高手過招！採用 LTspice 設計 PTC 限流保護器件

陶瓷 PTC 元件通常用於過流電路保護。它們的工作原理比較簡單。其電阻特性隨溫度變化如下圖所示（圖1）。

低溫時（正常電壓），元件電阻低，出現電湧、過壓或外部溫度升高時元件變熱。當元件熱量達到切換溫度（Ts）時，阻值急劇增加。這種 Ts 由製造元件使用的材料決定，可通過適當混合氧化物鋇（鍶、鉛）TiO3 隨意調整。因此，低環境溫度時，PTC 將正常電流送入電路，高於 Ts 點時開路。然而，在實踐中，PTC 動作背後的現象非常複雜，描述各種現象的方程式幾乎沒有。如果應用中需要使用 PTC，有兩種基本研究方法。第一種是高度科學的方式。例如，您可能讀過有關 Heywang 模型[1] 的文章，深入了解晶界電阻率變化的有趣原理，以及居里溫度效應。如果沒有時間專門研究，第二種方法是直接查看元件數據手冊。請務必閱讀 Vishay 文檔“ PTC 使用條件說明”[2]，其中介紹了許多 PTC 參數，從 Ts 到壓敏電阻（VDR）效應以及跳閘和非跳閘電流。高性能設計必須考慮所有這些特性。
這兩種基本方法需要具備豐富的知識並對設計能力提出挑戰。一定要有足夠的時間，因為設計實用 PTC 是一項棘手的工作（我們還沒談到分析上述所有參數允差的影響）。因此，人們想知道是否還有可以直接試錯的方法，一種隨意即插即用的方法，如果要求不算過分的話。

導入 LTspic
當 SPICE 模型經過精心設計（通常是所有電路仿真模型專家共同努力的結果），的確能夠真實反映各種技術指標。此外，它們可以將所有建模指標同時組合在一次模擬中，顯示指標之間的相互作用。壓敏效應、熱質量、耗散因數、環境溫度效應、電阻溫度變化係數、跳閘和非跳閘電流，所有這些指標的允差可以同時測試。不需要復雜的解釋。只需根據常識判斷選擇元件，就可以在模擬過程中觀察複雜的傳導現象。

研究最流行的仿真軟件之後，似乎唯一適於電子 PTC 建模的軟件是 TINA TI，但用於建模的元件嚴重過時（PHILIPS Components- 飛利浦元件公司幾年前被威世收購）。因此，沒有實現的可能，除此之外，任何供應商的電路似乎都不可能導入 PTC 模型—到目前為止。更新過壓 PTC 建模的時機已經成熟，為此我選擇速度最快的軟件： ADI 公司的 LTspice。這一軟件適用於 Vishay 的 PTCTL（過壓保護），PTCCL（限流器）和 PTCEL （電湧放電器）。

為了論證，我們來看圖 2 中的模擬電路。這個小電路說明當串聯 1000W 負載電阻的Vishay PTCCL05H100SBE（R25 = 1600W）AC 過壓達到 800V、50Hz 時 PTC 的切換情況。模擬在三個溫度條件下重複。隨著 PTC 變熱電流下降，表明環境溫度升高切換時間縮短。再來看電流扁平時的情況，這時電流接近 0；這是 VDR 效果。低電壓時，PTC 視在電阻升高。

現在，我們進一步仔細研究陶瓷 PTC 用作插電式混合動力車或電動汽車車載充電器 （OBC），以及電機驅動器電源的電湧限流器。
圖 6 示例中，三相變壓器次級繞組（ph1 至 ph3）經 DC-Link 電容器 C1 進行電壓整流濾波之後為負載供電。出於這種模擬的目的，圖中未顯示負載（通常與 C1 並聯）。

設計問題在於確定需要並聯多少個 PTC（圖 6 中兩個），以確保正常條件下不產生 PTC 切換。 PTC 切換的情況下，電容器 C1 電壓絕不會接近 AC 電源擺幅最大值。圖7 顯示採用兩個（紅色曲線）、三個（黃色曲線）或四個（白色曲線）並聯PTC，三種環境溫度條件下（0°C、25°C 和50°C）模擬C1 充電電壓。我們看到，只有採用兩個 PTC 出現達到最大電壓的問題，特別是在 TEMP 上升時。採用三個甚至四個時，應用更安全。





利用電路模擬可以進行更多 PTC 串並聯組合測試（按照部分供應商的建議[3]）。圖 8 示例中，同一電路僅採用一個 PTC（左側）與採用四個 PTC（兩組兩個串聯 PTC 組成並聯網絡）相比，平均電阻相同,但熱量更高。圖 9 顯示一個 PTC（上部）和四個 PTC （下部）電路的模擬結果。我們可以清楚地看到，PTC 網絡在電壓擺幅最大時為電容器充電，而單個 PTC 在這個電容器充電之前切換。




當然，由於目前市場上可選 PTC SPICE 型號數量有限，因此無法保證找到滿足所有預期的合適元件。這種情況不必擔心，好的老方法仍然適用。