为结构设计师提供的实时热仿真工具- MSC PICLS(2)

CAE大拿

前言

为了电子设备的热设计，需要对零件设定发热量。            

在很多情况下，发热量是根据电路设计师的信息而设定的。当然，对于结构设计师或者电路设计师不可能故意传达错误的发热量，但由于沟通不足容易导致误解。例如，对于电路设计师来说，发热量最大时是否出故障来判断材料，所以重视最大值，而结构设计师为了确认计算结果是否与测试结果一致，需要平均值。从需求差异，导致输出最大发热量给到结构设计师。            

另一方面，如果用后面介绍的LTspice等电路模拟器，可以在一定程度上预估零件的发热量。由于热设计主要关心发热量大的零部件，因此如果能获取零部件的发热量，结构设计师也可以在初期阶段评估热是否满足要求。

在本连载中，以结构设计师为对象，说明基本的电子零部件的发热量的计算方法。

内容首先说明电子工程学的基础内容。并且，对于代表性的发热零部件-电阻、二极管，晶体管，铝电解电容器等，针对运行原理或发热原理，零件的选定和发热量的计算方法等，使用LTspice的简单的例题顺带说明。另外，重点介绍电路板专用热解析工具PICLS，介绍包含这些零件的电路的计算案例。            

正文中所记载的单位是SI的单位。另外，在本连载中，除了PICLS之外，还使用了免费电路模拟器LTspice。

第一回 尝试使用LTSPICE

什么是电路模拟器？

为了了解电子零件的发热量，需要知道元件涉及的电压和电流。为了寻求这些的值，可以试制电路进行测定，在本连载使用电路模拟器。

所谓电路模拟器，是在计算机上模拟电路的运行软件，具有代表性的SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）。            

SPICE是模拟电子电路模拟运行软件，1973年在加利福尼亚大学伯克利学校开发。最初是以集成电路的设计为目的而开发的，之后在一般的电子电路的设计上也被广泛使用。 那么，原创的SPICE是被称为CUI（CharacterUser Interface）的文字输入操作的软件，之后基于原有软件，开发了很多软件，添加了制作电路图和结果显示的GUI（Graphical User Interface）等。其中的一个是LTspice。

所谓LTSPICE？

所谓LTspice是由liner-tech（美国的半导体制造商）公开的电路模拟器，可以免费使用。使用这个LTspice的话，除了能够容易制作电路图以外，也可以得到电压和电流的详细的波形。本连载在电路的动作说明中使用LTspice。有兴趣的话，请一定要安装一下试着使用，以下为下载链接：            

https://www.analog.com/cn/design-center/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html   

启动LTspice  

启动LTspice，界面如下所示。

从菜单栏中选择[ File ]–[ New Schematic ]，或者从工具栏上单击的话，可以在图所示的电路图创建界面上制作电路。这里，显示上变更了一部分LTspice的颜色。

下面基于LTspice制作电路图。

试着用LTSPICE制作电路

我们赶紧做一个电路吧。从菜单栏中选择[ Edit ]–[Component]，或者单击工具栏，可以显示出可制作的零件的一览。首先，选择[ voltage ]，并单击OK。接着，如果单击画面的任意的地方的话，就配置好了电压源。            

接下来要配置电阻。从菜单栏中选择[Edit]–[Resistor]，然后点击工具栏，然后再点击制作画面。        

另外，在SPICE需要设置地面。菜单栏的[ Edit ]–[ Place GND ]，或者从工具栏上单击，在电路图上就配置好地面。           

如果所有的零件都配置完毕，就从菜单栏中选择[ Edit ]–[Draw Wire]]或从工具栏上单击，则零间之间相连。在界面上点击始发后，可以移动鼠标，并可以在垂直方向或横向方向划线，并确定单击终点。按下Esc键后完成制作。            

如果删除零件，请从菜单栏中选择[ Edit ] - [ Delete ]，或者单击工具栏，然后单击想要删除的零件。

如果将零件移动的话，可以从菜单栏中选择[ Edit ]–[ Move]，或点击工具栏，然后点击移动的零件后移动鼠标。在move中，只能移动零件，但是从菜单栏中选择[ Edit ]–[Drag]，或者单击工具栏的话，可以使零件和背景一起移动。            

到这里的结束工作的话，到如图2.1所示的状态。

图2.1　包含电压源与电阻抗的回路

参数设置  

零件的布置和连接结束后，将设置零件的属性。首先，用鼠标选择电压源点击右键，会显示图2.2所示的对话框，请点击Advanced。              

图2.2电压源设定（1）

图2.3电压源设定（2）

接着在图2.3所示的对话框，输入振幅和频率等。在这里，振幅为12V，频率为50Hz，如图2.3输入，并单击OK。

图2.4电气阻抗设定

选择电气阻抗，点击右键，显示如图所示，在[Resistance]输入阻抗，输入[10][Ω]，并OK。

执行仿真  

参数的设定结束后，试着执行模拟。从菜单栏中选择[ Simulate ]–[ Run]，或者单击工具栏，则显示图3.1所示的对话框。首先[ Stop Time ]输入[ 1 ]，模拟通电1秒钟的运行情况。

图3.1 仿真设定

选择OK，显示如图所示的对话框，上面是图表，下面是回路图。

图3.2 仿真执行中的界面

仿真结果确认  

为了确认结果，将鼠标移到电路图的线上。这样，显示会变为电压图表，请直接点击。可以用图表确认那个地方的电压变化。例如，在连接电压源+电阻的电线上，电压变化如图3.3。

图3.3加上电阻的电压变化

同样，将鼠标移到电阻时，光标的显示会变成电流图表。然后单击的话，显示如图3.4在电阻中的电流的变化。

图3.4电阻中的电流变化

按下ALt键，将鼠标移动到电阻时，光标就会变成温度计的形状。单击的话，电阻的损失的变化如图3.5所示。

图3.5电阻损失变化

按下Ctrl键，然后单击图表标题，显示图3.6所示的信息对话框。[Average]为平均值，[Integral]为积分值。因为这次是1秒的积分值，所以两者是相等的值，但请注意，积分的单位成为了J。

图3.6信息对话框

图3.6所示的平均值是电阻的损失即发热量。详细情况后面进行说明，但正弦波的实效值是高峰值的。另外，由于电阻的发热量是电压的平方除以电阻值，因此发热量为。            

但是，看了图3.6，发热量约为6.9W。这样，两者的值不同是由于数值积分的误差导致。但是在LTspice进行计算时，为了抑制误差，计算时间取数波长。图3.7是在2波长的计算时间（0.02s）中寻求电阻的损失变化的。这个时候的平均值约为7.2W，与发热量的公式计算出的值大体一致。

图3.7计算时间为2波长时的计算结果

这样使用LTspice，可以容易得到电路元件的运行和发热量。本连载以上结束LTspice的说明。

下一节说明电子工学基础。