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第7章 电应力（Smoke）工具的使用
电子电路在工作过程中，常因某（些）个元器件承受的热电应力超出其安全工作条件，降低其可靠性，严重地导致冒烟烧毁。因此，“冒烟报警”提高电路工作的可靠性，对一些安全性要求较高的电路（网络）采用降额设计已纳入电子工程师视野。本章结合电路实例简介可靠性、降额设计的基本概念和Smoke工具的具体使用方法。 7.1 降额设计（参考《OrCAD10.3使用指导》）
依据可靠性的物理分析和实验得知，元器件所承受的电应力指的是工作电压、工作电流以及热应力比如工作温度越高，则元器件的失效率越高，寿命也越短。如果使元器件承受的电应力和热应力（主要是工作温度）低于元器件的额定值，就可以提高元器件工作的可靠性。因此，使电路设计中对可靠性影响较大的关键的元器件，具有较常规额定值还低的裕量，以便确保安全运行。这就是降额设计又称裕量设计。我国已制定有关降额设计标准供设计人员参考。 7.2 Smoke工具的工作流程
Smoke工具的工作流程，如图7-1所示。
图中，前几步对于PSpice10.3-AA的特色工具都是相同的不赘述，只要按下PSpice/Advanced analysis/Smoke命令就可以运行Smoke工具，作电路的热电应力分析。然后是分析运行结果是否超出所规定的安全工作条件（过应力参数），此时Smoke会给出警告信号，以便用户返回去改变降额因子或者修改Smoke参数、电路设计等手段进行调整使之符合安全工作条件，打印输出结束工作。
由此可见，Smoke工具的使用，主要工作是： - Smoke参数设置
- 查看Smoke分析结果
- 改变降额因子
7.3 无源元件的Smoke参数设置
Smoke参数设置只介绍无源元件的Smoke参数设置。因为实际上它应用较多，也比较简单。而有源器件则选用程序中模型参数的默认值。仍然以射频放大器为例如图7-2所示。
图中的R、C皆带有高级分析参数，如果双击R1符号，将出现其属性编辑框如图7-3所示。
图中相关属性结合图7-2中变量表的虚拟变量赋值（相关参数的设置可参考3.4.2节内容）：
 7.4 调入、运行Smoke工具
7.4.1电路模拟瞬态仿真
Smoke分析只有时域（瞬态），故原来多作频域（交流）分析，则要加上瞬态电源tran=sin（0 5mv 1megHz），分析时间设为1us。瞬态分析模拟仿真参数设置如图7-4所示。
运行结果波形比较理想，输出信号约为15Mv，放大倍数为3倍，满足瞬态分析设计结果，电路输出波形如图7-5所示。
7.4.2调用、运行Smoke分析工具
1．调用Smoke分析工具
按照降额方式的不同，调用Smoke分析工具进行电热应力分析时主要有三种不同的方法，系统默认设置是“No Derating”,即不降额调入 Smoke分析工具，若采用降额设计方法，可运用系统提供的另外两种Smoke分析工具设计方法，即标准降额(Standard Derating)设置和自定义降额文件（Derating Files）设置。本节仍然以射频放大器为实例，采用系统默认的“No Derating”调用Smoke工具，具体操作如图7-6所示。
从调用Smoke工具图还可以看出，Average（平均值）、RMS（均方根值）、Peak（峰值）均被选中，将在Smoke工具窗口中，对同一个应力参数，将分三行分别显示同一个应力参数相对应的数值。另外还选中了Parameter Filters中的所有参数类型，其中包括电流参数、功率参数、温度参数和电压参数，相应在Smoke工具窗口的Parameter列显示对应元器件参数的应力参数名称。
2．运行Smoke分析工具
调入 Smoke工具的方法如图7-7 所示。
运行Smoke工具则出现Smoke分析工具窗口如图7-8所示。
从Smoke工具窗口可见，图表共分9列，下面将分别介绍Smoke工具窗中各列功能、用法：
7.5 标准降额和自定义降额方法的使用
上节介绍了以系统默认“No Derating”设置来进行热电应力的分析，为了提高电路的可靠性，若要采用降额的设计方法，可选用标准降额(Standard Derating)设置和自定义降额文件（Derating Files）设置来进行热电应力的分析。
7.5.1 标准降额(Standard Derating)条件的应用方法
1．标准降额（Standard Derating）条件
标准降额就是指采用系统内部设置的降额方法来进行热电应力分析。根据各个元器件相关应力参数的标准降额因子值，来配置系统的标准降额文件进行热电应力的分析。
2．采用标准降额条件调用、运行Smoke分析工具
采用标准降额条件调用Smoke分析工具的具体操作如图7-11所示。在Smoke工具窗口单击右键，从弹出的快捷菜单中选择执行Derating/Standard Derating命令，系统自动配置相关的标准降额文件所规定的降额因子值。
执行RUN命令，重新启动Smoke分析工具，分析结果如图7-12所
从图7-12可知，在采用标准降额条件下，对Q1的VCE参数，％Derating显示的应力参数降额因子值是50％，Max Derating栏的安全工作条件范围为6V，而此时的Measured Value一栏仍然是8.1422V（＞6V），％Max的值更是高达136％，％Max图形显示为红色的，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工具窗口中右键选中相应的元器件名称，在出现的快捷菜单中，执行Find in Design子命令，将使电路图中该元器件处于选中状态，同时窗口切换为电路图绘制软件Capture窗口。修改设计电路，更换安全范围高的元器件，更好的适应电路设计要求或在%Derating栏中，依表7-1电阻等Smoke参数表中，各项标准降额值选定后修改，以保证所有的应力参数均在相应的安全工作条件值范围以内。
7.5.2 自定义降额（Derating Files）条件的应用方法
除了可以运用系统默认设置是“No Derating”和标准降额(Standard Derating) 设置来进行热电应力分析外，使用者还可以运用自定义降额文件（Derating Files）条件的方式来进行热电应力分析。
1．用户自定义降额文件
Smoke分析工具本身提供了标准的降额文件，为不同的元器件规定了一组标准的降额文件，根据实际生产工作的需要，若用户有自己特殊的降额需要，就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。
创建自定义降额文件通常可以用记事本打开位于... OrCAD10.3 ools PSpicelibrary目录下的模板文件custom_derating_template.drt。根据用户的需要更改模板中相应的降额因子以达到工程的设计要求，标准降额文件中的相关降额因子的设置如图7-13所示。
用户根据需要建立自己的降额文件时，只要修改模板中相应的降额因子值即可（模板默认的降额因子值为1）。作者建议最好不要直接更改系统中的模板文件，避免因操作失误而破坏原有模板的语法格式。最好将模板文件拷贝、修改、保存在PSpice用户目录或当前设计目录下。
2．采用自定义降额条件调用、运行Smoke分析工具
在Smoke 窗口中选择执行AnalysisSmoke Derating Custom Derating Files命令，或者在Smoke工具窗口单击右键，从弹出的快捷菜单中选择执行Derating/ Custom Derating Files命令，即会出现自定义降额文件配置对话框，如图7-14所示。
通过图中的Custom Derating Files来添加相应的自定义降额文件，然后在Select derating type文本框中选中添加的自定义降额文件，单击OK键，自定义降额文件设置完成。在Smoke工具窗口按下RUN键，重新执行Smoke分析即可。 7.6 元器件的Smoke参数表
从上述Smoke工具的应用可看出，为方便使用者设计Smoke参数可以将其使用的参数归结在一张表内，比如电阻的Smoke参数见表7-1。
 7.7 本章小结
本章在介绍Smoke分析可靠性、降额设计等基本概念的基础上重点介绍了如何使用Smoke工具对电路进行热电应力分析。Smoke 分析是用在瞬态分析下，仿真、计算、检测各组件参数的特性在工作时所承受的功耗、结温的升高、二次击穿、电流或电压是否在在安全的工作范围内，并可清晰的对比出哪个参数特性违反限制，并及时的发出预警。可以采取系统默认设置是“No Derating”、 标准降额(Standard Derating)设置和自定义降额文件（Derating Files）设置三种不同的设置方法来调用Smoke分析工具进行热电应力分析。在Smoke工具窗口表格区可以查看Smoke 分析结果并对其排序，轻松的找出组件参数所承受的最大热电应力。若超出最大工作条件的额定值，可通过修改Smoke参数或者改进电路设计的方法来保证所有的应力参数均在相应的安全工作条件值范围以内。
综上所述，清晰可见Smoke分析对电路设计的可靠性起着关键性的作用。其中最大工作条件 (MOC)能减少降额并针对违反更多的安全工作限制来比较结果，以确保电路有较长的使用寿命和足够的可靠性。
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