电子仿真是设计和分析电子电路不可或缺的工具。温度是仿真中需要考虑的基本参数之一，因为它对电子元件的行为有重大影响。在本文中，我们将探讨SPICE如何管理温度以及仿真其影响的主要技术。
温度会影响电子元件的许多参数。其中最重要的一个参数是材料的电阻，它会随温度而变化，一些元件的电容量、热噪声率和许多其他参数也会随温度发生变化。忽略温度的影响会导致仿真结果不准确，进而导致电子设计在实际甚至关键的工作条件下无法按预期运行。温度仿真在许多应用中都是必不可少的，例如汽车电子中用于评估极端温度下电子电路的运行，航空航天中用于仿真温度变化较大的环境中电路的行为，或者更重要的是电力电子中用于分析功率器件中的耗散和热效应。
LTspice提供了几种在仿真中管理温度的方法：
对于全局环境温度，有一个特定的SPICE指令，允许用户为整个仿真指定一个恒定的环境温度。该指令是：
.temp [temperature]
用户可以在其中指定仿真的环境温度。图1中的第一个电路图显示了一个简单的晶体管电路的解决方案。基极电阻的值将集电极输出设置为VCC/2。在电路中，指令非常突出：
.temp 12
它将所有电子元件的仿真温度设置为12°C，晶体管Q1在其内部模型中包含许多热管理参数，并且这些参数考虑了TEMP指令。
图1：一个简单晶体管放大器在不同温度下的电路图。请注意.TEMP指令
用户可以尝试不同的温度值，不同的仿真会返回以下表中的电压和集电极电流值，只需更改指令的值即可仿真不同的温度。通过更改特定指令中的温度参数，用户可以根据新的热条件重新计算器件模型。以电压和集电极电流表示的仿真结果提供了有关器件电气特性随温度变化而变化的宝贵信息，使我们能够评估热对电路整体性能的影响。
从表中可以看出，温度升高会导致集电极电流增加，输出电压降低。这种现象被称为“雪崩效应”，对晶体管有害。如果电流增加到不受控制的值，晶体管可能会被损坏。要获得更精确的电流和电压与温度的关系图，只需从电路图中删除.TEMP指令并添加以下两个指令即可：
.op
.step temp -20 120 1
该指令允许以1°C的步长处理-20°C至+120°C之间的所有温度。电压和电流图如图2所示，它们与温度密切相关，X轴显示的是-20°C至+120°C之间的温度范围。
图2：集电极电压和集电极电流随温度变化的趋势
使用电阻时，默认情况下，它们是理想组件，不会随温度而改变特性。图3显示了为电阻供电的电池的示意图。与前面的示例一样，仿真是在-20°C至+120°C之间的温度范围内进行的。在不添加任何参数的情况下，电流曲线(以及所有其他结果)是平坦的(参见上面的第一个图)。利用一个小技巧，可以为设备或元件指定温度。在示例中，电阻在27°C时为330欧姆，这是LTspice的默认温度，为电阻分配温度系数tc=0.00005，并将以下值分配给组件：
330 tc=0.00005
电阻器的热行为与温度有关，其电阻特性会发生变化。现在，电阻器上的电流会减小，因为温度升高也会增加电阻(见下面的第二张图)。经过必要的计算后，电阻器在-20°C温度下的阻值约为329224欧姆，在50°C温度下的阻值约为330379欧姆，在120°C温度下的阻值约为331534欧姆。这些变化微不足道，但它们会对电源应用的影响却是重大的。电路图的代码如下：
* Temperature
V1 N001 0 24V
R1 N001 0 330 tc=0.00005
.op
.step temp -20 120 1
.backanno
.end
通过这种方法，可以仿真PT100或其他温度传感器的行为。TC是温度系数，表示参考温度下每摄氏度电阻的百分比变化，正值表示电阻随温度增加，而负值表示电阻减小。此外，TC1和TC2是一阶和二阶修正系数，用于更准确地仿真电阻随温度的非线性变化，尤其是在较宽的温度范围内。
图3：电池在不同温度下为电阻器供电
在设计功率电路时，检查MOSFET的最高温度非常重要，为此有必要监控结温，即半导体的实际温度。这与组件“容器”的温度相对，比前者略低。与LTspice一起发布的SOAtherm模型简化了设计人员的工作，使他们能够直接在电路仿真中监控某些组件的温度。SOAtherm模型可预测MOSFET的温度，而不会影响电路仿真的电气行为。
温度读数与电气读数相同，不同之处在于SOAtherm组件上读取的电压实际上是以摄氏度表示的温度值。通常，您只能使用SOAtherm-NMOS符号来检查MOSFET的温度，不需要额外的散热器或其他热模型。但是，在某些关键应用中，可能需要散热器(SOAthern-HeatSink)。SOAtherm-NMOS符号允许用户包含使用一个MOSFET，在设计阶段，需要将电子元件的模型拖到其中。要使用SOAtherm-HeatSink模型，您必须将其连接到SOAtherm-NMOS符号的Tc引脚。
图4中展示了两个电路图，其中包含一个功率负载、一个由MOSFET表示的电子开关、负载的电源电压以及MOSFET栅极的电源电压，其任务是使其导通。仿真是在27°C的环境温度下以360秒的瞬态进行的，顶部的图显示了未使用散热器的解决方案，第二个解决方案则有一个铝制散热器，与MOSFET的接触面积为100mm2，体积为4000mm3。
图4：使用SOAtherm模型的两个静态电源电路图
结温仿真分析如图5所示。无散热器的MOSFET结在工作6分钟后达到约45°C的平衡温度，而有散热器的MOSFET结在相同时间后达到约31°C的温度。要使电力电子元件充分工作，散热片的存在始终是必要的，它们需要与周围环境进行较高的热交换，以避免它们因高温而损坏。
请注意，仿真器提供的温度测量以伏特为单位，但它们在实际都是热测量，以摄氏度为单位。负责此类测量的变量位于Tc和Tj引脚附近，将散热器材料从铝替换为铜会略微改变其热行为。由于SiC MOSFET具有非常低的Rds(ON)，因此其功率耗散极低，约为几百毫瓦，而负载功率耗散则接近800W。改变电路的工作和电气条件(负载阻抗、电源电压、MOSFET类型、散热器尺寸和材料、环境温度)将改变所有最终结果。
温度是影响电子电路行为的关键参数。借助SPICE仿真，可以预测和缓解潜在的热问题，从而确保设备更长的使用寿命和更佳的可靠性。特别是，热分析对于优化MOSFET(许多电源电路中的关键元件)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，热仿真模型越来越多，不过它们的仿真通常很慢，因为软件必须对许多操作参数进行数千次计算和数学方程式计算。
(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News，参考链接：Guide to Spice Simulation for Circuit Analysis and Design – Part 13: Temperature Management，由Ricardo Xie编译。)
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