PSpiceアプリケーションセミナー（06DEC2012)

PSpiceアプリケーションセミナー
1.回路解析シミュレータを活用するための環境
1-1. スパイスモデルについて
1-2. シンプルモデルについて
1-3. 用途に応じたスパイスモデルについて
1-4. スパイスモデルの入手方法について
1-4-1. スパイス・パーク
1-4-2. デバイスモデリングサービス
2.回路方式をテンプレート化する
2-1. コンセプトキット
2-2. デザインキット
2-3. デザインキットの配信サービスについ
3.てセンサーのデバイスモデリング
3-1. 酸素センサーのデバイスモデリング
3-2. フォトインタラプタのデバイスモデリング
3-3. フォトインタラプタのアプリケーション回路シミュレーション

株式会社ビー・テクノロジー
http://www.beetech.info
2012年12月6日
堀米毅
Copyright (C) Bee Technologies Inc.2012 1


回路製品の完成までのプロセス

仕様決定
[回路設計]
概念設計(コンセプトデザイン)⇒回路方式の選定
(例：DC-DCコンバータの場合25回路方式から選定)
詳細設計(部品選定及び回路図決定)
⇒回路設計の分野で「回路解析シミュレータ」が採用されている
回路設計で仕様を満足できる電子部品の選定(500万品種)
★回路動作 ★損失計算 ★ノイズ評価 ★熱的評価 ★安全評価
[基板設計]
基板レイアウト設計
⇒PCBデザインの分野で「基板設計ツール」が採用されている
[試作]
仕様を満足しているかどうかを実機にて確認
[量産]
歩留まり、品質、原価計算

【回路設計・開発分野】
試作前に回路動作を検証し、試作回数を削減したい。
省エネ設計(エコ設計)をしたいので、損失計算をしたい。
【トラブル対応及び原因不明クレーム対応】
誤動作や異常波形の原因を解明し、再発防止に役立てたい。
【代替品対応】
代替品によって今までの性能がでるかどうか早く判断したい。
代替品選定の時間を最小限にしたい。
【パワーエレクトロニクス分野】
大電流・大電圧を扱うため、回路実験を可能な限りなくしたい。
【研究開発分野】
アイディア段階の回路動作、デバイス動作を検証したい。
【半導体及び電子部品販売分野:サプライヤ企業】
(第1段階)自社の半導体及び電子部品のスパイスモデルを整備し、
お客様にご提供し販促の機会を増やしたい。
(第2段階)自社の半導体及び電子部品のアプリケーション回路のシミュレーション
データをお客様にご提供し、回路提案をしたい。
【大学・教育機関】
電子部品のスパイスモデルを活用したデバイス学習
回路方式の学習(測定機器が無くてもシミュレーションで学習できる)

PSpice
電子機器業界 LTspice
社会インフラ MicroCap
自動車業界 Multi Sim
半導体業界 EDA ツール ICAP
ヘルスケア Smart SPICE
・・・・・・・・・・ HSPICE
・・・・・・・

シミュレーション技術は、
等価回路技術と回路図上に回路設計者
見えない素子をいかに、盛り込むか？様々な電子部品のスパイスモデル
をいかに作成するか？

シミュレーション
技術スパイスモデル

民間企業の課題
必要な電子部品のスパイスモデルの入手及び整備

【スパイスモデル】
回路解析シミュレーションを行う場合には、EDAツールが必要です。

その次に、自分が回路設計を行う際に採用したいスパイスモデルを準備
しなくてはなりません。スパイスモデルとは、電子部品の電気的振る舞いを
SPICE言語にて表現したプログラムです。

回路を構成する、材料表(BOM)ベースでの電子部品のスパイスモデル
を入手する必要があります。

回路解析シミュレーションの解析精度は、デバイスモデルの精度に起因
する為、デバイスモデルを先ず、整備する必要があります。

半導体部品の場合、モデルの解析精度:%Error 5%以内
受動部品の場合、モデルの解析精度:%Error 10%以内


1-1.スパイスモデルについて

スパイスモデルのデータだけではなく、そのスパイスモデルのバックグランド
のデータ(評価検証データ)が必要になります。

採用するスパイスモデルがどの程度の解析精度なのかを事前に知る必要
があります。

実際の電子部品の電気的特性とどのくらいの整合性・再現性をもっているか
を把握しなければりません。

バックグランドのデータ
スパイスモデル＋
【デバイスモデリングレポート】

スパイスモデルは、SPICE記述評価シミュレーションをする事で
で書かれたネットリストであり、人間が理解できる電気的特性図
機械可読のデータにて参照する⇒人間可読



入手したモデルは
パラメータ・モデル

モデルの解析精度
はシミュレーションの
解析精度の起因する
為、モデルの検証が
必要になる。このモデル
の検証に時間を有する


SiC Schottky Diode Reverse Characteristic(逆特性)

Bee Technologies model
Cree’s model

SiC:シリコンカーバイド



スパイスモデルの種別について

大きく分類すると、2つに区分出来ます。

①パラメータ・モデル
⇒スパイスモデル記述をパラメータのみで、表現します。単体のダイオード、
ショットキ・バリア・ダイオードMOSFET、トランジスタ、Junction FET、
a-Si TFT、poly-Si TFTなどのデバイスがモデルパラメータで表現されています。

但し、上記デバイスの場合でも、特定の電気的特性を持たせる為に、パラメータ・モデルをメインとして、周辺に、
等価回路を組み込み、ビヘイビアモデルとして、表現する場合もあります。

②ビヘイビア・モデル=等価回路モデル=マクロモデル
⇒デバイスの電気的表現を、ビヘイビア素子などを活用し、等価回路で
電子部品を表現しているモデルです。上記以外(大部分)のスパイスモデル
は、ビヘイビア・モデルで表現されています。


1-2.シンプルモデルについて
製品価格(円) PSpice版
DCDCコンバータモデル 15,750 ご提供開始
DCACインバータモデル 15,750 ご提供開始
DCAC3相インバータモデル 15,750 ご提供開始
DC電源モデル 15,750 ご提供開始
ヒューズモデル 31,500 ご提供開始
トランスモデル 84,000 N/A
リチウムイオン電池モデル 84,000 ご提供開始
ニッケル水素電池モデル 84,000 ご提供開始
鉛蓄電池モデル 84,000 ご提供開始
3相ACモーターモデル[New] 52,500 ご提供開始
DCモーターモデル[New] 52,500 ご提供開始

ユーザーが定義できるパラメータモデル。
あったら便利なアプリ的なスパイスモデル
であり、汎用性があります。詳細は、
http://ow.ly/5sw4N をご参照下さい。

1-2.シンプルモデルについて


1-3.用途に応じたスパイスモデルについて
【ダイオードモデルについて】
パラメータ・モデルビヘイビア・モデル=等価回路モデル
＝スタンダード・モデル＝プロフェッショナル・モデル
*$
* PART NUMBER: 1SR139-400
*$ * MANUFACTURER: ROHM
* PART NUMBER: 1SR139-400 * VRM=400,Io=1.0A=IFSM=40A
* MANUFACTURER: ROHM * All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2004
.SUBCKT D1SR139-400 A K
* VRM=400,Io=1.0A=IFSM=40A
R_R2 5 6 3500
* All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2004 R_R1 3 4 1
.MODEL 1SR139-400 D C_C1 5 6 100p
+ IS=11.797E-12 E_E1 5 K 3 4 1
S_S1 6 K 4 K _S1
+ N=1.3533
RS_S1 4 K 1G
+ RS=52.928E-3 .MODEL _S1 VSWITCH Roff=50MEG Ron=1m Voff=90mV Von=100mV
+ IKF=.20632 G_G1 K A VALUE { V(3,4)-V(5,6) }
+ ISR=0 D_D1 2 K D1SR139-400
D_D2 4 K D1SR139-400
+ CJO=22.539E-12
F_F1 K 3 VF_F1 1
+ M=.36819 VF_F1 A 2 0V
+ VJ=.46505 .MODEL D1SR139-400 D
+ BV=400 + IS=11.801E-12
+ N=1.3533
+ IBV=10.000E-6
+ RS=52.928E-3
+ TT=7.6751E-6 + IKF=.20632
.ENDS + ISR=0
*$ + CJO=22.539E-12
+ M=.36819
+ VJ=.46505
+ BV=400
COMPONENTS: + IBV=10.000E-6
+ TT=3.8551E-6
DIODE/ GENERAL PURPOSE RECTIFIER .ENDS
PART NUMBER: 1SR139-400 *$

MANUFACTURER: ROHM


1-3.用途に応じたスパイスモデルについて

【ダイオードモデルについて】
パラメータ・モデルビヘイビア・モデル=等価回路モデル
＝スタンダード・モデル＝プロフェッショナル・モデル

Measurement Measurement


1-4. スパイスモデルの入手方法について

(1)回路解析シミュレーションの解析精度=スパイスモデルの解析精度
1個でも変な動作をするスパイスモデルがあるとNG
(2)用途に応じたスパイスモデルを入手
(3)シミュレーションをする回路は正確に

【まとめ】
回路解析シミュレータを効率よく活用する方法

(1)自分が良く使用する電子部品のスパイスモデルは準備しておく
<スパイスモデルの評価も必要不可欠>
【スパイスモデルの入手方法】
(a)電子部品メーカーから入手する
(b)スパイス・パーク(http://wwwspicepark.info)からダウンロードする
(c)自分でスパイスモデルを作成する

(2)頻度の高い回路方式はテンプレートとしてファイルで持っておく


1-4-1. スパイス・パーク

購入し
やすい

便利
検証
データ

http://www.spicepark.com
約4,000モデル

ダイオード、SBD、トランジスタ、パワーMOSFET、IGBTのスパイスモデルの価格を
大幅値下げ

1-4-2. デバイスモデリングサービス

ビー・テクノロジーの製品のラインナップをご参照下さい。


2-1. コンセプトキット
2-2.デザインキット

デザインキット分野
コンセプトキット
FCC回路電源回路
ユニポーラステッピングモータ制御回路 RCC回路電源回路

バイポーラステッピングモータ制御回路低損失リニアレギュレータ電源回路

高精度リニアレギュレータ電源回路
アベレージモデルの降圧コンバータ D級アンプアンプ回路

過渡解析モデルの降圧コンバータ擬似共振電源回路電源回路

マイクロコントローラ電源回路
アベレージモデルの昇圧コンバータ
ステッピングモータドライブ回路モーター制御回路
過渡解析モデルの昇圧コンバータ PWM ICによる電源回路電源回路

3相ACモーターインバータ回路バッテリー回路(リチウムイオン電池) バッテリーアプリケーション回路

バッテリー回路(ニッケル水素電池) バッテリーアプリケーション回路

バッテリー回路(鉛蓄電池) バッテリーアプリケーション回路

DCDCコンバータ電源回路

DCモータ制御回路モーター制御回路

PFC電源回路電源回路


2-3.デザインキット
デザインキット(日本語、英語版)
電源回路、コンバータ、インバータのデザインのテンプレートをご提供する
25回路方式
解説書
スタンダード版(1,000円+Tax)
プロフェッショナル版(10,000円+Tax)

回路解析シミュレータ
PSpice
LTspice +
Kindle Version
OR

PDF Version

2-3.デザインキット(電子書籍+回路解析シミュレータ)

ご提供予定の回路方式
降圧チョッパ ZETA 電流モード
昇圧チョッパ絶縁CUK 力率改善
昇降圧チョッパ電圧共振マルチフェーズ
フォワード電流共振電流型
フライバック共振三相フルブリッジインバータ
フルブリッジ E級共振
ハーフブリッジ複共振
プッシュプルアクティブクランプ
CUK 位相シフト
SEPIC 同期整流

3-1 酸素センサーのデバイスモデリング
Minus Plus
COMPONENTS: O2 Sensor
PART NUMBER: KE-12
MANUFACTURER: GS YUASA
REMARK: Fixed Input O2 Parameter Model Rop
1G

E2

+
-
+
E

-
IC = 0
{tr/(2.3026*1E6)}
C1
N3

R1
1MEG
N2

OUT-
OUT+
E1
EVALUE
0+0.14*V(%IN+, %IN-)

IN-
IN+
N1
0

1
OUT

0

1 IN
VO2
{O2_Percent}

0


3-1 酸素センサーのデバイスモデリング


3-2 フォトインタラプタのデバイスモデリング
d
U1
*$ CNZ1023
* PART NUMBER: CNZ1023 2 3
* MANUFACTURER: PANASONIC
* VCEO=30V, IF=50mA
1 4
* All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2012
.SUBCKT CNZ1023 1 2 3 4 5
Q_Q1 3 N2 4 QCNZ1023
V_VF N1 2 0Vdc
G_G1 4 N2 VALUE { I(V_VF)*V(N3) }
E_E1 N3 0 TABLE { V(5, 0) }
+ ( (2.184,1) (2.368,0.967) (2.631,0.02) (2.736,0) )
R_Rdmy N3 0 1G
C_C3 3 N2 70p
C_Ciso2 2 4 0.228p
C_Ciso1 1 3 0.205p
D_D1 1 N1 DCNZ1023
C_C2 3 4 16.9n
C_C1 N2 4 50n
.MODEL QCNZ1023 NPN
+ IS=1e-014 BF=149.85 VAF=30 IKF=0.00098536
(省略)
+ TF=4.3e-006 XTF=10 VTF=10 ITF=1 TR=1e-008
.MODEL DCNZ1023 D
+ IS=1.1569e-012 N=1.9605 RS=3.1133
(省略)
.ENDS CNZ1023
*$


LED IV Curve Characteristics Reverse Recovery Characteristics

Capacitance Characteristics


CTR (Current Transfer Ratio) Characteristics (VCE=5V) Turn-on Time Characteristics (RL=100Ω)

Output Voltage Characteristics Turn-off Time Characteristics (RL=100Ω)


3-3 フォトインタラプタのアプリケーション回路シミュレーション

U1
CNZ1023

5mm

Symbol Distance: d

tOFF tr tON tf tOFF

IC=0% IC=100% IC=0%
Distance
5mm

0mm
Time
191us 382us 191us

Vpulse


【Dタイプのフリップフロップを用いた方向検出】

VCC 5V 5V

VCC
5V
V3
5V
INPUT d1 R11
300

0 0 U7

V4 VCC Q3:Green E1L5-Y C1A_PRO

GREEN
d1
0 U1 R5 5V
CNZ1023 4.7k U3A
GREEN
A1 1 2 A R12
R7 U5A R9 300
R1 7414

HI
50 1 2 Q3
out1 Q1 Q2SC1815
7414 2k
Q2SC1815 D1
0 470 C1 DEFR5365S

1
R3 0.1uF 7474
1k 0

CLR
3 6 Qbar
CLK Q
VCC 0
Q4:Red
2 5 Q RED

PRE
D Q
R4
U2 1k U4A

4
R2 C2
CNZ1023
out2 Q2SC1815 0.1uF RED
Q2 U6B R10
U8B

HI
470 3 4 Q4
B1 3 4 B Q2SC1815
7414 2k
7414
R8 R6
50 d2 4.7k 0

V5
0

VCC
0

INPUT d2



Select Typical

Check
Change “X: to be “0”

Change “1” to be “2”



Green LED turned on Green LED turned off
/ Red LED turned off / Red LED turned on
INPUT d1 OFF

INPUT d1 ON

INPUT d2 OFF

INPUT d2 ON Input: CNZ1023

Output

Red LED ON

Green LED ON



VCC 5V 5V

VCC
5V
V3
5V
INPUT d1 R11
300

0 0 U7

V4 VCC Q3:Green E1L5-Y C1A_PRO

A
GREEN
d1
0 U1
CNZ1023
R5
4.7k U3A
Qbar 5V

GREEN
A1 1 2 A R12
R7 U5A R9 300
R1 7414

HI
50 1 2 Q3
out1 Q1 Q2SC1815
7414 2k
Q2SC1815 D1
0 470 C1 DEFR5365S

1
R3 0.1uF 7474
1k 0

CLR
3 6 Qbar
CLK Q
VCC 0
Q4:Red
2 5 Q RED

PRE
D Q
R4
U2 1k U4A

4
R2 C2
CNZ1023
out2 Q2SC1815 0.1uF RED
Q2 U6B R10
U8B

HI
470 3 4 Q4
B1 3 4 B Q2SC1815
7414 2k
7414

Q
R8 R6

B
50 d2 4.7k 0

V5
0

VCC
0

INPUT d2



5 to 0 edge 5 to 0 edge

Input: CNZ1023

Node A,B

D flip-flop Output D flip-flop

Output


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