设计师在仿真过程中必须监控的最重要的参数之一就是温度。它会间接影响电路的性能和电子元件的行为，影响程度相当大，有时甚至是致命的。QSPICE可以全面管理温度，为设计人员提供多种工具，使他们能够配置仿真操作环境并对其影响进行建模。
温度也会影响电路的行为。特别是环境温度，即设备所在周围环境的空气温度，起着至关重要的作用。该温度以摄氏度(°C)、开尔文(K)或华氏度(°F)为单位，并且会根据气候条件和地理位置而有很大差异。例如，在温暖潮湿的气候下运行的设备必须应对与在寒冷干燥的环境中运行的设备不同的热条件。但是，环境温度并不是唯一影响电路行为的因素。
电子在通过导电材料时摩擦产生的元件内部温度也会对电路的最终性能产生重大影响。当电流通过电阻或晶体管等元件时，电子会遇到阻力，从而产生热量。这种现象被称为焦耳效应，它会增加元件的内部温度。内部温度升高会导致各种负面影响，例如增加导体和半导体的电阻、改变材料特性以及降低电子设备的性能。
例如，在MOSFET晶体管中，内部温度升高会导致导通电阻(Rds(ON))增加，从而降低器件效率并增加功率损耗。温度升高还会加速材料的老化和劣化，导致组件寿命缩短。因此，热管理在电子电路的设计和实施中至关重要。
使用散热器、冷却风扇和高导热率的材料有助于将组件温度保持在安全范围内，确保电路稳定高效地运行。此外，热设计必须考虑正常和极端工作条件，留出安全余量，确保设备在所有预期情况下都能正常工作。以下是温度影响电子电路的一些方式：
.TEMP指令将电路器件的温度设置为TEMP1。如果需要多个温度，软件将仿真每个指定的温度。请注意，可以使用适当的参数将各个器件的温度设置为与全局电路温度不同的温度。其一般语法如下：
.temp TEMP1 [TEMP2 […]]
它接受一个或多个环境温度作为输入。例如，该指令：
.temp 10,27,60
实际上，它分别在10°C、27°C和60°C的环境温度下进行了三次仿真。图1中的简单电路图指的是为LED供电的电路。它由12V的理想电压源和470Ω的限流电阻组成。仿真清楚地显示了随着温度的变化，电路的工作条件也会发生变化。关于电路图，流过LED的电流趋于随着温度的升高而增加。
尽管这种增加仅会有几毫安，但这是一个设计师必须仔细考虑的重大变化，尤其是在处理包含大功率元件的电路时。电流随温度增加是由于LED中使用的半导体材料的热特性。随着温度升高，半导体的禁带减小，促进电子的移动并增加传导电流。如果不妥善管理，这种现象可能导致二极管过热，并降低其发光效率和寿命。
在高功率应用中，这种变化可能会带来更为严重的后果。例如，在低功率电路中，几毫安电流的增加可能看起来微不足道，但在具有许多LED或敏感元件的系统中，这种增加可能会累积起来，导致过大的热负荷。这不仅会损害系统性能，还会导致过早失效。因此，设计人员必须在设计阶段考虑这些热效应，可能包括采用散热器、选择具有足够热容差的元件以及在极端工作条件下仿真电路，以确保长期稳定性和可靠性。此外，实施热补偿电路也很有用，该电路可根据温度自动调节电流，从而使LED保持在安全限度内工作并优化电路的整体性能。
图1：在此图中，流过电路的电流随温度而变化
替换之前的两个指令：
.tran 1
.temp 10,27,60
使用以下两个指令：
.op
.step lin param TEMP -20 80 1
可以运行参数仿真，其中温度(TEMP)以1°C为步长从-20°C线性增加到80°C。就好像有101个仿真，每个仿真发生在指定范围内的每个温度下。图2显示了温度变化时流过二极管的电流以及电池产生的功率。该图突出表明了，如果不修改电路，只是提高工作温度，工作条件就会发生变化，消耗也会增加。这是一个重要的事实，设计师必须始终给予最大的关注。
图2：仅提高工作温度，电路电流就会随其耗电量而增加
在QSPICE中，只需在各种属性中插入TEMP变量即可配置每个电子元件的温度。图3中的示例显示了两个并联MOSFET在传导模式下的运行情况。两个器件的温度在一定范围内(+20°C和+100°C)独立变化，图表分析了两个MOSFET的总功耗。两个MOSFET温度的迭代是自主的，并且两个器件可以自由地假设该范围内各种不同的温度。
图3：可以为各种电子元件分配不同的温度
Rdson是MOSFET的一个基本特性，它描述了器件导通并导电时漏极和源极之间的电阻。该电阻对于确定功率损耗以及MOSFET在开关和电源转换应用中的整体效率至关重要。使用MOSFET的主要挑战之一是其温度敏感性。随着温度升高，Rds(ON)通常会增加。发生这种情况的原因是，随着温度升高，电荷载流子的迁移率会降低，从而导致器件的内部电阻增加。
增加Rds(ON)会导致以热量形式耗散的功率增加，在热循环中产生进一步的温度升高，从而损害器件的稳定性和可靠性。因此，在设计电子电路时，管理温度对MOSFET中Rds(ON)的影响至关重要，通常需要实施适当的热管理措施，例如散热器、强制通风或使用高导热率材料，以确保系统稳定可靠地运行。图4显示了一个简单的电路图，其中功率负载通过导电SiC MOSFET供电。Rds(ON)参数的计算很简单，只需按照以下方式进行：
Rds(ON)=V(drain)/I(drain.source)=V(drain)/I(Rload)
相关图表显示了MOSFET导通电阻的值，温度范围为-50°C至+180°C。可以看出，通过电子仿真可以执行原本不可能进行的准真实测试。
图4：正常情况下，随着温度升高，Rds(ON)增大
温度是影响电子电路行为的关键参数。借助QSPICE仿真，可以预测和缓解潜在的热问题，从而确保设备的更长使用寿命和可靠性。热分析对于优化MOSFET(许多电源电路中的关键组件)的性能至关重要。如今，越来越多的电气和电子仿真器可以分析电路和材料的热行为，热仿真模型也很多，但它们的仿真通常很慢，因为软件必须计算许多操作参数上的数千个数学方程。
评估电路的热稳定性使我们能够了解电路的行为如何随温度变化，并确保电路在所有预期的工作条件下正常工作。这对于避免故障和确保最佳性能至关重要。识别热故障点也至关重要：识别电路可能出现故障或性能不佳的温度使我们能够设计预防性解决方案。最后，热优化涉及确定热管理措施，例如散热器或通风系统，以使电路保持在安全的温度范围内。这不仅能延长设备的使用寿命，还能确保最高的运行效率。
(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News，参考链接：QSPICE: Temperature analysis (Part 13)，由Ricardo Xie编译。)
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