QSPICE 有許多 FET、MOSFET 和晶體管，但有時(shí)需要模擬在特定時(shí)間或特定條件下打開和關(guān)閉的簡單開關(guān)。如圖 1 所示，壓控開關(guān)是一種普通開關(guān)，由兩個(gè)引腳組成，另外還有兩個(gè)電源引腳決定其激活的“邏輯”狀態(tài)。它在電氣圖中的位置遵循標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則。它的強(qiáng)大之處在于它的一些配置參數(shù)使其更加高效和方便。其實(shí)施的 SPICE 指令如下：

例如：

.model MySwitch SW(Ron=1 Roff=1Meg Vt=4 Vh=1)

其主要參數(shù)如下：

MySwitch 是型號的名稱

ROFF：是開關(guān)的OFF電阻，以歐姆表示

RON：是開關(guān)的導(dǎo)通電阻，以歐姆表示

VT：是閾值電壓，即開關(guān)切換時(shí)的電壓

VH：是遲滯電壓

接下來的段落將通過一些示例清楚地說明其工作原理，并與晶體管和 MOSFET 進(jìn)行一些比較。

 

圖 1：壓控開關(guān)也有兩個(gè)電源端子

開關(guān)在 (VT-VH) 和 (VT+VH) 處跳閘。該開關(guān)具有三種不同的電壓控制模式，具體取決于遲滯電壓 (VH) 的值：

如果VH為0，則開關(guān)根據(jù)輸入電壓是否高于閾值（VT）而導(dǎo)通或關(guān)斷

如果 VH 為正，則開關(guān)具有遲滯，類似于施密特觸發(fā)器，跳變點(diǎn)位于 (VT-VH) 和 (VT+VH)

如果 VH 為負(fù)，開關(guān)將在導(dǎo)通和關(guān)斷阻抗之間平滑過渡

低電量指示燈

一個(gè)簡單的例子是低電量指示器，即當(dāng)電池電量幾乎耗盡時(shí)能夠點(diǎn)亮 LED 的系統(tǒng)。圖 2 中的電路圖包含以下兩個(gè)邏輯塊：

左側(cè)的邏輯塊由逐漸放電的電壓發(fā)生器形成。正如您所看到的，它由一個(gè)電解電容器表示，初充電至 12V，該電容器向由電阻器 R1 進(jìn)行電流保護(hù)的 LED D1 提供電壓。在這種情況下，電容器用作小型電池

相反，右側(cè)的邏輯塊由固定電壓發(fā)生器構(gòu)成，該發(fā)生器為受電阻器 R2 保護(hù)的 LED D2 供電。該 LED 的照明由壓控開關(guān)控制

圖2：低電量指示器電路圖

該電路的工作原理如下：C1電壓發(fā)生器點(diǎn)亮二極管D1，但其電壓不可避免地下降直至為零。 S1 開關(guān)（初打開）控制 C1 的電壓量，如果電壓降至 5V 以下，則會關(guān)閉第二個(gè)電路，從而使 LED D2 點(diǎn)亮。在這個(gè)例子中，使用了一個(gè)小技巧：通常，壓控開關(guān)在ON狀態(tài)下具有低歐姆電阻，在OFF狀態(tài)下具有高歐姆電阻，對于以下標(biāo)準(zhǔn)和正常指令：

.model MySwitch SW(Ron=1 Roff=1Meg Vt=5 Vh=0)

通過反轉(zhuǎn)電阻值，可以得到相反的操作，即在 ON 狀態(tài)下具有高歐姆電阻，在 OFF 狀態(tài)下具有低歐姆電阻，根據(jù)示例接線圖中使用的以下指令：

.model MySwitch SW(Ron=1Meg Roff=1 Vt=5 Vh=0)

換句話說，如果 C1 電壓發(fā)生器上的電壓高于 5V，則 S1 開關(guān)打開，但一旦該電壓降至 5V 以下，它就會關(guān)閉，從而使 LED D2 點(diǎn)亮。圖 3 中的波形圖清楚地說明了電氣圖的運(yùn)行情況。上圖顯示了 C1 電壓發(fā)生器逐漸且不可避免的下降。或者，下圖顯示流經(jīng) R1 和 R2 的電流。個(gè)跟蹤發(fā)電機(jī)在放電階段的趨勢，而第二個(gè)則更加“數(shù)字化”，一旦 C1 電壓降至 5V 以下，就會增加。以這種方式使用壓控開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)可靠且簡單的仿真系統(tǒng)獲得。

圖3：低電量指示電路中的電壓和電流信號

壓控開關(guān)與MOSFET的動態(tài)比較

壓控開關(guān)和 MOSFET 的動態(tài)比較可以揭示開關(guān)行為的顯著差異，尤其是在高速情況下。雖然開關(guān)根據(jù)閾值和磁滯設(shè)置在完全導(dǎo)通和完全非導(dǎo)通狀態(tài)之間瞬時(shí)切換，但由于寄生柵極電容和溝道電阻，MOSFET（或晶體管）的上升和下降時(shí)間大于零。

此外，MOSFET 可能存在理想開關(guān)中未考慮的傳導(dǎo)和開關(guān)損耗。詳細(xì)的仿真可以評估這些效應(yīng)對電路整體性能的影響，對于某些電源應(yīng)用，壓控開關(guān)通常比 MOSFET 更好。圖 4 中的圖表顯示了兩個(gè)等效 PWM 負(fù)載電源電路。左邊個(gè)使用壓控開關(guān)，因此信號非常干凈可靠，右邊第二個(gè)使用 Qorvo 的 MOSFET UJ3C065080T3S。首先要解決的任務(wù)是將開關(guān)的ON和OFF電阻參數(shù)設(shè)置為與MOSFET相同的特性。從元件的數(shù)據(jù)表中可以清楚地看出，Rds(ON)約為0.080歐姆（仿真中為0.081295歐姆），而仿真測得的Rds(OFF)約為473兆歐，如下表所示：

電阻類型開關(guān)電阻

羅恩0.08129598歐姆

羅夫472906289歐姆

該解決方案使用 PWM 發(fā)生器通過開關(guān)驅(qū)動由脈動電壓 (V2) 供電的負(fù)載。負(fù)載由 22 歐姆電阻表示，在有源供電期間，該電阻消耗 416 瓦。

圖 4：兩個(gè)等效電路的動態(tài)比較，個(gè)使用開關(guān)，第二個(gè)使用 MOSFET

關(guān)于兩種類型交換機(jī)的比較，現(xiàn)在檢查三種不同的場景。三個(gè)仿真在以下 PWM 頻率下進(jìn)行，占空比為 50%：

1kHz

1兆赫

10兆赫

圖 5 中所示的三張圖清楚地顯示了頻率對用作開關(guān)的 MOSFET 性能的影響（與近乎理想的無雜散電容的壓控開關(guān)相比）。尤其：

在 1 kHz 信號的個(gè)波形圖中，兩個(gè)電流幾乎相同。這表明，在低頻下，MOSFET 的行為類似于理想開關(guān)，具有清晰的開關(guān)特性并且沒有明顯的失真。電流的上升沿和下降沿幾乎是垂直的，表明開關(guān)時(shí)間非常快并且沒有明顯的延遲。兩個(gè)信號疊加，很難區(qū)分

在 1 MHz 信號的第二個(gè)波形圖中，MOSFET 電流波形開始出現(xiàn)一些失真，上升沿和下降沿略呈圓形。與理想開關(guān)電流相比，MOSFET 電流的上升沿之間存在輕微的延遲。這種延遲是由于 MOSFET 內(nèi)部的寄生電容造成的，需要有限的時(shí)間來充電和放電

在 10 MHz 信號的第三個(gè)波形圖中，MOSFET 中的波形失真變得明顯，上升沿和下降沿比理想開關(guān)的上升沿和下降沿平滑得多。除了延遲之外，還觀察到信號“拖尾”，即開關(guān)后 MOSFET 中的電流不會立即降至零，而是呈指數(shù)衰減。這是由于 MOSFET 的寄生電容和內(nèi)阻造成的。在這種情況下，信號失真相當(dāng)高，導(dǎo)致 MOSFET 本身明顯發(fā)熱

圖 5：不同開關(guān)頻率下的電流圖

結(jié)論

事實(shí)證明，壓控開關(guān)對于電子設(shè)計(jì)人員來說是一種高度通用且功能強(qiáng)大的仿真工具。由于可以定義開和關(guān)電阻、閾值電壓和遲滯，其靈活性使其成為對各種開關(guān)行為進(jìn)行建模的理想選擇。與 MOSFET 的比較凸顯了理想開關(guān)在仿真中的優(yōu)勢：無延遲、干凈的開關(guān)以及無寄生電容效應(yīng)。然而，需要強(qiáng)調(diào)的是，MOSFET 仍然是實(shí)際電路中的基本組件，而壓控開關(guān)是一種有用的仿真工具，可以更好地理解其行為并優(yōu)化電路性能。