采用LTspice设计PTC限流保护器件

作者 / Alain Stas 威世科技 (Vishay)

　　Alain Stas，Vishay(威世科技)非线性电阻器产品营销工程师。拥有Université libre de Bruxelles (ULB)物理学系土木工程专业硕士学位，专业是固态电子。

　　陶瓷PTC元件通常用于过流电路保护。它们的工作原理比较简单。其电阻特性随温度变化如图所示(图1)。

　　低温时 (正常电压)，元件电阻低，出现电涌、过压或外部温度升高时元件变热。当元件热量达到切换温度 (Ts) 时，阻值急剧增加。这种Ts由制造元件使用的材料决定，可通过适当混合氧化物钡 (锶、铅) TiO3随意调整。

　　因此，低环境温度时，PTC将正常电流送入电路，高于Ts点时开路。然而，在实践中，PTC动作背后的现象非常复杂，描述各种现象的方程式几乎没有。

　　如果应用中需要使用PTC，有两种基本研究方法。第一种是高度科学的方式。 例如，您可能读过有关Heywang模型^[1]的文章，深入了解晶界电阻率变化的有趣原理，以及居里温度效应。

　　如果没有时间专门研究，第二种方法是直接查看元件数据手册。请务必阅读Vishay文档“PTC使用条件说明”^[2]，其中介绍了许多PTC参数，从Ts到压敏电阻 (VDR) 效应以及跳闸和非跳闸电流。高性能设计必须考虑所有这些特性。

　　这两种基本方法需要具备丰富的知识并对设计能力提出挑战。一定要有足够的时间，因为设计实用PTC是一项棘手的工作 (我们还没谈到分析上述所有参数允差的影响)。

　　因此，人们想知道是否还有可以直接试错的方法，一种随意即插即用的方法，如果要求不算过分的话。

1 导入 LTspice

　　当SPICE模型经过精心设计 (通常是所有电路仿真模型专家共同努力的结果)，的确能够真实反映各种技术指标。此外，它们可以将所有建模指标同时组合在一次模拟中，显示指标之间的相互作用。压敏效应、热质量、耗散因数、环境温度效应、电阻温度变化系数、跳闸和非跳闸电流，所有这些指标的允差可以同时测试。不需要复杂的解释。只需根据常识判断选择元件，就可以在模拟过程中观察复杂的传导现象。

　　研究最流行的仿真软件之后，似乎唯一适于电子PTC建模的软件是TINA TI，但用于建模的元件严重过时 (PHILIPS Components，注：飞利浦元件公司几年前被威世收购)。因此，没有实现的可能，除此之外，任何供应商的电路似乎都不可能导入PTC模型——到目前为止。更新过压PTC建模的时机已经成熟，为此笔者选择速度最快的软件：ADI公司的LTspice。这一软件适用于Vishay的PTCTL (过压保护)，PTCCL (限流器) 和PTCEL (电涌放电器)。

　　为了论证，我们来看图2中的模拟电路。这个小电路说明当串联1000Ω 负载电阻的Vishay PTCCL05H100SBE (R25 =1600Ω) AC过压达到800 V、50 Hz时PTC的切换情况。模拟在三个温度条件下重复。随着PTC变热电流下降(如图3)，表明环境温度升高切换时间缩短。再来看电流扁平时的情况，这时电流接近0;这是VDR效果。低电压时，PTC是在电阻升高。

　　第二个模拟电路 (图4) 显示PTC用作自恢复保险丝。随时间变化的电压V (电源) 加到另一个Vishay PTCEL (电涌放电器)。图4三个部分显示，一旦进入PTC的电流超过规定值 (120 mA非跳闸电流)，PTC变热并在一定时间内切换到高阻值，取决其电阻允差 (蒙特卡罗分析)。在1300 s之后 (任意时间)(如图5)，电压回到220 V时，PTC保持高电阻切换状态 (中间部分)，电源电压值需要下调 (t = 1800 s)，使PTC温度降下来。

　　现在，我们进一步仔细研究陶瓷PTC用作插电式混合动力车或电动汽车车载充电器 (OBC)，以及电机驱动器电源的电涌限流器。

　　图6示例中，三相变压器次级绕组 (ph1至ph3) 经DC-Link电容器C1进行电压整流滤波之后为负载供电。出于这种模拟的目的，图6中未显示负载 (通常与C1并联)。

　　设计问题在于确定需要并联多少个PTC (图6中两个)，以确保正常条件下不产生PTC切换。PTC切换的情况下，电容器C1电压绝不会接近AC电源摆幅最大值。图7显示采用两个 (红色曲线)、三个 (黄色曲线) 或四个 (白色曲线)并联PTC，三种环境温度条件下 (0℃、25℃和50℃) 模拟C1充电电压。我们看到，只有采用两个PTC出现达到最大电压的问题，特别是在TEMP上升时。采用三个甚至四个时，应用更安全。

　　利用电路模拟可以进行更多PTC串并联组合测试 (按照部分供应商的建议 ^[3] )。图8示例中，同一电路仅采用一个PTC (左侧) 与采用四个PTC (两组两个串联PTC组成并联网络) 相比，平均电阻相同，但热量更高。图9显示一个PTC (上部)和四个PTC (下部) 电路的模拟结果。我们可以清楚地看到，PTC网络在电压摆幅最大时为电容器充电，而单个PTC在这个电容器充电之前切换。

　　当然，由于目前市场上可选PTC SPICE型号数量有限，因此无法保证找到满足所有预期的合适元件。这种情况不必担心，好的老方法仍然适用。

　　SPICE PTC建模的推广刚刚开始，当然，正如俗话所说，罗马不是一天建成的。值得注意的是，SPICE经过30多年的演化，人们仍然可以发现没有现成精确模型的元件类型。本文中介绍的PTC SPICE模型可在以下网站下载https://www.vishay.com/docs/29184/ltspice_ptcel_cl_tl.zip.

　　演示的模拟电路可发送电子邮件至edesign.ntc@vishay.com获取。

　　参考文献：

　　[1]Sang-Hee Cho.Journal of the Korean Ceramic Society,2006(11):673~679

　　[2] https://www.vishay.com/docs/29007/ptcexpla.pdf[R/OL], 2018

　　[3]https://en.tdk.eu/inf/55/db/PTC/PTC_ICL_OC_Leaded_260V_1000V.pdf[R/OL], 2018

　　本文来源于《电子产品世界》2018年第12期第23页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。