FCC電源回路シミュレーション

LTspiceを活用したFCC電源回路シミュレーション
FCC(Forward Coupling Converter)
1Copyright (C) Marutsuelec 2016
2016年2月20日
マルツエレック株式会社

売上
利益
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
2
Copyright (C) Marutsuelec 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
【ポイント2】
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。
【ポイント3】
回路シミュレーションをする回路は正確に入力する。
■回路シミュレーションをする場合、回路知識が必要です。
■回路解析結果の正誤を判断する必要があります。

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

Designer
EDA
Device
Model
Technology
of
Simulation

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

TR1がONした時にD1がONして負荷に電流を流します。
TR1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
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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