在本文中，我们将对一个功能强大且实用但经常未使用的虚拟组件进行电子仿真：电压控制开关。当两端的电位差达到某个阈值时，此开关就会打开或关闭。该组件非常有用，因为设计人员可以选择ON状态和OFF状态下的电阻、迟滞电压和阈值电压。
拥有一个可以通过电压随意启动或关闭的开关总是很方便的，其他的选择是使用晶体管、MOSFET甚至继电器。在后一种情况下，解决方案将受限于组件的固有特性及其限制(开关速度、最大电压、最大电流等)。然而，有了电压控制的开关，所有这些问题都不复存在，管理变得更加简单和强大。
QSPICE有许多FET、MOSFET和晶体管，但有时需要仿真在特定时间或特定条件下打开和关闭的简单开关。如图1所示，电压控制开关是一种普通开关，由两个引脚和另外两个电源引脚组成，电源引脚决定其激活的“逻辑”状态。它在电路图中的位置遵循标准规则，它的强大之处在于它的一些配置参数使其更加高效和方便。其实现的SPICE指令如下：
.model Name SW(Ron=r1 Roff=r2 Vt=v1 Vh=v2)
例如：
.model MySwitch SW(Ron=1 Roff=1Meg Vt=4 Vh=1)
其主要参数如下：
接下来的段落将举例说明其工作原理，并与晶体管和 MOSFET 进行比较。
图1：电压控制开关也有两个电源端子
开关在(VT-VH)和(VT+VH)处跳变。开关有三种不同的电压控制模式，具体取决于迟滞电压(VH)的值：
一个简单的例子是低电量指示器，即当电池电量几乎耗尽时能够点亮LED的系统。图2中的电路图包含以下两个逻辑块：
图2：低电量指示器的电路图
电路的工作原理如下：C1电压发生器点亮二极管D1，但其电压会不可避免地下降，直至到零。S1开关(最初断开)控制C1的电压量，如果电压降至5V以下，则会闭合第二个电路，从而使LED D2点亮。在此示例中，使用了一个小技巧：通常，电压控制开关在ON状态下具有低欧姆电阻，在OFF状态下具有高欧姆电阻，以下是标准和正常指令：
.model MySwitch SW(Ron=1 Roff=1Meg Vt=5 Vh=0)
通过反转电阻值，可获得反向操作，即，根据示例接线图而使用的以下指令，它在ON状态下具有高欧姆电阻，而在OFF状态下具有低欧姆电阻：
.model MySwitch SW(Ron=1Meg Roff=1 Vt=5 Vh=0)
换句话说，如果C1电压发生器上的电压高于5V，则S1开关断开，但一旦该电压降至5V以下，开关就会闭合，从而使LED D2亮起。图3中的波形图清楚地说明了电路图的运行情况。上图显示了C1电压发生器稳步且不可阻挡地下降。下图则显示了通过R1和R2的电流。第一个电流与放电阶段的电压发生器趋势一致，而第二个电流则更“数字化”，一旦C1的电压降至5V以下，电流就会立即增加。以这种方式使用电压控制开关，可以获得可靠而简单的仿真系统。
图3：低电量指示器电路中的电压和电流信号
动态比较电压控制开关和MOSFET可以发现开关行为的显著差异，尤其是在高速情况下。虽然开关根据阈值和滞后设置瞬间在完全导通和完全非导通状态之间切换，但MOSFET(或晶体管)的上升和下降时间大于零，这是由寄生栅极电容和沟道电阻引起的。
此外，MOSFET还可能具有理想开关中未考虑的传导和开关损耗。详细的仿真可以评估这些影响对电路整体性能的影响，对于某些电源应用，电压控制开关通常比MOSFET更好。图4中的图表显示了两个等效的PWM负载电源电路。左侧第一个使用电压控制开关，因此具有非常干净和可靠的信号，右侧第二个使用Qorvo的MOSFET UJ3C065080T3S。要解决的第一个任务是将开关的ON和OFF电阻参数设置为与MOSFET相同的特性，从组件的数据表中可以清楚地看出，Rds(ON)约为0.080Ω(仿真中为0.081295Ω)，而仿真测得的Rds(OFF)约为473 MΩ，根据下表：
| 电阻类型 | 开关电阻 |
| Ron | 0.08129598Ω |
| Roff | 472906289Ω |
该解决方案使用PWM发生器通过开关驱动由脉动电压(V2)供电的负载。负载由一个22Ω电阻器表示，该电阻器在其有源供电期间耗散功率为416W。
图4：两个等效电路的动态比较，第一个使用开关，第二个使用MOSFET
关于这两种开关类型的比较，现在研究三种不同的场景。这三种仿真均在以下PWM频率下进行，占空比为50%：
图5中的三张图清晰地显示了频率对用作开关的MOSFET性能的影响，并与没有杂散电容的近乎理想的电压控制开关进行了比较。特别是：
图5：不同开关频率下的电流图
对于电子设计人员来说，压控开关是一种用途广泛、功能强大的仿真工具。由于可以精确定义导通和关断电阻、阈值电压和滞后，它具有很强的灵活性，是模拟各种开关行为的理想工具。与MOSFET的比较凸显了理想开关在仿真中的优势：无延迟、干净的开关和无寄生电容效应。然而，必须强调的是，MOSFET仍然是实际电路中的基本组件，而电压控制开关则是一种有用的仿真工具，可以更好地了解其行为并优化电路性能。
电压控制开关为设计人员提供了超越真实元件模型能力的控制和仿真精度。这可以加快开发速度并获得更可靠的结果。电压控制开关的仿真速度也比模型化的MOSFET快得多。该工具的潜在应用范围很广：从开关电源设计到控制电路设计，直至更复杂系统的仿真。
(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News，参考链接：QSPICE: The voltage-controlled switch (Part 12)，由Ricardo Xie编译。)
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