第27章 烟雾分析
章节大纲
27.1. 被动烟雾参数 387
27.1.1 电阻器烟雾参数 387
27.1.2 电感烟雾参数 389
27.1.3 电容烟雾参数 391
27.2. 有源烟雾参数 392
27.2.1 双极型晶体管 393
27.3. 降额文件 395
27.4. 示例1 398
27.5. 练习 练习1 401
27.6. 示例2 404
练习2 406
27.7. 示例3 414
练习3 415
27.8. 示例4 419
烟雾分析用于指示元器件是否在制造商的绝对最大额定值范围内工作。如果元器件持续在接近最大额定值的条件下工作，可能导致电气和热应力，从而引起元器件早期失效。为了提供安全裕度，可对制造商的最大工作条件（MOC）进行降额，以为元器件提供安全工作范围。
烟雾分析报告中关于击穿电压、工作电流、器件温度、结温和功耗等与应力相关的参数。
显示了烟雾分析的结果，其中红色条形表示元件的烟雾限值超过了最大允许功耗。橙色条形表示限值为最大允许功耗的>90%，绿色条形表示参数在最大允许功耗的90%范围内运行。
图27.1 烟雾分析仿真结果
385 使用OrCAD Capture和PSpice进行模拟设计与仿真 © 2018 爱思唯尔有限公司
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烟雾分析参数允许为元器件定义最大允许功耗，其参数值来自制造商数据表。高级分析包含已定义烟雾参数的元器件库。然而，在最新的Cadence 17.2软件版本中，几乎可以为每个器件添加烟雾参数。对于有源元件，可通过 PSpice模型编辑器输入烟雾参数值；而对于无源元件，烟雾参数值可以添加到单个元器件上，也可以使用设计变量部分（图27.2）进行全局添加。
分配公差窗口，该窗口显示所有带公差的电路元件以及具有关联模型的元件，也可用于打开PSpice模型编辑器（参见图27.3）。
设计变量部件表，显示无源元件的烟雾分析参数及其默认全局限值。
386 使用OrCAD Capture和PSpice进行模拟设计与仿真
27.1 被动烟雾参数
无源元件由来自模拟库或pspice_elem库的电阻器、电容器、电感器和电源组成。所有这些元器件均规定在特定的额定温度范围内工作，超过该范围后，必须对输出参数进行降额，以确保元器件在环境温度升高时仍能可靠运行。
27.1.1 电阻器烟雾参数
烟雾分析计算并显示电阻器的最大功耗、最高本体温度和最大电压降。
电流流过电阻器时会产生热量，导致温度升高，从而影响电阻器的正常运行。电阻器的最大规定功率额定值与可耗散的热量相关，该值对应于一个规定的环境温度上限，超过此温度上限，电阻器的工作性能将下降或失效。超过该温度限值后，作为最大功率额定值百分比的可耗散功率会逐渐降低。图27.4 显示了在烟雾分析中使用的电阻器的降额功率曲线。
分配公差窗口显示了带有相关PSpice模型的元器件以及具有定义的公差的元器件。
387 烟雾分析
电阻器的最大功率额定值（POWER）在其正常工作环境温度范围内至其额定温度TKNEE之间指定。超过此温度后，功率额定值将按给定的斜率（SLOPE）下降，最终在电阻器的最高温度额定值MAX_TEMP时降至零。
例如，一个0.25 瓦的电阻器能够在高达典型环境温度70°C的条件下耗散最大 0.25 瓦的功率。超过电阻器的0.25 瓦功率额定值将导致过多热量产生，这些热量无法有效耗散，从而引起电阻器温度升高。当环境温度超过70°C时，其有效功率耗散能力将下降，直至达到通常为150–200°C的最高温度，在此温度下电阻器将失效。
为了避免电阻器早期失效，可采取以下措施：提高电阻器的功率额定值、增加流经电阻器的气流、使用等效的电阻并联组合、采用通风外壳，或避免将电阻器放置在功率晶体管等热源附近。表27.1 总结了电阻器烟雾分析参数。
电阻器功率降额曲线。
表27.1 冒烟分析中使用的电阻器参数
| 最大工作条件 | 烟雾分析参数 属性 | 烟雾分析参数值 | 默认值 | 参数名称 显示在烟雾窗口 |
|---|---|---|---|---|
| 最大功率耗散 |
功率斜率耗散与温度
最大温度 额定电压 |
功率
SLOPE MAX_TEMP 电压 |
RMAX
RSMAX RTMAX RVMAX |
0.25 瓦
0.0125 瓦/摄氏度 200摄氏度 100V |
|
PDM
未显示 TB RV |
388 使用OrCAD Capture和PSpice进行模拟设计与仿真
在烟雾分析中，电阻降额曲线由拐点温度和最大温度定义，二者通过功率降额曲线的斜率相关联。您可以使用变量符号输入斜率参数值，系统将据此计算拐点值。或者，您也可以使用属性编辑器向电阻器添加TKNEE属性。参见本章末尾的示例1。
27.1.2 电感烟雾参数
烟雾分析显示最大直流电流额定值、最大介电强度、由于等效串联电阻(ESR)导致的最大功率损耗以及电感器温升。
电感器由在空气中或铁氧体磁芯上绕制的绝缘导线线圈构成。当电流流过导线绕组时，由于构成线圈的导线绕组具有固有直流电阻，平均有功功率会以热量的形式耗散。超过电感器的最大直流电流额定值可能导致饱和效应。由于绕组电阻引起的自热损耗还会导致电感器温升，从而使导线绝缘材料失效。同样，如果超过电感器的最大电压额定值，绝缘层也可能被击穿，导致绕组短路并过热。对于磁芯绕制的电感器和变压器，流过电感器绕组的电流将产生热量，引起温度上升，进而影响铁氧体磁芯材料的磁特性。磁芯饱和水平随温度升高而降低，导致电感值下降。
随后，制造商规定了在最高环境温度范围内可靠运行所需的电感器最大额定电流（直流）和最大额定电压。烟雾分析不计算电感电流随温度的降额。
电感器的固有直流电阻所消耗的功率由流过电感器的平均电流引起，导致温度上升超过环境温度。制造商将平均电流规定为均方根电流，该电流会引起相对于环境温度规定的值之内的允许的最大温升。因此，最高环境温度和允许的最大温升定义了电感器的最高温度MAX_TEMP。
电感器还规定了与电感器磁芯饱和相关的额定饱和电流(Isat)，磁芯饱和会导致电感值下降。烟雾分析支持与电感器相关的四个参数：饱和直流电流、温升、击穿电压和最大电流。参见本章末尾的示例2。表27.2列出了电感烟雾参数。
389 烟雾分析
Note
PDML参数是与等效串联电阻特性相关的功率。显示的默认值来自变量部件表。
等效串联电阻属性在analog.olb库的标准电感器中不可用。您必须使用 analog.olb中的L_t。Tip
运行烟雾分析时，参数名称以缩写形式显示。要查看完整描述，请右键单击 > 参数描述，如 图27.5 所示。
表27.2 电感热分析参数
| 最大工作条件 | 烟雾参数 属性 | 烟雾分析值参数 | 值默认 | 参数 name 显烟na示雾在窗口 |
|---|---|---|---|---|
| 额定电流 | 直流电流值 | 介电强度 |
最大功率损耗 由于串联电阻
直流电阻_ | 温度上升 |
显示参数描述。
390 使用OrCAD Capture和PSpice进行模拟设计与仿真
27.1.3 电容烟雾参数
烟雾分析可计算并显示最大额定电压、最大纹波电流、反向最大电压、最大ESR功耗以及电容温升。
施加电压以及温度会影响电容器的可靠性及其初始上电性能。电容器可以连续工作的环境温度范围称为类别温度范围，由上下温度限值定义。额定温度（类别上限温度）定义为电容器在不超过额定电压的情况下可连续工作的最大环境温度。超过电容器的最大电压额定值将导致介电材料击穿。因此，制造商提供电压降额指南，以提高其电容器的长期可靠性。图27.6显示了用于烟雾分析中的电容器的电压‐温度降额曲线。
额定电压是可连续施加到电容器上的最大峰值直流工作电压，也称为印在电容器上的工作电压。额定温度、拐点是指电容器可在额定电压下连续工作的最高环境温度。最大纹波电流是流入和流出电容器的交流有效值电流，该电流会在等效串联电阻中产生热量，从而导致功率损耗（PDML）。烟雾分析支持电解和非电解电容。CVN参数用于报告短时反向瞬态电压。电容器可工作的最高环境温度由MAX_温度表27.3 总结了烟雾分析中使用的电容参数。
电容器电压降额曲线
391 烟雾分析
不同电介质的电容器其额定温度也不同。电解铝电容器和钽电容器的工作电压随温度变化，而非电解电容器如陶瓷、聚酯及其他塑料薄膜电容器则无此特性。电容值和漏电流也受温度影响。烟雾分析支持电解和非电解电容器，并将检测反向瞬态电压。CVN参数定义了负电压额定值。
Note
标准电容器在analog.olb库中没有等效串联电阻特性。您必须使用analog.olb 库中的C_t或C_elect电容器。参见本章末尾的示例3。
27.2 有源烟雾参数
烟雾分析包含半导体器件的参数，这些器件包括二极管、二极管桥式整流器、齐纳二极管、双极型晶体管、结型场效应晶体管、金属半导体场效应晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管、功率MOSFET、双MOSFET、绝缘栅双极型晶体管、发光二极管、光耦合器、压敏电阻和晶闸管。
表27.3 在烟雾分析中使用的电容参数
| 操作条件 | 最大 | 烟雾参数 属性 | 烟雾分析值参数 | 值默认 | 参数 name 显在Smoke中窗口 |
|---|---|---|---|---|---|
| 最大纹波 | 额定电压 |
反向最大电压
最大功率 由于串联引起的损耗 | 电阻 | 温度降额斜率 | 断点温度 |
电阻
392 使用OrCAD Capture和PSpice进行模拟设计与仿真
27.2.1 双极型晶体管
用于功率放大器或功率开关电路中的双极型晶体管，应在其安全工作区内运行，以避免因功耗过大而导致过早失效。制造商提供降额曲线，用以表示最大连续功耗随集电结温度（也称为壳温）的变化关系。对于硅晶体管，该范围通常规定为从25°C的室温到150°C。
晶体管的功率降额曲线如图27.7所示。晶体管壳温与集电‐基极结温（TJ）相关。晶体管结点热阻（ΘJA）由结到壳热阻（RJC）和壳到环境热阻（RCA）组成，其中RJC为固定值，而壳到环境热阻（RCA）可通过使用散热片来降低，散热片能有效增加晶体管外壳的表面积。对于功率晶体管而言，集电‐基极结具有较大的面积，以便快速将热量从结点散出。表27.4 列出了用于双极型（BJT）晶体管的烟雾分析参数。
晶体管功率降额曲线
表27.4 在Smoke分析中使用的双极型参数
| 半导体元件 | 最大工作条件 | 烟雾参数名称 属性及符号 | 属性名称 | 参数名称 显示在烟雾窗口 |
|---|---|---|---|---|
| BJT | 最大基极电流（A） | IB | IB | |
| BJT | 最大集电极电流（A） | IC | IC | |
| BJT | 最大功率功耗（瓦） | PDM | PDM | 用于计算结点温度 |
| BJT | 热阻，外壳‐到环境 (°C/W) | RCA | 用于计算结点温度 |
393 烟雾分析
半导体烟雾分析参数在半导体PSpice模型中定义。可以使用PSpice模型编辑器查看烟雾参数，该编辑器可以从电路图或开始菜单中访问。在电路图中，您需高亮选中晶体管元件并右键单击>PSpice模型编辑器。参见本章末尾的示例4。图27.8显示了Q2N3904晶体管的烟雾参数及其值。
表27.4 用于烟雾分析的双极型参数——续
| 半导体元件 | 最大工作条件 | 烟雾参数名称 属性及符号 | 属性名称 | 参数名称 显示雾在窗口 |
|---|---|---|---|---|
| BJT | 热阻，结到壳 (°C/W) | RJC | 未显示 | |
| BJT | 二次击穿截距（A） | SBINT | 未显示 | |
| BJT | 结温下的降额百分比（二次击穿） | SBMIN | 未显示 | |
| BJT | 二次击穿斜率 | SBSLP | 未显示 | |
| BJT | 温度降额斜率（二次击穿） | SBTSLP | 未显示 | |
| BJT | 最大结温温度（°C） | TJ | TJ | |
| BJT | 最大集电极‐基极电压（V） | VCB | VCB | |
| BJT | 最大集电极‐发射极电压（V） | VCE | VCE | |
| BJT | 最大发射极‐基极电压（V） | VEB | VEB |
394 使用OrCAD Capture和PSpice进行模拟设计与仿真
其他半导体类型及其相关的烟雾分析参数可在在线PSpice高级分析用户指南中找到。
Note
烟雾分析将仅使用已定义参数值的参数进行。日志文件（查看 > 日志文件 > 烟雾）将报告未执行的烟雾测试。例如在 图27.7中，不会使用IB、IC和SB进行烟雾测试。Note
您可以在烟雾分析仿真中排除元器件或分层模块。在属性编辑器中，于“按：筛选”框内选择 Capture PSpiceAA，并将 SMOKE ON OFF 的值设置为 关闭。_
27.3 降额文件
除了提供最大允许功耗外，许多制造商还为其元器件提供降额指南，以便其能够在给定的安全工作范围（SOL）内运行
$$
SOL = MOC \times \text{derating factor}
$$
(27.1)
双极型晶体管烟雾分析参数。
395 烟雾分析
例如，在200伏电容器的最大电压上使用75%的降额，烟雾分析将以条形图显示中的红色条形图形式标示任何超过>150V的异常情况。
您还可以为每种支持的器件类型定义不同的降额规格。这样可以为每个规格定义唯一的降额裕度，并将其关联到电路图中的具体实例。例如，您可以为 MOSFET漏极电流定义两种不同的降额要求：对于高可靠性产品使用50%的降额裕度，而其他所有设计则使用70%的降额裕度。这些降额规格可以存储在全局文件中，以便在其他电路设计中重复使用。
烟雾分析附带标准的无源和有源降额系数，可在 tools > PSpice> Library 文件夹中的 standard.drt文件 中找到：
C:\Cadence\SPB_17.2\tools\pspice\library
standard.drt文件可以通过文本编辑器打开。但使用配置文件设置窗口，编辑 > 配置文件设置会更加方便。然后，通过单击新建（插入）即可浏览到默认 standard.drt 降额文件，如图27.9所示。Cadence还提供了一个可自定义的_降额_模板文件，可用于修改并创建新的降额文件。
Note
通过单击烟雾分析工作 sheet 中的任意位置，也可以打开配置文件设置 右键单击 > 降额 > 自定义降额文件。
配置文件设置窗口
396 使用OrCAD Capture和PSpice进行模拟设计与仿真
选择 创建降额文件 或 编辑降额文件 将打开 编辑降额文件窗口（图27.10），您可以在其中输入烟雾参数。您可以建立一系列降额文件，这些文件将显示在配置文件设置窗口中。这些文件随后会出现在 选择降额类型 下的下拉框中。
编辑降额文件窗口，您可以在其中输入烟雾参数。
图27.10 显示了使用Smoke分析“标准降额”文件的默认降额系数。当在 Smoke分析中选择“标准降额”时，所有降额系数将应用于元器件。例如，电阻器的最大功率（PDM）额定值将应用0.55的降额系数。PDM与RMAX相同。
如果计算功率超过降额值，则会显示红色条形图，表示功率超出降额值的程度（参见 图27.11）。
电阻烟雾分析，显示降额功率。
397 烟雾分析
Note
如果在烟雾分析后，PDM 显示为零，则是因为超过了最高工作温度，因此 PDM 自动降额为零。
27.4 示例1
图 27.12 显示了一个470kΩ金属膜电阻器的功率‐温度降额曲线。制造商数据表中对应的规格如下：
额定功率@70°C (W) 0.25W 最大过载电压 400 V 工作温度范围 −55°C 到 +155°C 电阻体温度TB由以下给出
$$
TB = T_{\text{ambient}} + \Delta T
$$
(27.2)
其中 $\Delta T$ 是由等效串联电阻的自热效应及其后续功耗引起的温升。
$$
TB = T_{\text{ambient}} + \frac{P_{\text{dis}}}{\text{POWER}} \times R_{\text{th}}
$$
(27.3)
其中 $T_{\text{ambient}}$—由TNOM设定的环境温度，默认值为27摄氏度；$R_{\text{th}}$—电阻到环境的热阻；$P_{\text{dis}}$—计算功率损耗；POWER—最大额定功率损耗；$R_{\text{th}} = 1/\text{SLOPE}$，且$P_{\text{dis}}$由瞬态分析结果计算得出。
电阻器功率‐温度降额曲线
398 使用OrCAD Capture和PSpice进行模拟设计与仿真
$$
TB = T_{\text{ambient}} + \frac{P_{\text{dis}}}{\text{POWER}} \times \frac{1}{\text{SLOPE}}
$$
(27.4)
由于制造商的降额曲线显示了单元功率的降额，因此斜率 RSMAX 由以下给出
$$
\text{SLOPE} = \frac{1}{\text{MAX_TEMP} - \text{TKNEE}}
$$
(27.5)
其中，MAX_温度为最高工作温度。
由公式(27.5)可得，TKNEE 可以计算为：
$$
\text{TKNEE} = \text{MAX_TEMP} - \frac{1}{\text{SLOPE}}
$$
(27.6)
联立公式 (27.4)、(27.5)：
$$
TB = T_{\text{ambient}} + \frac{P_{\text{dis}}}{\text{POWER}} \times (\text{MAX_TEMP} - \text{TKNEE})
$$
(27.7)
如果未知TKNEE，则使用降额斜率通过公式(27.3)计算TB；否则，若已知 TKNEE，则可使用公式(27.7)计算TB。TKNEE属性可添加到各个电阻器中。
因此，
$$
\text{SLOPE} = \frac{1}{155 - 70} = \frac{1}{85} = 0.01176 \, \text{W/°C}
$$
因此，表23.1中定义的烟雾参数是
功率，RMAX = 0.25 最大_温度， RTMAX = 155 斜率，RSMAX = 0.01176 电压，RVMAX = 400
显示了添加烟雾参数的电阻电路。根据瞬态分析的结果，计算出功耗 $P_{\text{dis}}$ 为 136.17毫瓦。
电阻烟雾分析。
399 烟雾分析
由公式(27.3)可得，电阻体温度为
$$
TB = 27 + \frac{0.13617}{0.25} \times \frac{1}{0.01176} = 73.3163^\circ C
$$
Note
Using $1/\text{SLOPE} = 85$ 可实现更精确的计算，从而得到 $TB = 73.2978^\circ C$.
降额因子
从 图 27.12中的降额曲线可知，如果电阻体温度超过TKNEE，则功耗将根据给定的功率降额因子PDF进行动态降额
$$
\text{PDF} = \text{SLOPE} \times (\text{MAX_TEMP} - TB)
$$
(27.8)
由此可得降额功率为
$$
P_{\text{dis}} = \text{PDF} \times \text{POWER}
$$
(27.9)
电阻器在烟雾分析中的标准降额文件为0.55。因此，降额功率由以下公式给出
$$
P_{\text{dis}} = 0.55 \times 0.13617 = 0.07489 = 74.89 \, \text{mW}
$$
Note
降额曲线对电阻器和电容器进行动态降额，而对电感器则不进行降额。Note
使用 Cadence 演示精简版时，烟雾分析仅限于电阻器、电容器、二极管和晶体管。
400 使用OrCAD Capture和PSpice进行模拟设计与仿真
第27章 烟雾分析
27.5 练习 练习1
- 创建一个新的PSpice项目，例如名为Smoke的_电阻器，并在创建PSpice项目窗口中，从simple_aa.opj下拉菜单中选择（图27.14）。
- 删除AA变量部分。画出图27.15中的电阻电路。
-
双击电阻器以打开属性编辑器，并添加以下冒烟限制参数值：
最大温度 = 155
斜率 = 0.01176
功率 = 0.25
电压 = 400
无需输入国际单位制单位。
要显示烟雾限值，请按住控制键并单击每个属性来高亮各个烟雾参数。选择 显示 （或右键单击 > 显示），然后在显示属性 窗口中，选择 名称和值，如 图27.16所示。
高级分析库
电阻烟雾分析电路。
401 烟雾分析
- 设置瞬态分析（PSpice > 新建仿真配置），并保持默认的运行至时间为 1000纳秒。
- 在电阻器本体（中间）放置一个功率标记。操作路径为： PSpice > 标记 > 功耗，或单击图标 。
- 运行仿真。
- PSpice窗口中的探针窗口将显示一条功耗波形，其值为136.170毫瓦。
- 返回Capture并选择： PSpice>高级分析>烟雾分析。
-
PSpice高级分析将打开，显示烟雾分析的结果。无效值将以灰色条线显示。例如，仅对TB计算了平均值和峰值，其均方根值为无效值。右键单击任意位置并选择 隐藏无效值。 图27.17 显示了烟雾分析的结果，其中计算出的功耗为136.1702mV。最大百分比由以下公式给出：
$$
100 \times \frac{136.1702\,\text{m}}{240.3004\,\text{m}} = 57\%
$$
在原理图上显示电感器烟雾参数属性。
单个电阻器的烟雾分析结果。
402 使用OrCAD Capture和PSpice进行模拟设计与仿真
Note
无效值表示不适用于特定烟雾测试的测量类型。例如，二极管的击穿电压计算为更具意义的峰值，而非平均值。
- 使用公式(27.3)计算得到电阻体温度为 $TB = 73.3163^\circ C$。显然，烟雾分析在计算中使用了更多的有效数字。更精确的手动计算应使用 $1/\text{SLOPE} = 85$ 而不是直接使用 $\text{SLOPE} = 0.01176$。这样可得到与烟雾分析相同的结果，即 $73.2978^\circ C$。
-
电阻体温度 $73.2978^\circ C$ 高于TKNEE温度 $70^\circ C$，因此功率耗散被动态降额。
降额因子（% 降额百分比）的值由公式(27.8)给出：
$$
\text{PDF} = \text{SLOPE} \times (\text{MAX_TEMP} - TB)
$$
为了更精确的计算：
$$
\text{PDF} = \frac{155 - 73.2978}{85} = 0.9612 = 96.12\%
$$
在使用公式(23.9)之前，功耗（最大降额）由以下给出
$$
P_{\text{dis}} = \text{PDF} \times \text{POWER} = 0.9612 \times 0.25 = 0.2403\,\text{W} = 240.3\,\text{mW}
$$
这是 图27.17 中所示的PDM值。 - 在烟雾分析中任意位置右键单击，选择降额 > 标准降额，然后单击播放按钮运行仿真。
- 您应该看到两个红色条形，表示PDM (RMAX)的降额值已被超过104% 图 27.18。该电阻器未在规定的安全工作范围内运行。
功耗超出了安全工作范围。
403 烟雾分析
- 在Capture中，将功率值更改为0.5。
- 重新运行瞬态仿真，然后运行烟雾分析。您将看到，使用0.5W电阻器时，该电阻器的功耗（图27.19）符合定义的安全工作范围。实际上，您甚至可以使用0.4W电阻器。
27.6 示例2
图27.20 显示了村田1的温升特性曲线。5μH电感器LQM2HPN1r5MG0，分别。
村田1.5μH电感器的规格如下：
温度范围： −55°C 至 +125°C
额定温度 $T_R = 85^\circ C$
1.5A@环境温度 85°C
1.1A@环境温度125°C
电阻器在规定的安全工作范围内运行。
电感温升特性。
404 使用OrCAD Capture和PSpice进行模拟设计与仿真
电感温度 $T_{JL}$ 由环境温度和电感温升 $\Delta T$ 之和给出：
$$
T_{JL} = T_{\text{ambient}} + \Delta T
$$
(27.10)
例如，某电感器规定的最大电流额定值适用于最高典型环境温度85°C，且允许的最大温升为40°C。因此，最高工作温度为125°C。
与电感直流电阻的功耗相关的温升 $\Delta T$ 由下式给出
$$
\Delta T = P_{\text{dis}} \times R_{TH}
$$
(27.11)
$R_{TH}$ 是电感热阻，$P_{\text{dis}}$ 与电感电阻消耗的平均有功功率相关，由以下给出
$$
P_{\text{dis}} = (I_{\text{rms}})^2 \times \text{ESR}
$$
(27.12)
因此，(23.10) 可以写成：
$$
T_{JL} = T_{\text{ambient}} + (P_{\text{dis}} \times R_{TH})
$$
(27.13)
$$
T_{JL} = T_{\text{ambient}} + ((I_{\text{rms}})^2 \times \text{ESR} \times R_{TH})
$$
(27.14)
电感器的热阻（$R_{TH}$）通常不由制造商规定，因为$R_{TH}$的值取决于电感器在电路板上的安装方式。然而，一些制造商针对采用不同PCB安装方式和焊盘面积的贴片电感规定了不同的额定电流。由于热阻路径不明确，骨架磁芯电感和变压器通常不规定热阻。但是，可以利用制造商规定的均方根电流来估算热阻。
从E根据式(23.11)、(23.12)，可计算电感热阻为：
$$
R_{TH} = \frac{\Delta T}{(I_{\text{rms}})^2 \times \text{ESR}}
$$
(27.15)
其中 $\Delta T$ 是在给定的均方根电流下的指定温升。根据温升与电流关系图（图 27.19），均方根电流 = 2.4A@40°C。因此，电感热阻计算如下：
$$
R_{TH} = \frac{40}{(2.4)^2 \times 0.088} = 78.91\,^\circ C/W
$$
405 烟雾分析
显示了添加了烟雾参数的电感电路。瞬态分析的结果计算出均方根电流为 1.0606A。根据公式(27.12)：
$$
P_{\text{dis}} = (1.0606)^2 \times 0.088 = 98.9888\,\text{mW}
$$
使用公式 (27.14)，电感温度为
$$
T_{JL} = 27 + ((1.606)^2 \times 0.088 \times 78.91) = 34.8812^\circ C
$$
练习2
- 创建一个名为Smoke的PSpice项目 _电感器以及在Create PSpice Pro-j ect窗口 中，从simple_aa.opj下拉菜单中选择（图27.22）。
- 绘制图 27.23中的电感电路。从模拟元件库中使用一个带等效串联电阻特性的L_ 电感器。从源元件库中放置一个VSIN源。
高级分析库。
电感器。
406 使用OrCAD Capture和PSpice进行模拟设计与仿真
- 双击电阻器，在属性编辑器的功率中，将RMAX设置为20瓦。要显示功率值20 瓦特，请单击显示 > 名称和值。关闭属性编辑器。
-
双击电感器以打开属性编辑器，并添加以下冒烟限制参数值：
直流电阻 = 0.088
最大温度 = 125
热阻 = 78.91
功率 = 0.5
按住控制键并单击每个属性来高亮每个烟雾参数。选择显示，在显示属性 窗口中选择名称和值（参见图27.24）。 - 设置瞬态分析，运行至时间为4毫秒。
- 在带有圆点符号的电感器引脚1上放置一个电流标记。运行仿真。
- PSpice窗口中的探针窗口将显示电感电流，其最大值（LI）为1.4942安。
- 返回Capture并选择，PSpice>高级分析 > 烟雾分析。
- PSpice高级分析将打开，显示电阻器R1和电感器L1的烟雾分析结果。无效值将以灰色条形显示。例如，仅计算TJL的平均值和峰值。右键单击任意位置并选择 隐藏无效值 （图 27.25）。
显示电感器烟雾参数属性。
407 烟雾分析
您应在 图 27.26 中看到结果。
- 查看烟雾分析日志文件总是一个好主意。 View>日志文件 > 烟雾 如 图 27.27 所示。
隐藏无效值
村田电感烟雾分析结果。
408 使用OrCAD Capture和PSpice进行模拟设计与仿真
烟雾分析运行时间：2017年7月10日 星期一 17:47:06
参考标识符 = R1 信息：不会执行可变电阻的烟雾测试。最大工作值未定义。
参考标识符 = L1 信息：将不进行烟雾测试 LIDC。未定义 最大工作值。
参考标识符 = R1 警告：降额信息(ORPSPAA‐7028)：TBreak (拐点温度)低于仿真温度。请 检查斜率[RSMAX]或最高温度[RTMAX]。
参考标识符 = R1 信息：计算的降 额Tbrk：0.000000
参考标识符 = R1 警告：降额信息(ORPSPAA‐7028)：TBreak (拐点温度) 低于仿真温度。请 检查斜率[RSMAX]或最高温度[RTMAX]。
参考标识符 = R1 信息：计算的降 额Tbrk： 0.000000
参考标识符 = R1 警告：降额信息(ORPSPAA‐7028)：TBreak (拐点温度)低于仿真温度。请 检查斜率[RSMAX]或最高温度[RTMAX]。参考标识符 = R1 信息：计算的降额Tbrk： 0.000000
*
分析摘要
*** 参考标识符 = R1 以下参数的最大工作值未定义：RV 参考标识符 = L1 以下参数的最大工作值未定义：LIDC
烟雾分析日志文件
409 烟雾分析
- 图 27.27中的日志文件报告了电阻R1的反向最大电压参数未定义，以及电感L1的LIDC参数未定义。警告消息指出TKNEE小于仿真温度，并提示检查 SLOPE和最大_温度参数的值。这些值未在电阻器上设置，因此使用了默认值。
-
在 Capture 中双击电阻器以打开属性编辑器。将 MAX_TEMP（RTMAX）的限值设置为 155，将电压限值（RVMAX）设置为 200。不要关闭属性编辑器。
无需计算斜率，您可以设置TKNEE限值。选择新建属性并添加TKNEE，如图 27.28所示。 - 在 Capture 中重新运行仿真。
- 重新运行高级分析并查看烟雾分析日志文件（图 27.29）。
- 选择电感器并将直流_电流限值（DC）设置为 1A。如表27.2所示，烟雾分析将直流_电流显示为 LIDC。
- 在Capture中重新运行PSpice仿真。
- 重新运行高级分析。
- 电阻器和 电感器的结果已显示。右键单击任意位置并选择元件筛选器。默认通配符设置 （*）显示所有元件。如图 27.30 所示，输入L1并单击确定。
- 图 27.31 显示了仅针对电感器的烟雾分析结果。线路电流 Lirms 为 1.0604A
添加 TKNEE 属性。
410 使用OrCAD Capture和PSpice进行模拟设计与仿真
烟雾分析日志文件
元件筛选器
烟雾分析，仅显示村田电感的结果。
411 烟雾分析
因此，根据公式 27.12，Pdis 的近似 值 为
$$
P_{\text{dis}} = (1.0606)^2 \times 0.088 = 0.09895 = 98.95\,\text{mW}
$$
平均电感温度由以下给出
$$
T_{JL} = T_{\text{ambient}} + ((I_{\text{rms}})^2 \times \text{ESR} \times R_{TH})
$$
$$
T_{JL} = 27 + ((1.060\mu)^2 \times 0.088 \times 78.91) = 34.8083^\circ C
$$
但是，显示的值没有进行降额。
- 在烟雾分析中，选择 编辑 > 配置文件设置，在配置文件设置窗口中，单击新建（插入）图标，如图 27.32所示。单击三个省略号（…），然后浏览至安装路径中的默认 standard.drt 降额文件：<安装路径>\tools\pspice\library。例如：
C:\Cadence\SPB_17.2\tools\pspice\llbrary
- 单击 编辑降额文件 以显示降额类型和降额系数（图27.33）。最大功耗 （PDM）降额至0.55，电压额定值（RV）为0.8。
配置文件设置窗口。
编辑降额文件窗口。
412 使用OrCAD Capture和PSpice进行模拟设计与仿真
- 选择电感器（IND），您将看到LI、LV和LIDC的降额因子均为0.9。
- 关闭编辑降额文件和配置文件设置窗口。
- 在Smoke分析中任意位置右键单击，选择元件筛选器并输入*以选择所有元器件。
- 再次在Smoke分析中任意位置右键单击，但这次选择降额>标准额定值。重新运行烟雾分析。您将看到两条红线，表示电阻器的降额功率已被超过。
- 在Capture中将电阻器功率更改为30W，然后重新运行PSpice仿真和烟雾分析。最终的烟雾分析结果如图27.34所示。
烟雾分析最终结果。
413 烟雾分析
27.7 示例3
一个 1μF塑料薄膜聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）电容器的数据手册给出
额定温度 TR—85°C
降额因子—每摄氏度1.25%
最高温度— 125°C
损耗因数在1 kHz时为0.004
额定电压—50V直流
数据 手册中未给出等效串联电阻，因此可通过以下方式计算
$$
\text{ESR} = X_c \times \tan\delta = \frac{\tan\delta}{2\pi f C}
$$
(27.17)
其中$\tan\delta$—损耗因数，DF
$f$—测试频率，通常为120 Hz
$C$—电容
因此，等效串联电阻为
$$
\text{ESR} = \frac{0.004}{2\pi \times 10^3 \times 10^{-6}} = 0.159\,\Omega
$$
电容器温度，$T_{JL}$ 由下式给出
$$
T_{JL} = T_{\text{ambient}} + \Delta T
$$
(27.18)
其中 $\Delta T$ 是由等效串联电阻的自热效应及其后续功耗引起的温升，其表达式为
$$
\Delta T = P_{\text{dis}} \times R_{th}
$$
(27.19)
$R_{th}$ 是电容器的热阻，$P_{\text{dis}}$ 与电容器等效串联电阻（ESR）所耗散的平均有功功率相关。功耗是由于流经电容器的交流有效值纹波电流（AC $I_{\text{rms}}$ ripple current）引起的，从而产生内部发热效应。忽略漏电流的影响，ESR 上的功耗由以下公式给出
$$
P_{\text{dis}} = I_{\text{rms}}^2 \times \text{ESR}
$$
(27.20)
因此，电容器温度的升高由以下给出
$$
T_{JL} = T_{\text{ambient}} + (I_{\text{rms}}^2 \times \text{ESR}) \times R_{th}
$$
(27.21)
电容器的热阻 $R_{th}$ 由电压降额曲线的斜率的倒数给出，而 $I_{\text{rms}}^2$ 是通过瞬态分析结果计算得出的。
$$
T_{JL} = T_{\text{ambient}} + \frac{(I_{\text{rms}}^2 \times \text{ESR})}{\text{SLOPE}}
$$
(27.22)
414 使用OrCAD Capture和PSpice进行模拟设计与仿真
如果制造商数据表中未指定电容器的热阻，则可以根据斜率进行计算
$$
\text{SLOPE} = \frac{1}{\text{CTMAX} - \text{TKNEE}}
$$
(27.23)
因此，公式（27.22）可以写成：
$$
T_{JL} = T_{\text{ambient}} + \frac{(I_{\text{rms}}^2 \times \text{ESR})}{\text{CTMAX} - \text{TKNEE}}
$$
(27.24)
其中CTMAX为最高工作温度，TKNEE为电容器在不超过额定电压的情况下可连续工作的额定温度，也称为上限类别温度。
在此示例中，斜率和TKNEE均被提供。仅使用TKNEE值。
TKNEE，CBMAX = 85
最大温度， CTMAX = 125
斜率，CSMAX = 0.0125
电压，CMAX = 50
等效串联电阻 = 0.159
练习3
中的倍压整流电路用于演示如何通过烟雾分析检测未满足降额最大允许功耗的元器件，从而改善电路性能。
三倍压电路。
415 烟雾分析
-
创建一个新项目，例如，名称为 _电压倍增器。命名项目后，将出现创建 PSpice 项目窗口。在下拉菜单中选择简单的_aa.opj，然后单击确定（图27.36）。
Note
在 OrCAD 的最新版本中，当你首次打开原理图页面时，变量部分将自动出现。
如果你选择了空项目，或者不小心删除了变量部分，则可以从 PSpice > advanals > pspice_elem 库中添加。 -
绘制图27.35中的电压_倍压电路。从模拟元件库中使用一个带等效串联电阻特性的电容器C_t。
- 如图27.35所示，在变量部分添加SMOKE参数值。
- 设置瞬态分析，运行至时间为50ms。
- 在节点A和B上放置差分电压标记， PSpice > 标记 > 电压差分。当你放置第一个V+标记时，第二个V−标记将自动出现。或者，单击图标 。
- 运行仿真。
- PSpice窗口中的探针窗口将显示节点A和B之间的差分电压。
- 在PSpice中，选择查看 > 测量结果，在测量结果窗口中，勾选Max(V(A)−V(B))对应的复选框，将显示73.25649伏特的值，参见图27.37。
设置默认的高级分析库
差分电压测量结果。
使用OrCAD Capture和PSpice进行模拟设计与仿真
- 返回到 Capture，然后选择 PSpice > 高级分析 > 烟雾分析。
- PSpice高级分析将打开，显示电压_倍增电路的烟雾分析结果。无效值将以灰色条线显示。例如，仅针对TJL计算平均值和峰值。在任意位置右键单击并选择隐藏无效值 图27.38。
- 再次在任意位置单击鼠标右键并选择 ComponentFilter，然后输入 C*，如图 27.39所示。
隐藏无效值
仅选择电容器的结果。
417 烟雾分析
-
图27.40 显示了电压_倍增电路的烟雾分析结果。电容器C1的纹波电流由PDML （均方根）给出，其值为43.5728μA。因此，根据公式(27.20)，Pdis的近似值为
$$
P_{\text{dis}} = (43.5728 \times 10^{-6} \times 0.159)^2 = 0.302\,\text{nW}
$$
这种小功耗归因于较小的等效串联电阻值，不会显著改变电容器温度。更值得关注的是电容器的额定电压。黄色条线表明，额定电压在其最大额定值的90%以内。
13. 右键单击任意位置，选择降额>标准降额，然后运行烟雾分析仿真。
14. 您应该会看到如图27.41所示的结果，其中红色条形表示已超出降额后的MOCs。
烟雾分析，仅显示倍压整流电路的结果。
仅显示电容器的结果。
418 使用OrCAD Capture和PSpice进行模拟设计与仿真
- 可改用工作电压更高的63伏特电容器。将CMAX的值全局从50改为63伏特，然后运行PSpice仿真和烟雾分析仿真。您应会看到电容器的降额后的MOCs未被超出。
27.8 示例4
晶体管数据手册通常提供两个器件功耗值，一个对应环境温度，另一个对应壳温。热阻（Rth）也给出两个值：结到环境和结到壳体。如果使用散热片，则从结点到环境的热阻等于晶体管结到壳体热阻与散热片热阻之和。如果不使用散热片，则热阻由晶体管结到环境的值给出（参见图27.42）。
没有散热片时，晶体管的热阻由RJA给出。晶体管温度由以下公式给出
$$
T_J = T_{\text{ambient}} + \Delta T
$$
其中 $\Delta T$ 由下式给出
$$
\Delta T = P_{\text{dis}} \times R_{TH}
$$
2N3904 数据手册。
419 烟雾分析
因此
$$
T_J = T_{\text{ambient}} + (P_{\text{dis}} \times R_{TH})
$$
其中$P_{\text{dis}}$为瞬态分析结果得出的计算功率损耗。若无散热片，热阻$R_{TH}$由$RJC + RCA$给出。
其中
$RJC$—结到壳的热阻
$RCA$—壳到环境的热阻
因此，
$$
T_J = T_{\text{ambient}} + (P_{\text{dis}} \times (RJC + RCA))
$$
- 使用灵敏度分析中使用的稳压电路。否则，在图27.43中绘制电路。
-
您需要使用PSpice模型编辑器为Q1编辑烟雾参数。在后续的17.2版本中，您可以通过“分配容差”窗口打开并编辑烟雾参数。无论哪种方式，您都将使用PSpice模型编辑器来分配烟雾参数。
(a) 高亮Q1> 2N3904并右键单击>编辑PSpice模型。或者 (b) 选择 PSpice > 高级分析 > 分配容差，选择Q1>2N3904，然后单击编辑 PSpice模型。 - 输入如图27.44所示的烟雾参数值。如果模型编辑器中未显示烟雾参数，请选择视图 > 模型。
9V系列稳压器
420 使用OrCAD Capture和PSpice进行模拟设计与仿真
Note
如果使用的是来自灵敏度分析的电路，则晶体管的正向电流增益(Bf)应该已经更改为 200。如果没有，在PSpice模型编辑器中将正向电流增益(Bf)从Bf = 416.4更改为200。
保存文件并关闭PSpice模型编辑器。
- 在节点“out”上放置一个电压标记，并在负载电阻R4的底端引脚上放置一个电流标记。
- 使用默认的运行至时间1000纳秒进行瞬态分析。
-
在PSpice中为V(out)和I(R4)设置两个测量表达式。跟踪>评估测量。
选择 最大值(1) 函数或宏，然后选择 V(out)。选择 最大值(1) 函数或宏，然后选择 I(R4)。参见图27.45。
2N3904的烟雾参数值
测量结果
421 烟雾分析
- 返回到 Capture 并选择 PSpice>高级分析 > 烟雾分析。在窗口中任意位置 rmb 并选择 >隐藏无效值。您应在 图27.46 中看到结果。
烟雾分析的结果给出Q1的平均功耗为535.9327毫瓦。由于没有散热片，因此使用：
$$
T_J = T_{\text{ambient}} + (P_{\text{dis}} \times (RJC + RCA))
$$
$$
T_J = 27 + (0.5359327 \times (83.3 + 116.7)) = 134.1865^\circ C
$$
在烟雾分析中，尽管在模型编辑器中为2N3904晶体管设置的Smoke PDM参数值为625mW，PDM的额定值仍显示为615 mW。使用2N3904数据手册中的PDM值，可得到该晶体管的结温热阻。
$$
RJA = \frac{T_J - T_a}{PDM}
$$
$$
RJA = \frac{150 - 25}{0.625} = 200^\circ C/W
$$
其中
$T_J$—最大工作结温
$T_a$—环境温度
$RJA$—结温热阻（$RJC + RCA$）
未应用降额的烟雾分析
422 使用OrCAD Capture和PSpice进行模拟设计与仿真
然而，代表$T_a$的标称仿真温度$T_{NOM}$被设定为27摄氏度。因此，使用$RJA = 200^\circ C/W$，在Smoke分析中显示的PDM由以下公式给出
$$
PDM = \frac{150 - 27}{200} = 615\,\text{mV}
$$
烟雾分析将使用最小的PDM值。
- 由 图27.46可知，晶体管温度在其最大值的90%以内。
-
在窗口中任意位置单击，然后 右键单击 > 降额 > StandardDerating。再次运行烟雾分析仿真。您应在 图27.47 中看到结果。
您需要使用具有更高功耗规格的晶体管，例如来自Zetex元件库的 ZTX450。标准降额为集电极电流0.8，功率耗散0.75。或者，您可以为晶体管添加散热片。R4是负载电阻，不属于电路的一部分。但是，您可以通过属性编辑器将电阻器功率属性设置为5W，以消除红色条形图。 - 使用Zetex元件库中的ZTX450替换Q2N3904。
- 运行瞬态分析。
- 运行烟雾分析。
- 在Smoke中，右键单击>元件筛选器 > Q1。您将看到，在标准降额下，ZTX450工作在安全范围内，请参见 图27.48。
应用标准额定值的烟雾分析
Q1在应用标准额定值下的烟雾分析结果。
423 烟雾分析
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