介绍PSpice AD中的一个进阶分析—温度分析

连续介绍了两种统计分析，这一期介绍PSpice AD中的最后一个进阶分析——温度分析。众所周知，电阻等元件的参数值以及晶体管的许多模型参数值都与温度有着非常密切的关系。

说到电子器件跟温度的关系，突然想起今年暑假一件伤心事，南京今年夏天异常炎热，某天中午在室外接了一个电话，挂完电话之后，手机滚烫，然后就自动关机了，难道手机“中暑”了？拿回室内冷却一段时间后勉强可以开机，然后发现手机摄像头莫名其妙玩起罢工，之后摄像头就时好时坏。看来手机出厂测试时还没模拟到这个极端的情况呀

现在有很多公司是专门从事半导体检测和电路测试，温度分析是其中非常重要的环节，如果不考虑器件的温度系数，设计出来的电路直接上电是件很危险的事

概 述

电路工作一段时间，温度会发生改变，同时环境工作温度也是在改变，而半导体器件、电阻、电容、电感等大多数电子元件的工作特性都会受温度影响，因此温度也是电路中一个需要考虑的参数。

PSpice中所有的元器件参数和模型参数都是设定其在常温下的值（常温默认值为27°C），可以在 Option选项中获得和修改。

PSpice程序分析不同温度下电路特性变化的过程是：

首先按照元器件值以及模型参数值与温度的关系，计算不同温度下元器件值以及模型参数值，然后采用新的参数值进行模拟分析，就得到不同温度下的电路特性。

因此要求分析几个温度下的电路特性，就要进行几次模拟分析

当然，不同温度下电路特性模拟分析结果是否符合实际情况，主要取决于元器件模型中是否描述了各参数的温度系数，以及描述是否符合实际情况。

本期使用第四期瞬态分析的实例电路进阶温度分析作为范例解释温度分析的基本操作。

图1 本期实例电路

温度系数设置

电阻的温度系数

温度变化时，电阻参数值与温度的关系式为：

其中：

R0为电阻描述语句中的阻值；

T0为常温300K，即27摄氏度；

TC1为线性温度系数

TC2为二次温度系数

通常情况下，电阻生厂商为用户提供线性温度系数TC1的值。温度系数指温度变化一摄氏度时电阻的相对变化量。

电容和电感的随温度变化的计算公式和电阻相似，只是将电阻值改为电容值或电感值。

早期版本的OrCAD软件，Capture中的元件没有温度系数等相关参数，需要编辑BREAKOUT库中的器件模型，添加语句实现。

新版本则可以直接双击电阻或电容，在属性编辑中找到TC1和TC2的编辑框，输入数值即可。这里将电阻的TC1设置为0.005；电容的TC1设置为0.001。

图2 电阻和电容的温度系数设置

晶体管的温度系数

一般晶体管的温度特性已经包含在器件模型中，不同型号的温度特性会有不同。所以模型的准确性影响着晶体管温度分析结果的可参考性。

我们在模电课上知道，当环境温度升高时，二极管的正向特性曲线将左移，反向特性曲线将下移。

图3 二极管的温度特性

一般温度每升高1度，正向导通电压就减小2mV~2.5mV，而温度每升高十度，反向饱和电流将增加一倍。二极管的反向饱和电流的温度特性由SPICE模型中的禁带能量Eg和饱和电流温度指数XTI决定。

温度分析的参数设置

温度分析同样属于进阶分析，电路进行瞬态分析、交流分析或者直流分析时，在仿真设置窗口的Options中都有Temperature（Sweep），这里先设置作为基础分析的瞬态分析，然后勾选温度扫描分析作为进阶分析，如图4所示。

图4 瞬态分析进阶温度扫描分析的设置

也可以选择先设置瞬态分析，然后选择参数扫描分析中的Temperature作为变量，进行温度分析。设置如图5所示。

图5 温度作为变量的参数扫描分析

两种方式的设置运行仿真后均会先弹出图6所示的多批模拟结果数据选择框，依次列出了温度分析的批次，供用户选用。

可以选择全部或是部分，若要选择部分批次，可以先单击None按钮，然后按Ctrl+单击需要的批次，选择一批或多批数据，最后单击ok按钮得到图7的波形。

图6 多批模拟结果数据选择框

图7 不同温度下负载上得到的输出波形

查看输出文档

不管是图4采用温度分析的方式还是图5通过参数扫描方式下选择温度作为参数，这两种方式得到的输出波形结果是一样的，但在View>Output File中查看文字输出结果时，只有图4的方式，也就是使用Temperature（Sweep）分析下，可以看到不同温度下，元器件数值和二极管参数值的变化。所以如果需要这些数据时，还是选择单独的温度分析为好。 

图8 温度分析的文字结果

上图是在PSpice波形显示界面的选择菜单栏View-->output File得到的哟

晶体管的温度特性

为了说明晶体管模型中已经包含了半导体的温度特性，接下来通过仿真来绘制图3二极管的伏安特性曲线^_^

将电路中的1N4007的二极管单独拿出来，绘制如下电路：

新建仿真文件，并选择直流扫描分析进阶温度分析，具体设置如下：

由于二极管的正向导通电压的温度系数和反向饱和电流的温度系数不同，而且数值大小相差也很大，所以这里只画了正向特性的伏安特性曲线

上图从左到右分别是125°C、25°C、-75°C对应的正向特性，说明二极管的正向导通电压具有负温度系数。

审核编辑：刘清