V）        重启模型700 V 脉冲电压

现在，如图5所示，当重启和正态模型整个温度范围内，0 V条件下所得电阻相同时，它们仅在700 V脉冲条件下一致 （橙色和红色曲线），只要温度不超170 °C。这种不便恰好对于PTC保护并不重要；设计人员主要关心低于、介于或高于开关温度，即140 °C出现的情况。高于这个温度，PTC电阻上升到非常高的阻值，电路电流快速下降，PTC温度不可能进一步增加。所有结果在170 °C以上重现，很容易视为情况不错，但不是必不可少的性能。

现在，我们来验证这些模型交流电源瞬态仿真效果，我们的新模型可在合理时间内完成。

下一个仿真中，我们采用完整的SMPS稳压平滑电路，290 Ω负载施加440 V峰值电压。我们可以将开关设置为电容充电达到95%电压振幅时PTC失效。重启模型运行速度比前一模型快20倍，几秒钟之后即可给出结果 （仿真速度为200 ms / s，实际时间为1秒，因此每次仿真5秒钟之后即可给出结果）。PTC （± 30 %） 和DC链路电容器 （± 20 %） 采用蒙特卡罗公差。仿真进行十次。

图 6

我们显示两个PTC的温度变化 （图7），电容器周边电路电压上升 （图8），以及阻性负载电流 （图9）。

图 7

V（t2b）*1 °C/1V        1 °C/1V*C（t1）

图 8

图 9

如7所示，电容充电需要0.25秒到0.5秒，PTC温度上升到70 °C到90 °C （低于开关温度）。当电压达到440 V的95 % 时 （图8），开关闭合，电流加至负载 （图9）。

我们现在可以按下所有红色按钮，用图6相同的电路模拟4.7 mF大电容充电并显示电路行为。很短时间之后，两个PTC开关高于160 °C （图10），但不超过170 °C （我们新的模型有效限制）。有点令人惊讶的是，当PTC温度下降时 （图10），似乎饱和的电容继续充电 （图11）。25秒至1分多钟负载接通电流。

图 10

V（t2b）*1 °C/1V          1 °C/1V*V（t1）

图 11

现在，我们用8个PTC组成的电路网络演示曲线图形 （图12）。 平滑电容短接，以产生PTC切换的巨大电流。

图 12

图13显示八个PTC中每一个的温度变化 （注意，极为有限的情况下初始环境温度选择70 °C）。

一半元件0.7秒后，温度达到165 °C左右切换。这与预想是完全一样的。如果咨询PTC电气工程技术人员，他们会告诉您，每个PTC网络分支中的一个元件切换，这是最高值的元件。与这个开关部分串联的元件温度下降。

图 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）

总之，经过简化的重启模型不仅证实了PTC技术专家所说的情况，而且使我们能够非常快速地给出预测结果。

不必盯着屏幕看几个小时，不用浪费时间，仿真过程中不会出错，这是准备实验的理想方法。

与往常一样，本文所示模型和仿真电路可在以下网址获取 [e-mail].

参考资料：

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