基于LTspice的温度扫描分析方法

王高腾，郭欢欢

（兰考三农职业学院，河南兰考,475300）

0 引言

电路器件的参数易受周围环境温度的影响，这给电路系统，特别是精密的测量电路带来一定的干扰[1]。在某些特殊场合，例如半导体制造领域，需要使电子设备在恒温环境中工作[2]。

为了降低温度变化对电路性能的影响，人们通常对关键电路模块进行温度补偿设计。但是，如何评估温度变化对电路器件参数的影响，是一项棘手的问题。一方面，这可以根据电路原理进行分析，采用预估的手段对电路特性随温度变化进行定性评估，例如在共射极放大电路中，温度变化对静态工作点的影响；另一方面，也可以利用实验手段进行精确的测定，但需要较为昂贵的精密测量仪器[3,4]。

本文中，笔者使用电路仿真方法考察温度对电路性能及器件参数的影响，该方法能使结果快速定量的展现出来，较为节省人力物力。所使用的工具是ADI公司推出的LTspice电路仿真软件，相比于Multisim、Proteus、Pspice等商业软件，它不仅具有工业级的计算精度与易用性，而且可以免费使用，这对于尊重开发者的知识产权与劳动成果，避免版权纠纷极为重要。

1 温度仿真实验原理

当考虑温度对电路器件参数及性能的影响时，有式（1）：

其中t为器件周围环境温度值，℃；y为所考察的电学量。式（1）是一个以温度为自变量的单值函数，例如电阻阻值随温度变化的计算式（2）[4]：

从式（3）可见，电阻值是一个以环境温度t为自变量的单值函数。由此可以根据不同温度值得到对应的电阻值，显然也能绘制出电阻随温度的变化曲线，依此观察变化趋势，式（3）所示的曲线具有抛物线形状特征。但是，这种公式解析的方法对人员的要求较高，该方法需要提前知道被考察的器件参数值随温度变化的解析公式，不易掌握，并且计算量较大。

为克服由此带来的缺点与不便，使用计算机辅助手段，例如电路仿真软件可以快速得到结果。目前市面上常见的电路仿真软件是 Multisim、Proteus、Tina、Pspice、Altium等，它们都是商业化软件，正常使用需要支付不菲的费用。为尊重开发者的劳动成果及知识产权，本文选用ADI公司推出的电路仿真软件LTspice作为主要的分析工具，它不仅可以免费使用，而且功能十分强大，其主要功能并不弱于商业软件。

由于本文主要考察温度变化对电路变量（电压值、电流值）或器件参数的影响，故主要使用了LTspice软件的温度扫描功能。

2 LTspice的温度扫描方法

为简要说明LTspice的温度扫描使用方法，在软件中搭建如图1所示的测试电路，其中温度系数取tc1=0.001/℃,tc2=0.00001/℃，室温27℃下的电阻值为1Ω。仿真时设置温度的变化范围是-45℃至150℃，该温度范围是绝大多数器件、设备在其数据手册中标称的数值，本文称该温度范围为工业温度范围。

图1 使用.dc命令的仿真原理图

在LTspice软件中，temp是一个内置的温度变量，对温度进行直流扫描的命令格式为：

本文所用仿真命令为：

运行仿真后，电阻值随温度的变化曲线如图2所示。

观察图2可见，电阻值随温度变化曲线符合式（3）的抛物线形状特征。在图2所示的终点温度值150℃处，电阻值达到1.274Ω，它比其室温值1Ω增长了27.4%，而在终点温度值-45℃处，电阻值只降到0.98Ω，降低了2%。这与人们的日常直觉相符，在工业温度范围内，对电路性能影响较大的往往是工作环境的升温作用。

图2 使用.dc命令的仿真结果

3 温度对恒流源电路的影响

本节以两个广泛应用的恒流源为例，使用上节所述的LTspice温度扫描方法，分析温度对恒流源电路输出电流的影响。仿真原理图如图3、图4所示，前者使用安世半导体（Nexperia）的恒流源集成芯片NCR401U（其官网SPICE模型已包含温度相关的参数），负载为电阻R1；后者使用恩智浦半导体（NXP）的2N3904等分立元件搭建一个恒流源，负载为电阻R3。经过计算及电路参数微调，使两个恒流源在室温（27℃）的输出电流均为10mA。

图3 基于NCR401U的恒流源

图4 基于分立元件的恒流源

通过查看NCR401U与2N3904的数据手册，选取温度变化范围为-50℃～150℃，此温度范围是这两个器件的标称数值。仿真结果如图5、图6所示。可见，在标称温度范围内，基于NCR401U的恒流源，其电流变化量为3.87mA，而基于分立元件的恒流源，其电流变化量仅为1.13mA。

图5 集成元件恒流源输出电流随温度的变化

图6 分立元件恒流源输出电流随温度的变化

如果以电路的抗温漂能力作为主要的评判指标，则集成元件恒流源的仿真结果劣于分立元件恒流源的仿真结果，这是因为NCR401U的目标应用市场是汽车、白色家电及消费电子等领域的LED恒流驱动器，这类应用市场对恒流源的精度要求不太高，在设计制造时主要考虑成本，而温度并不是首要考虑的因素。而基于分立元件的恒流源则表现优异，事实上，图4所示恒流源电路摘自瓦里安（Varian）离子注入机计量控制器电路，该恒流源作为离子注入机剂量控制器的电流基准，其精度直接决定了半导体制造过程中的离子注入剂量，因此需要恒流源具有较好的抗温漂能力，并且为了保障其精度该恒流源电路绝大多数时间要工作在恒温恒压无尘环境中。

另一方面，观察图3、图4所示的两类恒流源电路，如果以应用成本作为主要的评判指标，则集成元件恒流源具有较大优势。一方面，其电路紧凑，设计面积小，成本低廉；另一方面，相比于图4所示的分立元件恒流源，图3所示的集成元件恒流源只使用一个电源供电，而分立元件恒流源则需要正、负两个电源，这大幅增加了其应用成本。在实际设计过程中，高精度与低成本本质上是两个不相容的设计指标，要想获得高精度，则低成本遥不可及；而要想获得低成本，则对高精度的期望是奢侈的。

4 结论

本文介绍了LTspice的温度扫描方法，分析了温度变化对电路器件参数的影响。从仿真结果输出曲线来看，采用直流扫描.dc命令的方法比较直观，能较好反映所考察的电学量随温度的变化趋势。

由于恒流源应用广泛，因此本文也对两类恒流源输出电流受温度的影响作了适当分析。仿真结果显示，基于NCR401U的集成元件恒流源受温度影响较大，而双电源分立元件恒流源却有较好的温度稳定特性，这是二者在设计时所面向的应用市场所致，前者适用于低成本应用市场，后者适用于高精密应用市场。

在实际使用中，既要考虑性能指标，又要考虑应用成本，并且这两个指标并不是相容的。这给设计人员带来一定的启示，应用市场决定了不同器件、不同电路结构的使用范畴，它们本质上没有绝对的孰优孰劣，适合就好。