LED Simulation

LEDのデバイスモデリングセミナー
株式会社ビー・テクノロジー
http://www.bee-tech.com/
D1
0
D2
U1
TAH8N401K
TA = 25
1
2
3
45
6
7
8
D4D3
V1
3.6Vdc
0
R1
5.7k
1

回路解析シミュレータ
デザインキット
回路方式のテンプレート
モデル
2

スパイス・パーク http://www.spicepark.com/
3

デバイスモデル、
シミュレーションに
関する月刊小冊子
Bee Style:
4

Designer
EDA
Device
Model
Technology
of
Simulation
5

回路開発実験室と同じ環境をコンピュータ上に創る
自分が良く採用するデバイスのデバイスモデル(SPICE MODEL)を
最初から準備し、整備していく。
6

セミナーの流れ
デバイスモデリング
1.順方向パラメータ
2.容量パラメータ
3.スイッチング・パラメータ
評価シミュレーション
1.順方向特性シミュレーション
2.接合容量シミュレーション
3.スイッチング特性シミュレーション
7

デバイスモデル・パラメータとは
デバイスモデルは、パラメータで表現致します。基本素子(ダイオード、トランジスタ、MOSFET等)のパラメータであ
ったり、ビヘイビア記述で表現したりします。ビヘイビア記述とは表や関数等で振る舞いを表現致します。
Id=IS＊[exp(qVd/Nkt)-1]
RS
N
IS
.MODEL D1F60A D
+ IS=595.00E-12
+ N=1.6000
+ RS=18.700E-3
+ IKF=1.1600
+ CJO=51.100E-12
+ M=.3231
+ VJ=.525
+ BV=600
+ IBV=10.000E-6
+ TT=7.1E-6
SPICE MODEL
モデリング
8

回路解析シミュレーションの注意点
①回路が間違っていても回路解析結果を計算してしまう。
⇒回路動作について理解していなければならない。
②デフォルト(理想素子)のデバイス・モデル(SPICEモデル)を採用すれば、
理想の解析結果を計算してしまう。実際の解析結果とは波形が明らかに
違う。
⇒自分が取り扱うデバイスのデバイス・モデル(SPICEモデル)を採用する
必要がある。
⇒つまり、実際の回路を構成するデバイス(または等価的な回路)を採用すれば、
現実と整合性がとれた回路解析結果が得られる。
9

回路解析シミュレーションを効果的に活用する方法
①解析したい回路に合ったデバイス・モデルを活用する。
⇒目的に合ったデバイス・モデルを活用する。単純な解析なのか、温度を
考慮しなければいけないのか、ノイズを解析したいのか。
②テンプレート集を持つ
大規模回路や、実績の無い回路の回路解析シミュレーションを行うと、必ずと
言っていいほど、エラーが表示されてしまいます。また、エラーの原因を明確
にする事は困難を極めます。
(1)最初は小規模回路を作り実績を積む。
(2)回路を構成する素子数(デバイス数)を増やしていく。
⇒動作実績のあるサンプル回路をテンプレート集として、保有し、変更しながら
目的の回路図に近づけて行くのが効果的な方法です。
10

背景
近年、日本国内だけではなく、海外の携帯電話やPDAなどにおいても
カラー液晶パネルの搭載が進んでいます。
バッテリーでの長時間使用が求められる携帯機器でカラー液晶を搭載
する場合、低い消費電力で高輝度の発光が可能な白色発光ダイオード
(White-LED)をバックライトに採用するケースが増えております。
白色発光ダイオード(White-LED)の需要が世界的に急増しています。
11

①スイッチング昇圧型回路方式
ドライバーICのデバイスモデル
メリット:高効率が可能であり、電流のバラツキが少ない。
デメリット:EMIノイズの対策をしなければならない。
12

②チャージポンプ昇圧型回路方式
メリット:フラッシュ用途など、大電流が要求される場合に有効であり、低ノイズ化である。
デメリット:コンデンサが必要になる。
13

③非昇圧型回路方式
メリット:
①超低ノイズであり、ノイズを問題とする携帯電話で有効である。
②システム効率が高いので、バッテリーの利用効率を重視する場合に有効である。
③スペースを取らない。⇒外付け抵抗1個で回路機能を満たす。
デメリット:リチウムイオン電池1セルの場合、入力電圧、出力電流設定に制限がある。
14

発光ダイオード
発光ダイオード(Light Emitting Diode:LED)は電流を流す事で、PN接合
で少数キャリア(電子と正孔)の再結合が起こり、光を放出するダイオード
です。
また、発光ダイオードは、化合物半導体であり、代表的なものには、
InGaAIP,InGaNが採用されています。
一般的な特徴
①寿命が長い
②消費電力が低い
③発熱が小さい
15

一般的な発光ダイオードの構造例
N電極
基板
多層光反射層
Nクラッド層活性層(発光層)
Pクラッド層
電流阻止層
電流拡散層
保護膜
P電極
16

一般的な白色発光ダイオード
モールド樹脂
蛍光体層
青色LEDチップ
反射板
アノードカソード
17

フルカラーLED
青色アノード
共通カソード&反射板
緑色アノード
赤色アノード
モールド樹脂
緑色LEDチップ
赤色LEDチップ
青色LEDチップ
18

発光ダイオード
順方向特性
順方向電圧は、発光色によって、変わります。特に、白色、青色のVFは
高い特徴があります。
逆方向特性
発光ダイオードの逆耐圧は、一般的に3～6Vであり、注意が必要です。
この特徴は、一般ダイオードと大きく異なる点です。逆耐圧を大きくしよう
とすると光量が低下する原因となります。
温度特性
低温、高温において、電気的振る舞いが変化します。採用される機器
(採用される回路)の取り扱う環境(低温～高温における範囲)を十分に
考慮する必要があります。
19

白色発光ダイオード独特の特徴
駆動電圧
白色発光ダイオードは最低3.6V以上の駆動電圧を必要とします。駆動電圧
が小さいと、必要な輝度が得られません。白色発光ダイオードを複数個活用し、
点灯させる場合には、直列接続を行うのが一般的です。その場合、その個数
だけ、高い駆動電圧を必要とします。
駆動電流制御
白色発光ダイオードを点灯させるには、一般に15m～20m(A)程度必要に
なります。特に携帯電話などのバッテリー駆動時間が重要な機器においては、
この駆動電流の制御が重要になります。
温度依存性
周囲温度が50度を越える場合、デバイスの許容順方向電流が低下します。
周囲温度が高い状況下で、大電流を流し続けると、デバイスの劣化に繋がります。
20

白色発光ダイオードの特徴
①VFが高い傾向にある。
②VFは温度変化(低温領域、高温領域)によっても変化する。
③VFにバラツキがある。
④輝度を要求される状況においては、消費電流が増加する傾向にある。
⑤電源電圧(バッテリーも含む)の変動によって、輝度が変化する。
⇒これらの影響を考慮し、白色発光ダイオードの制御をする為には、
白色発光ダイオード専用のドライバーICが必要不可欠になります。
21

発光ダイオードのデバイスモデリング
Forward Current Characteristic→IS,N,RS,IKF
Measurement
Data Sheet
→Table(Vfwd,Ifwd)
Junction Capacitance Characteristic→CJO,VJ,M
Measurement
Data Sheet
→Table(Vrev,Cj)
Reverse Recovery Characteristic→TT
Measurement
→Output(trj)
OrCAD PSpice Model Editor(Diode)で抽出
STEP1
STEP2
STEP3
STEP4
フロー(流れ)
22

発光ダイオードのデバイスモデリング
ケース・スタディ
実習
PART NUMBER:OSWT5111A
MANUFACTURER:Opto Supply
Ta=25度モデル
Ta=-40度モデル
Ta=60度モデル
23

順方向特性
Measurement
Data Sheet
→Table(Vfwd,Ifwd)
Measurement
Data Sheet
→Table(Vrev,Cj)
Measurement
→Output(trj)
STEP1
STEP2
STEP3
STEP4
24

順方向特性
モデルパラメータ説明単位デフォルト
IS 飽和電流 A 1E-14
N 放射係数 1
RS 寄生抵抗 Ohm 0.001
IKF 高注入Knee電流 A 0
IS:Saturation Current
N:Emission Coefficient
RS:Series Resistance
IKF:High-injection knee Current
25

順方向特性
k:ボルツマン定数(1.38×10^-23)[J/K]
T:絶対温度[K]
IS:飽和電流[A]
q:電子の電荷量(1.6×10^-19)[C]
N:エミッション係数








−= 1kT
qV
eISI
26

順方向特性
①V>0の時
k:ボルツマン定数(1.38×10^-23)[J/K]
T:絶対温度[K]
IS:飽和電流[A]
q:電子の電荷量(1.6×10^-19)[C]








−= 1NkT
qV
eISI
27

順方向特性
②0>V>-BV(BV:ブレークダウン電圧)の時
k:ボルツマン定数(1.38×10^-23)[J/K]
T:絶対温度[K]
IS:飽和電流[A]
q:電子の電荷量(1.6×10^-19)[C]
NkT
qV
ISI •=
28

順方向特性
③Vd<-BVの時
k:ボルツマン定数(1.38×10^-23)[J/K]
T:絶対温度[K]
IS:飽和電流[A]
q:電子の電荷量(1.6×10^-19)[C]
( )






+−−=
−−
NkT
qBV
eISI NkT
VBVq
1
29

順方向特性
Parameter: IS
IS=1e-12
IS=1e-13
IS=1e-14
30

順方向特性
Parameter:N
N=3
N=4
N=5
31

順方向特性
Parameter:RS
RS=0.1
RS=5
RS=10
32

順方向特性
Parameter:IKF
IKF=0.1
IKF=1m
IKF=0.02m
33

順方向特性
Forward Current CharacteristicよりVfwd,Ifwdのテーブルを
作成する。方法は測定かData Sheetよりプロット抽出する。
【測定の場合】
摖
摖
摖
摖
摖
摖
晖摷晉摷晖摷晉摷
【データシートから読み取る場合】
データシートのIVカーブのグラフから読み取り、表に直す。
34

順方向特性
ビー・テクノロジーの場合の測定環境
Tektronix 370B Programmable Curve Tracer
(測定時の注意点)
連続して印加すると、デバイスが発熱するので注意が必要である。 35

All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc.
順方向特性
36

順方向特性
IF(A) VF(V)
0.001 2.660
0.002 2.740
0.005 2.875
0.01 3.000
0.02 3.155
0.05 3.510
0.1 4.030
カーブ・トレーサーの波形から数値を読み取り、表を作成する。
37

容量特性
Measurement
Data Sheet
→Table(Vfwd,Ifwd)
Measurement
Data Sheet
→Table(Vrev,Cj)
Measurement
→Output(trj)
STEP1
STEP2
STEP3
STEP4
38

容量特性
CJO ゼロバイアス接合容量 F 1E-012
VJ 接合ポテンシャル V 0.75
M 接合傾斜係数 0.3333
CJO:Zero-bias Junction Capacitance
VJ:Junction Potential
M:Junction Grading Coefficient
39

容量特性
C=C1+C2
C1:拡散容量(ダイオードに流れる電流の関数)
C2:空乏層容量(ダイオードに印加される電圧の関数)
FC:順方向バイアス空乏層容量式の係数
TT:トランジット時間[sec]
nkT
qV
e
NkT
qIS
TTC ••=1
40

容量特性
V<FC*VJの時
FC:順方向バイアス空乏層容量式の係数
M
VJ
V
CJOC
−






−= 12
41

容量特性
V>FC*VJの時
( )
( )












−






++−
= +M
FC
VJ
MV
MFC
CJOC 1
1
11
2
42

容量特性
CJOパラメータの概念図
Junction capacitance
Forward diode voltage Reverse diode voltage
CJO
43

容量特性
V2
0Vdc
0
V1
TD = 0
TF = 10n
PW = 10u
PER = 50u
V1 = 0
TR = 10u
V2 = 5
D1
D2OSWT5111A
デバイスモデル・パラメータの影響度合いを確認する
44

容量特性
Parameter: CJO
CJO=90p
CJO=80p
CJO=70p
45

容量特性
Parameter: M
M=0.1
M=0.3
M=0.5
46

容量特性
Parameter: VJ
VJ=3
VJ=1.5
VJ=0.75
47

容量特性
Junction Capacitance CharacteristicよりVrev,Cjのテーブルを
作成する。方法は測定かData Sheetよりプロット抽出する。
測定の場合
Agilent 4284A
1MHz C METER/C-V
牖癥橃牖癥橃
(測定時の注意点)
Vrevの最大値はVRM値とする
48

容量特性
Agilent 4284A PRECISION LCR METER
Agilent 6655A SYSTEM DC POWER SUPPLY
Agilent EXT VOLTAGE BIAS FIXTURE 49

容量特性
Vrev(V) Cj(F)
0.1 81.095p
0.2 80.790p
0.5 79.860p
1 78.575p
2 76.295p
4.5 72.090p
測定の際には、Vrevの値に注意する事。デバイスの耐圧を
超過すると、デバイスが破壊される可能性があります。
50

All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc.
スイッチング特性
Measurement
Data Sheet
→Table(Vfwd,Ifwd)
Measurement
Data Sheet
→Table(Vrev,Cj)
Measurement
→Output(trj)
STEP1
STEP2
STEP3
STEP4
51

白色発光ダイオードの逆回復時間を測定すると、解りますが、
非常に高速に応答します。一般的に10n(sec)～100n(sec)の応答
があります。
また、高温においても、一般ダイオードのような逆回復特性の大きな
変化は見られず、高温においても、白色発光ダイオードの場合、
逆回復特性の変化は、比較的、少ない傾向になっております。
【注意事項】
スパイスモデル・パラメータ(TT)を採用する場合、IFIR法の測定で求めた
trr値を採用致します。didt法による測定系のtrr値は活用する事が出来
ません。didt法によるモデル化には等価回路モデルが必要になります。
52

Ir/If=1の場合
TT=1.44*trr
trr:逆回復時間[sec]
ビー・テクノロジーの経験式
693.0
trj
TT =
53

trjとtrbの関係図
54

Tektronix TDS3054B DIGITAL PHOSHOR OSCILLOSCOPE
KENWOOD PA250-0.42A REGULATED DC POWER SUPPLY (Forward Side)
KENWOOD PA36-3A REGULATED DC POWER SUPPLY (Reverse Side)
逆回復特性試験回路(株式会社ビー・テクノロジー製)
逆回復特性試験機器は汎用測定計測機器が無い為、内製化致しました55

Data Sheetから逆回復特性の情報を読み取る
必要な情報
①trr値(sec)
②測定条件
(1)IF値(A)
(2)IR値(A)
(3)RL値(ohm)
trr値にはデバイスにより、バラツキがあるので、実測する事を
お勧め致します。
株式会社ビー・テクノロジーの社内測定基準
IF=IR=0.02(A),RL=50(ohm)
この測定基準は、白色発光ダイオードの場合です。デバイスの種類により、測定基準は変わります。
56

0
V1
TD = 0
TF = 10n
PW = 9.985u
PER = 100u
V1 = 1.71
TR = 10n
V2 = 4.15
D1
D2OSWT5111A
R1
50
デバイスモデル・パラメータの影響度合いを確認する
57

Parameter: TT
TT=10n TT=50n
TT=100n
58

IF=IR=0.02(A),RL=50(ohm)
Trj=8.8n(sec)
Trb=15.6n(sec)
59

BV,IBVの抽出方法
BV 逆方向ブレークダウン電圧 V 100
IBV ブレークダウン電圧の電流 A 0.0001
BV: Reverse Breakdown Voltage(A Positive Value)
IBV: Reverse Breakdown Current(A Positive Value)
60

Id
Vd
-BV
-IBV
視覚的な考え方(BV,IBV)
BV=|-BV|
IBV=|-IBV|
61

データシートより情報を取得する。
BV=5(V)
IBV=100.00E-6(A)
62

各種モデル・パラメータ抽出
Measurement
Data Sheet
→Table(Vfwd,Ifwd)
Measurement
Data Sheet
→Table(Vrev,Cj)
Measurement
→Output(trj)
STEP1
STEP2
STEP3
STEP4
63

PSpice Model Editorについて
PSpice Model Editorはデバイスモデリングを行う際の計算機の役割がある
64

MODE:Forward Current
Vfwd,Ifwdの値を入力する。抽出後、FIXさせる。
65

MODE:Junction Capacitance
Vrev,Cjの値を入力する。抽出後、FIXさせる。
66

MODE:Reverse Recovery
Trr,Ifwd,Irev,Rl値を入力する。また、FIXする。
67

MODE:直接入力
BV,IBVの値を直接入力する。FIXする。
68

MODE:直接入力
ISR=0を直接入力する。FIXする。
ISR: Recombination Current Saturation Value Default Value=1E-10 69

最適化が上手くいかない場合(自動計算が最適解ではない場合)
Minimum,Maximumの値を変更し、計算結果の適応範囲を広くする。
⇒注意事項：実際のデバイスとパラメータ値との乖離を招く恐れもある。
70

模範解答
*$
* PART NUMBER: OSWT5111A
* MANUFACTURER: Optosupply
* White Light, VR=5V, Io=20mA, Ta=25C
* All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2004
.MODEL D2OSWT5111A D
+ IS=99.708E-15
+ N=4.4448
+ RS=8.5001
+ CJO=81.411E-12
+ M=.16707
+ VJ=4.2051
+ ISR=0
+ BV=5
+ IBV=100.00E-6
+ TT=16.400E-9
*$
71

サーマル・デバイスモデリング
ISの温度特性
N
XTI
VtN
EG
Tnom
T
Tnom
T
eISTIS 





••=






•






−1
)(
IKFの温度特性
( ){ }TnomTTIKFIKFTIKF −•+•= 1)(
Tnom: 設定常温値であり、TNOMオプションで設定致します
72

BVの温度特性
( ) ( ){ }2
211)( TnomTTBVTnomTTBVBVTBV −•+−•+•=
RSの温度特性
( ) ( ){ }2
211)( TnomTTRSTnomTTRSRSTRS −•+−•+•=
73

VJの温度特性
)()(ln3)( TEg
Tnom
T
TnomEg
Tnom
T
Vt
Tnom
T
VJTVJ +•−





••





−•=
( )





−
•−=
1108
2
000702.016.1)(
T
T
TEg
Eg(T): シリコンのバンドギャップ・エネルギー
Vt: 熱起電力






•=
q
T
kVt
74

CJOの温度特性
( ) 

















−+−••+•=
VJ
TVJ
TnomTMCJOTCJO
)(
10004.01)(
75

XTI⇒温度パラメータの算出方法
TNOM(300K)におけるIS,Nを算出する
異なる温度TEMPにおけるISを算出する
数式よりXTIを抽出する
76

XTI⇒温度パラメータの算出方法
















•
•=












−
•
•
Tnom
TEMP
eTnomIS
TEMPIS
TnomNXTI
Tnom
TEMP
TEMPk
TnomEGq
log
)(
)(
log
)(
1
)(
経験上、XTIにおける温度依存性は再現性があまり無く
実用的では無い。
⇒それぞれの温度における測定データより、抽出する方が
実用的である。
77

Forward Current Characteristics
OSWT5111A (5mm White LED)
78

Ta Ta Ta Ta Ta Ta
-40(°C) -20(°C) 0(°C) 25(°C) 40(°C) 60(°C)
1 2.915 2.825 2.735 2.66 2.56 2.47
2 3.045 2.94 2.84 2.74 2.62 2.575
5 3.17 3.06 2.95 2.875 2.775 2.7
10 3.275 3.185 3.08 3 2.88 2.84
20 3.43 3.345 3.255 3.155 3.07 3.03
50 3.77 3.685 3.59 3.51 3.435 3.495
93.1 4.14 4.09 4 3.95 3.875 4.005
100 4.215 4.155 4.09 4.03 3.955
IF (mA) VF (V)
79

Ta=60℃
80

Ta=-40℃
81

Junction Capacitance Characteristics
82

Junction Capacitance Characteristics
Ta Ta Ta Ta Ta Ta
-40(°C) -20(°C) 0(°C) 25(°C) 40(°C) 60(°C)
0 76.35 79.5 81.23 81.42 81.8 81.9
0.1 75.9 79.2 80.9 81.095 81.5 81.59
0.2 75.5 78.9 80.6 80.79 81.2 81.21
0.5 74.65 78.2 79.63 79.86 80.25 80.32
1 73.4 77 78.32 78.575 78.96 79
2 71.43 74.9 76.15 76.295 76.7 76.72
4.5 67.65 70.9 71.97 72.09 72.439 72.45
Vr (V) Cj (pF)
83

Reverse Recovery Characteristic
84

85

86

Ta (°C) Trj (ns) Trb (ns) Trr (ns)
-40 6.8 13.6 20.4
-20 7.2 14 21.2
0 7.6 14.4 22
25 8.8 15.6 24.4
40 8.8 16 24.6
60 8.8 16.4 25
87

Ta=60℃
88

Ta=40℃
89

Ta=25℃
90

Ta=0℃
91

Ta=-20℃
92

Ta=-40℃
93

発光ダイオードの評価解析シミュレーション
デバイスの評価検証は非常に重要です。デバイスモデル
がどの位の解析精度で再現されているかを%Errorで確認
する必要があります。
また、外部から得られたデバイスモデル(SPICE MODEL)
についても検証を行い、バック・データとして、保有する事を
お勧め致します。
94

順方向特性シミュレーション
D1
D2OSWT5111A
V1
0Vdc
0
R1
0.01m
95

順方向特性シミュレーション
96

容量特性シミュレーション
D1
D2OSWT5111A
V1
TD = 0
TF = 10n
PW = 10u
PER = 50u
V1 = 0
TR = 10u
V2 = 5
0
V2
0Vdc
97

容量特性シミュレーション
98

スイッチング特性シミュレーション
V1
TD = 0
TF = 10n
PW = 9.985u
PER = 50u
V1 = 1.71
TR = 10n
V2 = 4.15
R1
50
0
D1
D2OSWT5111A
99

スイッチング特性シミュレーション
100

お問合わせ先)
info@bee-tech.com
Bee Technologies Group
【本社】
株式会社ビー・テクノロジー
〒105-0012 東京都港区芝大門二丁目2番7号 7セントラルビル4階
代表電話: 03-5401-3851
設立日:2002年9月10日
資本金:8,830万円 (資本準備金:1,500万円)
【子会社】
Bee Technologies Corporation (アメリカ)
Siam Bee Technologies Co.,Ltd. (タイランド)
デバイスモデリング
スパイス・パーク(デバイスモデル・ライブラリー)
デザインキット
デバイスモデリング教材
101

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