PSpice 21周仿真培训 I 第13周：PSpice AA应力分析（Smoke）工具

应力分析（Smoke）工具用于判断电路中是否存在某些元器件承受的热电应力超出其允许范围，以及电路工作状态是否满足降额设计的要求。在设计中实现过应力预警，从而提高电路的可靠性。准确地说，Smoke工具可以检测：

• 元器件的功耗

• 结点温度

• 二次击穿限制

• 最大电流限制

• 器件的击穿电压

Smoke分析后可以显示出这些应力参数的平均值、均方值和峰值，并且将这些值与相应的安全工作范围进行比较，并提出警告。

本期继续使用上一期的射频放大器，分析该电路是否存在过应力的元器件。

图13.1 本期实例电路

电路可靠性是指电路系统或元器件在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。根据国际通用标准，常用电子产品的规定时间（也就是常说的寿命）必须大于10年。

可靠性试验和可靠性物理分析均表明，元器件工作时承受的电应力（如工作电压、工作电流）和热应力（如工作温度）越高，元器件的失效率也越高，即工作寿命就越短。而如果半导体器件工作时承受的电应力强度和工作温度低于该器件的额定值，就可以提高器件工作的可靠性。

降额设计就是通过设计使对可靠性影响较大的关键元器件承受的应力适当低于常规水平，以降低失效率，使电路设计具有较大的裕量，从而更好提高产品的工作寿命。当然将元器件降额必然会增加成本，而且有些情况下降额还会影响元器件特性的正常发挥。对于不同场合各种元器件应选择多大的降额幅度，工程师们可以参照电子元器件降额的国家标准——“GJB/Z35元器件降额准则”。

无源元件包括电阻、电容、电感和电源，保存在analog或pspice_elem库中。上述元件必须工作于给定额定温度范围内，温度超出额定值时输出参数必须进行降额处理，以保障元件在环境温度不断升高时能够可靠工作。

（1）电阻应力参数

Smoke工具对电阻最大功耗、最高温度以及最大压降进行计算和显示。电阻最大额定功率（POWER）通常指电阻工作于标准环境温度与额定温度之间时允许消耗的功率极限值。温度超过额定温度时额定功率将按照指定的斜率(SLOPE)下降，最大额定温度（MAX_TEMP）处电阻的功率为零。表13.1表示电阻应力分析中使用的参数。

表13.1 电阻应力参数表

表格的第二列元器件属性名可以在原理图设计界面双击电阻符号，打开如图13.2（a）所示的电阻属性窗口，参数数值一般在Variable Table中设置,如图13.2(b)所示。

图13.2 电阻应力参数的设置

（2）电容应力参数

Smoke分析对电容额定电压的最大值、纹波电流最大值、反向电压最大值和串联电阻引起的最大损耗进行计算和显示。

• 额定电压指电容能够连续工作的直流电压最大值

• 额定温度指电容在额定电压下连续工作的最高环境温度

• 纹波电流最大值指电容流入流出的交流电流有效值

• 串联电阻引起的最大损耗是指纹波电流最大下导致串联电阻功率损耗值

表13.2表示电容应力分析的参数：

表13.2 应力分析中使用的电容参数

表格的第二列元器件属性名同样是在原理图设计界面双击电容符号，打开如图13.3（a）所示的电容属性窗口，表格第三列的参数数值在Variable Table中设置,如图13.3(b)所示。

图13.3 电容应力参数的设置

（3）电感应力参数

Smoke分析对电感的额定直流电流、最大介电强度以及串联电阻引起的最大功耗进行计算和显示。表13.3表示电感应力分析的参数。

表13.3 应力分析中使用的电感参数

（4）电源应力参数

Smoke分析对电流源承受的最大电压和电压源承受的最大电流进行计算和显示。

表13.4 电源的Smoke参数

能够进行应力分析的半导体器件包括二极管、二极管桥式整流器、稳压管、双极型晶体管、JFET、MOSFET、功率MOSFET、IGBT、LED、光耦合器、压敏电阻和晶闸管等。

半导体器件应力参数通过模型编辑器进行定义，在原理图设计界面，点击半导体器件右键快捷菜单中选择PSpice Model Editor进行模型应力参数编辑。图13.4是本期实例中晶体三极管2N5179的应力参数表。

图13.4 双极型晶体管应力参数

可见有源元器件的Smoke参数个数要比无源元件的Smoke参数个数要多，但参数名称相对单一。表13.5列出二极管、场效应管、双极型晶体管以及IGBT的Smoke参数，标准降额值会在后续的降额设计中解释。

表13.5 有源器件的Smoke参数表

其他类型的半导体模型及其应力参数可通过在线PSpice高级分析用户指南进行查询。

Smoke分析流程如下：

图13.5 Smoke工具工作流程图

Smoke分析只有时域分析，所以在PSpice A/D分析时必须设置时域（瞬态）分析，图13.1实例需要进行瞬态分析的设置，并运行得到时域波形。

图13.6 瞬态分析参数设置

图13.7 瞬态分析结果

在原理图设计界面执行PSpice > Advanced Analysis > Smoke，或是相应的菜单栏图标，即可运行Smoke工具，出现Smoke分析工具的窗口，如图13.8所示。

图13.8 Smoke工具分析结果

图13.8的Smoke工具窗口共分九列：

• 第一列是标识列：绿旗表示该行应力参数计算结果有安全工作范围限制；黄旗表示该行应力参数计算结果没有安全工作条件限制。例如晶体管的应力参数VCE，只对其峰值(Peak)有安全工作极限要求；

  
  

• Component列：元器件名称，用户如果只想显示某些元器件，可以在Smoke窗口的表格任意位置点击鼠标右键，在出现的快捷菜单中选择“Component Filter”子命令，屏幕会弹出图13.9所示的对话框，可以在编辑框中输入元器件的标号，还可以结合适配符？或*，使得符合要求的元器件出现在Smoke窗口中；

图13.9 元器件类型选择

• Parameter列：以缩写的方式显示应力参数名，表13.1~13.4的最后一列，以及表13.5的第二列就是表示这一列的参数名。如果需要显示这些应力参数名的详细解释，可以在Smoke窗口的表格任意位置点击鼠标右键，在出现的快捷菜单中选择“Parameter Descriptions”子命令，就可以得到图13.10的详细参数名。

图13.10 应力参数名称的详细解释

• Type列：应力参数值显示类型，Average表示平均值，RMS表示均方根值，Peak表示峰值。用户可以通过右键快捷菜单中点击Average Value、RMS Value和Peak Value进行选择不显示某个类型；

  
  

• Rated Value列：表示元器件供应方提供的该参数允许的最大工作条件；

  
  

• %Derating列：表示Smoke分析中对该应力参数采用的降因子数值。该值应小于等于100。因为默认是采用“No Derating”,即不降额，因此这一列显示的都是100，如果采用标准降额或者自定义降额，那么该列的数值取决于相应降额文件的设置；

  
  

• Max Derating列：表示该应力参数的安全工作条件范围，该列的数值等于第五列Rated Value的值乘以第六列%Derating；

  
  

• Measured Value列：表示电路工作时该应力参数的实际工作值，是PSpice仿真的计算结果；

  
  

• %Max列：表示实际应力值与安全工作条件的比值，即Measured Value除以Max Derating。%Max栏用条状图形的相对长度来表示比值的大小，并用不同颜色表示应力参数值的状态：

图13.8的仿真结果是默认在“No Derating”设置下进行的Smoke分析。为了提高电路的特性，可以选用标准降额（Standard Derating）设置和自定义降额（Derating File）设置来进行应力分析。

标准降额就是指采用系统内部设置的降额方法进行应力分析。调用的方式是在Smoke窗口下，单击鼠标右键，从弹出的快捷菜单中选择执行Derating > Standard Derating命令，系统将自动配置相关的标准降额文件所规定的降额因子值。

图13.11 选择降额方式

选择好后，需要重新运行仿真，执行RUN命令，重新启动Smoke工具，分析结果如图13.12所示。

图13.12 采用标准降额因子的应力分析结果

从图13.12可知，采用标准降额方式，对晶体三极管的VCE参数，%Derating显示的应力参数降额因子值是50%，Max Derating栏的安全条件范围是6V，也就是说晶体三极管的VCE击穿电压为12V，最大的工作电压应该保持在击穿电压的一半以内才安全。此时Q1的VCE工作电压是8.8307V，大于6V,于是%Max的值超过了100%，达到148%，显示红色，说明该应力参数的实际值已经超出了该参数的安全工作条件范围，是过应力参数。

当出现过应力参数时，可以在Smoke工具窗口下选中相应元器件，点击鼠标右键，在出现的快捷菜单中选择“Find in Design”，将回到OrCAD Capture的电路绘制界面，并且该元器件处于选中状态。由于Q1-2N5179的峰值标记为红色，我们用性能相近，并且击穿电压略高的2N4427晶体管来替换2N5179。

图13.13 更换晶体管

更改电路之后，重新运行Smoke工具，新结果如图13.14所示。新的结果表明，所有的元器件都在安全工作范围。

图13.14 使用新的晶体管后的应力分析结果

Smoke工具提供了标准的降额文件，但如果用户有自己特殊的降额需要，也可以自己建立自定义降额文件，达到相关元器件指定的降额因子需求。

PSpice提供两种创建自定义降额文件的方法。

方法一：利用PSpice提供的降额文件模板

路径为安装目录下：..\cadence\SPB_17.4\ tools\ pspice\ library\。该路径下有上述的标准降额的文件standard.drt,还有模板文件custom_derating_template.drt，均可用记事本打开，标准降额文件如图13.15所示，可以了解到降额文件的格式。

图13.15 标准降额文件中相关参数的降额因子设置

建议将降额的模板文件复制到自己的工程目录下，在降额模板的文件基础上直接修改文本，然后保存，就可以创建出用户自定义的降额文件。比如将电容的额定电压CV的降额因子修改为0.7，将最大纹波电流CI的降额因子修改为0.5。然后保存文本文档即可。

方法二：用户自己创建降额文件

在Smoke窗口下，选择执行Analysis > Smoke > Derating > Create New Derate File。打开图13.16所示的对话框。

图13.16 创建自定义降额文件

点击左边表格的“Click here to add derate type”,输入降额类型和器件类别，类型名称可以由用户自行定义，器件类别在下拉菜单中选择。选择好类别后，右边表格会相应出现选择器件的应力参数，选中其中一个，并修改Value列中默认值即可。如图13.17所示，设置了“mytype”类型的电阻，并且设置了PDM、TB以及TMAX的应力参数。

图13.17 输入自定义的器件降额因子

保存后得到后缀名为.drt的降额文件。如果要成功使用新设置的降额因子器件，还需要回到OrCAD Capture绘图界面下修改该器件的属性参数。这里只以电阻作为范例，所以双击电阻，添加一项“DERATE_TYPE”，并将其值取为图13.17中Derate types列用户自定义的名称，或是参照自定义降额文件。具体操作见图13.18.

图13.18 添加器件降额类型

对于降额文件中没有涉及的参数，降额因子默认为1。

上述两种方法下，都保存了一个后缀为.drt的降额文件。接着，在Smoke窗口下，选择执行Analysis > Smoke > Derating > Derate Setting命令，或者是在Smoke的显示窗口中点击右键快捷菜单中选择Derating > Custom Derate Files命令，按照如图13.19所示的步骤添加自定义的降额文件。

图13.19 自定义降额文件配置对话框

选取好自定义的降额文件后，需要重新运行仿真，执行Run > Start Smoke命令，Smoke将采用刚刚选中的自定义降额文件中的降额设置重新进行应力分析，并在完成分析后自动显示分析结果。图13.20(a)所示是修改了电容的CV和CI参数降因子的结果，图13.20(b)是设置了新的电阻降额类型的仿真结果。

图13.20 按照自定义降额文件运行的结果

至此，我们介绍了PSpice高级分析工具中的四种工具：灵敏度分析工具、优化分析工具、蒙特卡洛分析工具和Smoke分析工具。每一种分析工具都有一个核心价值：

因此，借助PSpice高级分析工具，可以轻松降低设计成本、加快工程师的生产力、提高制造的成品率，并增加设计的可靠性。