基于LTspice的溫度掃描分析方法

王高騰，郭歡歡

（蘭考三農(nóng)職業(yè)學院，河南蘭考,475300）

0 引言

電路器件的參數(shù)易受周圍環(huán)境溫度的影響，這給電路系統(tǒng)，特別是精密的測量電路帶來一定的干擾[1]。在某些特殊場合，例如半導體制造領(lǐng)域，需要使電子設(shè)備在恒溫環(huán)境中工作[2]。

為了降低溫度變化對電路性能的影響，人們通常對關(guān)鍵電路模塊進行溫度補償設(shè)計。但是，如何評估溫度變化對電路器件參數(shù)的影響，是一項棘手的問題。一方面，這可以根據(jù)電路原理進行分析，采用預估的手段對電路特性隨溫度變化進行定性評估，例如在共射極放大電路中，溫度變化對靜態(tài)工作點的影響；另一方面，也可以利用實驗手段進行精確的測定，但需要較為昂貴的精密測量儀器[3,4]。

本文中，筆者使用電路仿真方法考察溫度對電路性能及器件參數(shù)的影響，該方法能使結(jié)果快速定量的展現(xiàn)出來，較為節(jié)省人力物力。所使用的工具是ADI公司推出的LTspice電路仿真軟件，相比于Multisim、Proteus、Pspice等商業(yè)軟件，它不僅具有工業(yè)級的計算精度與易用性，而且可以免費使用，這對于尊重開發(fā)者的知識產(chǎn)權(quán)與勞動成果，避免版權(quán)糾紛極為重要。

1 溫度仿真實驗原理

當考慮溫度對電路器件參數(shù)及性能的影響時，有式（1）：

其中t為器件周圍環(huán)境溫度值，℃；y為所考察的電學量。式（1）是一個以溫度為自變量的單值函數(shù)，例如電阻阻值隨溫度變化的計算式（2）[4]：

從式（3）可見，電阻值是一個以環(huán)境溫度t為自變量的單值函數(shù)。由此可以根據(jù)不同溫度值得到對應的電阻值，顯然也能繪制出電阻隨溫度的變化曲線，依此觀察變化趨勢，式（3）所示的曲線具有拋物線形狀特征。但是，這種公式解析的方法對人員的要求較高，該方法需要提前知道被考察的器件參數(shù)值隨溫度變化的解析公式，不易掌握，并且計算量較大。

為克服由此帶來的缺點與不便，使用計算機輔助手段，例如電路仿真軟件可以快速得到結(jié)果。目前市面上常見的電路仿真軟件是 Multisim、Proteus、Tina、Pspice、Altium等，它們都是商業(yè)化軟件，正常使用需要支付不菲的費用。為尊重開發(fā)者的勞動成果及知識產(chǎn)權(quán)，本文選用ADI公司推出的電路仿真軟件LTspice作為主要的分析工具，它不僅可以免費使用，而且功能十分強大，其主要功能并不弱于商業(yè)軟件。

由于本文主要考察溫度變化對電路變量（電壓值、電流值）或器件參數(shù)的影響，故主要使用了LTspice軟件的溫度掃描功能。

2 LTspice的溫度掃描方法

為簡要說明LTspice的溫度掃描使用方法，在軟件中搭建如圖1所示的測試電路，其中溫度系數(shù)取tc1=0.001/℃,tc2=0.00001/℃，室溫27℃下的電阻值為1Ω。仿真時設(shè)置溫度的變化范圍是-45℃至150℃，該溫度范圍是絕大多數(shù)器件、設(shè)備在其數(shù)據(jù)手冊中標稱的數(shù)值，本文稱該溫度范圍為工業(yè)溫度范圍。

圖1 使用.dc命令的仿真原理圖

在LTspice軟件中，temp是一個內(nèi)置的溫度變量，對溫度進行直流掃描的命令格式為：

本文所用仿真命令為：

運行仿真后，電阻值隨溫度的變化曲線如圖2所示。

觀察圖2可見，電阻值隨溫度變化曲線符合式（3）的拋物線形狀特征。在圖2所示的終點溫度值150℃處，電阻值達到1.274Ω，它比其室溫值1Ω增長了27.4%，而在終點溫度值-45℃處，電阻值只降到0.98Ω，降低了2%。這與人們的日常直覺相符，在工業(yè)溫度范圍內(nèi)，對電路性能影響較大的往往是工作環(huán)境的升溫作用。

圖2 使用.dc命令的仿真結(jié)果

3 溫度對恒流源電路的影響

本節(jié)以兩個廣泛應用的恒流源為例，使用上節(jié)所述的LTspice溫度掃描方法，分析溫度對恒流源電路輸出電流的影響。仿真原理圖如圖3、圖4所示，前者使用安世半導體（Nexperia）的恒流源集成芯片NCR401U（其官網(wǎng)SPICE模型已包含溫度相關(guān)的參數(shù)），負載為電阻R1；后者使用恩智浦半導體（NXP）的2N3904等分立元件搭建一個恒流源，負載為電阻R3。經(jīng)過計算及電路參數(shù)微調(diào)，使兩個恒流源在室溫（27℃）的輸出電流均為10mA。

圖3 基于NCR401U的恒流源

圖4 基于分立元件的恒流源

通過查看NCR401U與2N3904的數(shù)據(jù)手冊，選取溫度變化范圍為-50℃～150℃，此溫度范圍是這兩個器件的標稱數(shù)值。仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。可見，在標稱溫度范圍內(nèi)，基于NCR401U的恒流源，其電流變化量為3.87mA，而基于分立元件的恒流源，其電流變化量僅為1.13mA。

圖5 集成元件恒流源輸出電流隨溫度的變化

圖6 分立元件恒流源輸出電流隨溫度的變化

如果以電路的抗溫漂能力作為主要的評判指標，則集成元件恒流源的仿真結(jié)果劣于分立元件恒流源的仿真結(jié)果，這是因為NCR401U的目標應用市場是汽車、白色家電及消費電子等領(lǐng)域的LED恒流驅(qū)動器，這類應用市場對恒流源的精度要求不太高，在設(shè)計制造時主要考慮成本，而溫度并不是首要考慮的因素。而基于分立元件的恒流源則表現(xiàn)優(yōu)異，事實上，圖4所示恒流源電路摘自瓦里安（Varian）離子注入機計量控制器電路，該恒流源作為離子注入機劑量控制器的電流基準，其精度直接決定了半導體制造過程中的離子注入劑量，因此需要恒流源具有較好的抗溫漂能力，并且為了保障其精度該恒流源電路絕大多數(shù)時間要工作在恒溫恒壓無塵環(huán)境中。

另一方面，觀察圖3、圖4所示的兩類恒流源電路，如果以應用成本作為主要的評判指標，則集成元件恒流源具有較大優(yōu)勢。一方面，其電路緊湊，設(shè)計面積小，成本低廉；另一方面，相比于圖4所示的分立元件恒流源，圖3所示的集成元件恒流源只使用一個電源供電，而分立元件恒流源則需要正、負兩個電源，這大幅增加了其應用成本。在實際設(shè)計過程中，高精度與低成本本質(zhì)上是兩個不相容的設(shè)計指標，要想獲得高精度，則低成本遙不可及；而要想獲得低成本，則對高精度的期望是奢侈的。

4 結(jié)論

本文介紹了LTspice的溫度掃描方法，分析了溫度變化對電路器件參數(shù)的影響。從仿真結(jié)果輸出曲線來看，采用直流掃描.dc命令的方法比較直觀，能較好反映所考察的電學量隨溫度的變化趨勢。

由于恒流源應用廣泛，因此本文也對兩類恒流源輸出電流受溫度的影響作了適當分析。仿真結(jié)果顯示，基于NCR401U的集成元件恒流源受溫度影響較大，而雙電源分立元件恒流源卻有較好的溫度穩(wěn)定特性，這是二者在設(shè)計時所面向的應用市場所致，前者適用于低成本應用市場，后者適用于高精密應用市場。

在實際使用中，既要考慮性能指標，又要考慮應用成本，并且這兩個指標并不是相容的。這給設(shè)計人員帶來一定的啟示，應用市場決定了不同器件、不同電路結(jié)構(gòu)的使用范疇，它們本質(zhì)上沒有絕對的孰優(yōu)孰劣，適合就好。