LTspiceを活用したFCC電源回路シミュレーション

電源回路シミュレーション
FCC(Forward Coupling Converter)
1Copyright (C) Siam Bee Technologies 2016
2016 年 2 月 20 日
ビー・テクノロジー

売上売上
利益利益
累積コスト・投資累積コスト・投資
Break Even Time
( 損益分岐点到達時間 )
Time to Market
( 商品開発時間 )
Break Even After Release
( 販売開始後損益分岐点到達時間 )
Time to Market の短縮が売上、利益の増大と投資、コストの削減に直結す
る
開発開始販売開始
具体的な施策としてシミュレーション技術の導入がある
→ １回でも試作回数を削減させるのが目的である
具体的な施策としてシミュレーション技術の導入がある
→ １回でも試作回数を削減させるのが目的である
2
Copyright (C) Siam Bee Technologies 2016

回路解析シミュレータの用途は、多様化しています。
(1) 研究開発
　　①次世代半導体のデバイスモデリング及びアプリケーション開発
　　②システム開発及び回路開発の回路動作現象
(2) 回路設計
　　①アプリケーション開発
　　②トポロジーの開発及び選定
　　③回路設計及び回路動作検証
　　④損失計算
　　⑤ノイズ検証
　　⑥熱解析
(3) クレーム解析
　　①故障解析
　　②オープン・ショート
　　③想定外使用
　　④サージ解析
回路解析シミュレータの用途の多様化

回路シミュレーションのポイント
【ポイント 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であ
る。
　■有償 SPICE でも無償 SPICE でも採用する SPICE モデルで解析精度が決定
される。
　■ 1 個でも変な動作をするスパイスモデルがあると NG
シミュレーションの用途に応じた SPICE モデルを採用する。
　■波形動作確認であれば、簡易 SPICE モデルでも問題ない。
　■損失計算を行う場合、過渡現象において再現性のある SPICE モデルを採用
する。
　■温度シミュレーションをしたい場合には、温度対応 SPICE モデルを採用す
る。
　■ノイズシミュレーションをしたい場合には、ノイズ対応 SPICE モデルを採
用する。
回路シミュレーションをする回路は正確に入力する。 4Copyright (C) Siam Bee Technologies 2016

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

回路設計のワークフロー
仕様
回路方式選択
( トポロジーの選定 )
詳細回路設計
回路図作成
材料表作成
基板設計
回路設計
ビー・テクノロジー製品及びサービス
コンセプトキット製品
デザインキット製品
シンプルモデル
デバイスモデリング教材
スパイス・パーク
デバイスモデリング
サービス
カスタムデザインキット
サービス
ビー・テクノロジー製品及びサービス

シミュレーション上の課題について
第一
の壁
第二
の壁
第三
の壁
第一の壁： SPICE の習得
第二の壁： SPICE モデルの入手
第三の壁：シミュレーション技
術

シミュレーション解析時間
10 ％90 ％
実際のシミュレーション
解析時間
実際の解析時間は 10 ％程度です。 90 ％の時間を SPICE モデル
の入手に費やしています。
SPICE モデルの入手に費やしています。
● サプライヤ企業から入手する
● スパイス・パークからダウンロードする
● デバイスモデリングサービスを活用する
● 自分で SPICE モデルを作成する

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。

ダイオードの SPCIE モデルを作成する場合の事例
( ダイオードの SPICE モデルは 3 種類ある )
デバイスモデリング
の難易度
高い
低い
電流減少率モデル
⇒ 等価回路で -didt を再現している
IFIR 法モデル
⇒ 等価回路で Trr(trj +trb) を再現している
パラメータモデル
⇒ パラメータだけで作成できる簡易型モデル

① 再現性問題
　　実機波形とシミュレーション波形が合わない
【解決方法】
○ 目的に合った SPICE モデルを採用する
○ 目に見えない寄生素子も考慮し、回路図に反映させる
【ご提供するサービス】
○SPICE モデルをご提供する「デバイスモデリングサービス」
○ シミュレーションデータをご提供する「デザインキットサービス」
② 解析時間問題
　　早くシミュレーション結果を知りたいのにシミュレーションに多くの時間を有する
【解決方法】
○ 目的に合った SPICE モデルを採用する
○ タイムスケール機能を採用する
○SPICE モデルをご提供する「デバイスモデリングサービス」
○ シミュレーションデータをご提供する「デザインキットサービス」
③ 収束エラー問題
　　最後までシミュレーションが実行出来ず、途中で計算が止まってしまう。
【解決方法】
○SPICE の .OPTIONS のパラメータを最適化する。
○ スナバ回路等を挿入して急変する過渡応答性、過渡現象を緩和する。
○ 回路動作に影響しないように微小抵抗を適宜挿入する。
○ 収束エラー解決サービス

プログラム：
1.FCC 回路方式の概要
2.FCC 回路方式のシミュレーションのポ
イント
3-7 は実習です
3. 回路図エディタで回路図入力
4. スパイスモデルを登録する
5. 過渡解析
6. 寄生素子の影響
7. ノイズのシミュレーション

R1 が ON した時に D1 が ON して負荷に電流を流します。
R1 が OFF した時にチョークコイルに溜まったエネルギーを D2 を通過し負荷に供給します

Tr1 が ON の場合
ON
ON

Tr1 が OFF の場合
OFF
ON

回路モデルの考え方
2.FCC 回路方式のシミュレーションのポイント
等価的に回路モデルを考える

回路モデルの考え方
トランス 2 次側入力波形をパルス電源で表現する
整流側ダイオードとフライホイル側ダイオードを忠実に再現する
チョークコイルを等価的に考える
コンデンサの等価回路を考える
配線長の影響を考慮する

トランス 2 次側入力波形
トランス 2 次側入力波形をパルス電源
に置き換えます。
実際の回路基板があれば、オシロスコープでトランス 2 次側入力波形を
確認し、その波形をパルス電源に置き換えます。

V1: 初期電圧
V2: パルス電圧
TD: 遅延値
TR: 立ち上がり時間
TF: 立ち下がり時間
PW: パルス幅
PER: 周期値
トランス 2 次側入力波形

整流側ダイオードとフライホイル側ダイオード
ここでのポイントは、逆回復特性の表現です。通常のダイオード・モデルパラメータでは
正確に逆回復特性を表現する事が出来ません。ここでは、プロフェッショナル・モデルを
採用致します。
Simulation Measurement
プロフェッショナルモデルとは、逆回復特性 (trj,trb) を忠実に再現した等価回路モデルです。

逆回復特性である trr は trj
と trb に分割して考えます
。

【参考】ダイオードモデルの弱点について
ダイオードのパラメータである TT は、逆回復特性の trr(trj+trb) の trj の部分しか
表現出来ません。この弱点を克服する為には、 trj+trb を表現する等価回路を作成
する必要があります。
+
等価回路モデル
Trj のみ表現可能である

チョークコイル
チョークコイルは等価的に考えます。本格的にシミュレーションする場合は、
周波数を考慮した等価回路モデルが必要になります。ここでは、特に回路
に影響する要因を考え、等価モデルを作成します。
C4 を追加する事で、回路による影響要因を
加える事が出来ます。

【参考】インダクタの等価回路の考え方
10
-3
10
0
10
3
10
6
10
9
(Hz)
Impedance vs. Frequency
Inductor model
R1L1
L1
R1
R1L1
C1
L1
10
-3
10
0
10
3
10
6
10
9
(Hz)
Inductor model
R1L1 R1L1
L1
R1
L1
R1
R1L1
C1
R1L1
C1
L1L1

コンデンサ
コンデンサの内部には ESR と ESL が存在します。回路動作に ESR 及び
ESL が影響する場合は、回路図上に無くても、回路解析シミュレーション
をする場合は、具体的な値を入れなくてはいけません。 ESR 値及び ESL 値
をサプライヤー企業にお問合わせするか。プレシジョン・インピーダンス・
アナライザで計測を行う必要があります。

【参考】コンデンサの等価回路の考え方
Capacitor model
10
-3
10
0
10
3
10
6
10
9
(Hz)
Capacitor model
10
-3
10
0
10
3
10
6
10
9
(Hz)
コンデンサの種類により、 ESR 値及び ESL 値には傾向があります。
その特性も考慮しなければなりません。

配線長
配線長の影響が回路動作に与える場合、配線長のインダクタンス値は
回路図にはありませんが、配線長のインダクタンス成分を負荷しなければ
なりません。この回路の場合、特に影響度合いが強い箇所に配線長の値
を入れております。 L5 のインダクタンスは配線長です。

収束問題について
回路解析シミュレーションにおいて、収束問題に直面します。回避方法は、
回路図を工夫するか。もしくは .OPTION で回避するかの 2 通りがあります。
実際には .OPTION で回避します。 .OPTION で回避出来ない場合は、
回路図上に問題があると考えた方がいいです。
.OPTION
RELTOL=0.01
VNTOL=1m
ABSTOL=1n
GMIN=1E-10
ITL1=500
ITL2=200
ITL4=40
事例
FCC LTspice Version can simulate without .OPTION Settings

FCC(Forward Coupling Converter)
Output Voltage=5(V),Output Current=0.5(A)
3-7. 実習

3-7. 実習

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