五项关键步骤提升电气工程分析的效能和可靠性

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引言

电气工程师在众多的工业领域发挥着重要作用，他们运用专业知识来设计、开发及维护电气系统和元器件。电子元器件广泛应用于消费品、汽车以及日益增长的医疗设备领域。电气电路设计用于规划电力基础设施和电信网络，以及开发尖端技术，如微处理器、存储芯片和航空电子系统。

出于几个至关重要的原因，设计工程师在投入生产之前需要对电路设计进行分析。

功能验证

通过在不同条件和输入场景下对电路进行模拟，工程师可以识别出潜在的问题和设计缺陷，并验证电气电路或系统在实际应用中能否正确且可靠地运行。

性能优化

通过微调关键参数，如电压水平、电流流动、功耗和信号完整性，工程师可以提高电路的整体性能，从而降低成本、降低能耗，并使最终产品在市场上更具竞争力。

安全性和可靠性评估

不当设计的电气电路可能存在安全隐患。通过分析，工程师能够识别出潜在的故障点、电压/电流应力水平和热问题，从而评估电路的安全性和可靠性。这确保电路符合安全标准，在规定的容差范围内运行，并且在正常操作条件下不易发生故障或损坏。

对电路设计进行工程分析是开发过程中的关键步骤，但完成一项工程评估，如最坏情况电路分析（WCCA），需要耗费大量的精力和时间。同时，由于评估结果可能影响关键设计决策，因此还面临着尽快完成评估的商业压力。

因此，负责分析的电气工程师希望快速而准确地完成计算，同时还需要能够迅速应对项目范围的变化或元器件的更换。鉴于大多数工程师会使用各种电气设计软件（如Altium™、LTSpice™等），自动化和简化设计、分析以及编写文档步骤将带来极大的好处。‌

在本文中，我们概述了电气工程师在使用工程计算软件进行电路设计分析时应遵循的五条建议。与此同时，我们还展示了现代计算软件（如Maplesoft的Maple）所能提供的智能功能，这些功能可以节省时间或简化任务。文中的例子提供了常见分析技术的最佳实践，并展示了如何利用这些强大的工具来完成任务。‌

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步骤 1: 将设计参数转换为可轻松更改的变量

好处：

降低数据输入和单位转换出错的风险；
使您的分析和文档能够在未来项目中作为模板使用。

由于多种原因，设计参数可能会在项目进行到一半时发生变化。例如，客户可能会发现原始需求中遗漏了某个重要的限制因素或场景，而销售团队也同意必须采用新的约束条件。此外，当供应链短缺影响到某些元器件的供应时，可能需要替换成不同的元器件，从而改变容差值、材料清单以及电路原理图。

在工程计算中，手动多次更新数值非常耗时，而长文档更容易导致数据录入错误或单位使用不当。虽然大多数工程师在报告开头就定义了参数，但通过使用支持变量而非常量的计算工具，以及采用带有下标符号的标准化格式，可以显著提升文档的准确性和可读性。

将每个参数定义为符号变量，即为每个参数分配一个字母或符号。这样便于在文档中引用和追踪这些值的使用情况，同时也支持了报告中的数据溯源。

解释性注释可以标明变量的来源和发展，以帮助同事追踪参数并看到方程在需要评估的点上是否正确应用。解释性说明可以标注变量的来源和发展过程，帮助同事追踪参数，确保评估和审核使用了正确的方程。

当设计约束发生变化时，只需在首个引用点更新一次符号变量，更新后的值将自动更新到整个设计文件，同时保持所有其他假设和数据不变。随后，计算和结果将自动更新。这意味着您的工作表可以开发为设计模板，可以在未来类似项目时重复使用。

Maple允许用户将参数值定义为符号变量，这些变量可以单独或批量更新，从而使分析中的更改变得快速而且容易。可以全局设置一个首选的单位系统，Maple的动态单位跟踪功能进一步减少了错误的发生。

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步骤 2: 使用强大的计算软件快速执行基于数学的分析方法并进行蒙特卡洛模拟

好处：

基于数学的模型相比电路仿真软件模型更全面和鲁棒，因为它不仅限于描述标准行为，还能包含温度变化等复杂因素；
使用蒙特卡洛进行灵敏度分析，可为复杂电路提供更精确的结果，避免由于RSS（平方根分析）估算而导致的容差过度简化。

执行诸如模拟、数学建模以及分析电气系统在不同条件下的行为等任务可能非常耗时。这些计算对于电气设备的安全性、可靠性和使用寿命无疑具有重要价值，但随着考虑因素的增多，所涉及的数学运算也变得更加复杂，需要投入更多的计算资源才能将其纳入模型中。同时处理多个设计要求会迅速导致复杂的非线性数学方程，尤其是在考虑电路中所有元器件时。这排除了手动进行计算的可能性，但这也意味着可以加入足够的细节，如温度变化，以真实反映实际运行情况。

工程师可以通过在计算过程中使用基于数学的技术来节省时间。计算软件中提供的命令行求解器可以在分析过程中调用，以加快组件权衡评估的速度，并快速找到同时满足多个设计要求的操作条件范围。

Maple软件内置的优化和参数扫描Apps在求解参数的极值以及特定操作条件，例如执行变压器选型和功耗计算时，可以大大节省时间。

由于制造工艺的不完美，实际元器件的输出电流、电阻、电容等并没有固定的值，因此需要在一定的容差范围内进行设计。元器件的额定值是以某个平均值加上一定的变化范围来定义的。这种变化量可以用百分比（例如电阻）或者绝对值（例如集成电路数据手册）来表示。

以下基于数学的分析方法可用于执行功能验证，即将设计的电路性能与设计规范进行比较，并对差异进行量化。

极值分析 EVA｜Extreme Value Analysis

将所有变量设定为最环值时对电路输出性能影响所做的分析。这种分析会考虑所有元器件参数极值的每一种排列组合，从而获得电路性能在绝对最恶劣情况下的值。

灵敏度分析 SA｜Sensitivity Analysis

确定一组输入变量的变化如何与某个目标变量或函数的变化相关联。其目标是识别哪些输入变量的变化会导致电路输出产生最大的变化。在计算软件中，您可以计算电路相对于每个元器件参数的符号或数值偏导数。这些可以用来扰动电路方程。工程师通常使用以下两种数值估计方法来评估输出变化的可能性，即平方根RSS和蒙特卡洛分析。

平方根分析 RSS｜Root-sum-square analysis

这是一种统计方法，它假设大多数元件遵循正态分布，参数值位于容差范围的中间，而非极端值。这是一个简化的模型，计算量较小，但当电路中包含复杂电气系统中常见的非线性元件（例如反馈）时，其准确性会降低，甚至可能导致系统不稳定。

蒙特卡洛分析MCA｜Monte Carlo Analysis

该方法将每个元器件的性能变化纳入模型之中，针对具有固有不确定性的所有因素，通过替换为一系列来自概率分布的值来运行一系列可能的结果场景。随后，它利用来自概率函数的不同任意值组合，反复计算结果。通过这种方式，参数从分布中随机选择，电路则被模拟1,000至1,000,000次不等。当涉及非线性因素时，该方法提供了更为稳健的分析手段。可以计算出结果的均值、方差和置信水平，并将它们与所需的设计规格进行比较。这些成千上万的排列组合会连同其发生的概率一起进行评估。尽管这些计算的计算量很大，但现代计算软件使得工程师能够快速运行蒙特卡洛模拟。

事实上，尤其当在灵敏度分析方程中引入容差时，就没有理由再使用RSS来简化假设了。在大多数情况下，引入的容差乍看之下可能很小，但当进行成千上万次计算时，它会迅速累积，对电路功能产生重大影响。

使用Maple，可以在几秒钟内对复杂方程执行数千次蒙特卡洛模拟。工程师可以将蒙特卡洛方法作为其灵敏度分析和最坏情况电路分析的一部分，获得高可信的结果。

下载 Maple 应用示例

步骤 3: 将元器件数据和参考数据统一归集至中央数据库中

好处：

通过建立一个统一的常用参数和元器件降额值数据源来节省时间；
参考数据可以来自多种来源，例如数据库和常用的CAD工具。

电气工程师在项目限制方面有许多信息来源。这些信息可能是供应商提供的元器件参数表，也可能是客户提供的，如容差和操作条件。设计可能需要遵循公司内部采用的假设和最佳实践，或者包含信息性参考资料。这些数据可以以原始数字表的形式呈现，也可以构建成具有依赖性的结构。

工程师可以极大地受益于重复使用和循环利用来自元器件列表和设计要求的数据，但前提是这些数据必须集中存储，并且在各个项目中一致使用。

第一步是识别在不同项目中重复使用或在同一工作表中多次使用的数据类型。为了准备分析，将电路模型表示为方程，并收集参数、降额因子、限制条件以及最小/最大/标称容差。

源数据可能包含单位，或者可能被组成方程、容差范围或代码库。如果数据适合放入表格中，则可以在被导入计算软件中的矩阵形式之前，将其存储为CSV或者Excel格式。

当这些数据资产能够直接被使用时，它们作为共享资源的价值就会提升，这将有助于整个工程师团队采用标准化的解决方案。如果支持信息（如单位系统或容差范围）没有被输入到计算工具中，工程师就需要花费精力和时间在后续定义中重新说明这些信息，这就增加了出错的可能性。

工程师有责任评估每个来源的可靠性 — 例如，如果信息是由制造商提供的，那么就应该对降额测试的有效性和所提供的模型进行核查。供应商模型通常会附带免责声明，表明产品性能可能与模型不完全一致，而且供应商很少公布任何模型与实际测量之间的相关性数据。这个问题可以通过直接使用元器件数据表上列出的可信项，并将其应用于符合数据表规格的简单模型来解决。

一旦选择了既定的降额方法，使用元器件属性和降额值的存储库将有助于保持一致性，并避免重复工作。

在内部网络服务器上建立一个可供所有用户访问的存储库，用于存储元器件数据和程序，这样Maple就能够动态链接到属性表，从而将参数值（最小值、标称值、最大值）输入到方程中，用于进一步的分析。
Maple的链接接口支持文件（如文本、csv、Excel®、XML、JSON、PCM）、数据库、图像、在线资源（如TCP/IP、OpenAPI™、SysML®）以及与常见CAD和CAE工具（如Solidworks®、Modelica™和SPICE）的接口工具。

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步骤 4: 将自动化引入变更分析步骤实现敏捷流程

好处：

改进分析任务之间的数据传递流程，减少手工拷贝粘贴的操作。

电气系统的设计与开发过程涉及多个阶段，并且经常需要在任务之间甚至团队之间交接研究成果。

初步设计通常包括一个电路原理图，而常见的EDA电路设计软件可以将原理图另存为电路网表文件，以文本形式表示层次关系，并生成列出系统元器件的物料清单。

当获得电路网表、子系统变量以及源负载信息后，工程师通常会手动将这些信息录入到不同的计算软件中以完成分析。这一过程不仅耗时，还存在数据输入错误的风险，同时也给审核人员带来了挑战，他们需要核实方程和分析中使用的数值是否是正确推导得到的。

在进行最坏情况电路分析时，传统上工程师会在各项任务之间进行计算并传递结果。例如，会将极限值和应力分析的结果与设计裕量和其他要求进行比较，并评估为通过或失败。如果其中任何一项结果表明产品未满足要求，就必须更改设计，并使用不同的参数值重新进行全面分析，这导致了一个冗长的流程。

在最坏情况分析过程中缺乏自动化，使得分析难以与设计变更保持同步。当元器件、设计、操作条件或要求发生变化时，分析应该能够轻松重复进行。

通过采用能够快速响应上游更新的敏捷流程，可以提高该过程的效率。这可以通过将结构化的电路网表文件解析为可通过计算软件进行操作的格式来实现。将电路设计网表与计算软件相连接后，可以自动推导出参数和元器件列表，并通过脚本，让物料清单和模型方程与网表中描述的电路保持一致。

使用Maple和免费的工具包Syrup，工程师可以通过链接到网表中的原始数据来创建节点和元器件方程，从而节省时间并避免错误。通过将这些设计信息作为下游方程的来源，电路图或物料清单中的任何设计更改可以快速传递以更新分析。Syrup还支持SPICE和梯形图，并内置了用于求解交流、直流和瞬态方程的命令。

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步骤 5: 在同一工具进行分析并生成报告

好处：

通过展示源数据、假设以及数值的计算方式，并附上结果总结，使审查流程更加简化；
创建模板以减少常见项目任务的重复工作。

通过减少用于来回传递结果的计算工具数量，可以大大简化电气工程分析的工作流程。如果工程师在计算软件工作表中定义了参数，并进行了所有应力分析和降额极限值计算，那么结果和关键设计信息（如物料清单）就可以在同一工具生成的报告中一起呈现。

清晰的数据和分析展示，同行更容易进行审核或与其他团队分享项目工作。通过使用标准的数学符号、集成的文本和图形显示，计算软件可以自动生成易于阅读的文档，这些文档在整个管理层的各个层级都能被轻松理解。

如果项目文档能够轻松适应未来的设计任务，那么它们的价值就会更高。将分析和结果整合在同一个工作表中，可以使设计文档成为模板，从而促进知识向同事的轻松传递。

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在Maple工作表中创建段落摘要表可以突出显示关键信息，并且即使设计标准或元器件选择在工作表的后续部分发生变化，摘要表也能保持最新状态。Maple还支持通过分配分段函数来对通过/失败结果进行条件格式设置，以便在阅读时突出显示。Maple工作表的设计便于轻松转换为模板，并且可以根据受众需求使用段落来精简甚至隐藏计算过程。