はじめに

前回の LTspiceを使ってみよう -DC-DCコンバータの動作確認 では、降圧コンバータのLT8640を例に、スイッチングレギュレータの高速シミュレーション機能を紹介しました。

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おさらいになりますが、DC-DCコンバータの評価項目には、一般的に下記4つの項目が挙げられます。

  1. 出力リップル電圧
  2. 変換効率
  3. 電源起動時の挙動(出力オーバーシュート、突入電流有無の確認)
  4. その他(SWノードの波形、出力の過渡応答性等)


前回記事では、「1. 出力リップル電圧」と「2. 変換効率」の確認方法を紹介しました。
今回は、LTspice シミュレーション機能の中で、「3. 電源起動時の挙動」の確認方法について紹介します。

電源起動時の挙動

一般的に、電源起動時にはパラメータとして下記2点を確認する必要があります。

  • 出力電圧オーバーシュート
  • 突入電流の有無


これらは電源回路設計において標準的に行われる評価項目に含まれますが、それぞれ電源の性能を確認する上で外せないパラメータとなります。
具体的には、出力電圧のオーバーシュートは後段デバイスの誤動作や故障に繋がる可能性が有ります。
また、突入電流が大きい場合は回路内部品の定格を超えてしまう(インダクタなど)可能性があり、こちらも電源ICとして正常動作を行う事が出来るかに直結する問題になります。

上記の理由より、設計前の段階で問題が無いかを確認する必要が御座います。
それでは、各パラメータのLTspiceでの確認方法をご紹介します。

※使用デバイスと回路については、LTspiceを使ってみよう-DC-DCコンバータの動作確認 と同じです。

出力電圧オーバーシュートについて

ここで見るのは、電源起動時の出力電圧波形です。
ポイントとなるのは、1つの条件だけでなく、入力電圧については仕様内の最小~最大電圧での出力電圧波形、負荷電流についても同様に仕様内で条件を振って確認する必要があります。

観察ポイントは、オーバーシュートの有無はもちろん、リンギングやアンダーシュートの有無も同時に確認します。
もしこれらが発生していると、出力電圧が安定するまでに必要以上の時間を要するだけでなく、変動が大きい場合は後段デバイス(給電されるデバイス)の誤動作や故障に繋がります。

出力電圧波形の確認(正常動作時)

まずは正常状態の出力電圧波形を見てみましょう。

オーバーシュート部分を拡大し、ピーク電圧を確認します。
今回は定常状態も含め、500μs~700μsの範囲を拡大します。
※波形の拡大手順については、LTspiceを使ってみよう-DC-DCコンバータの動作確認 参照。

Article header library 126021 pic01  1
正常状態の出力電圧波形

大よそのピーク部にマウスをもって行くと、画面左下に5.0334Vとあります。
出力電圧(定常時)が5Vなので、ほとんどのケースで問題ありません(出力電圧に対して約0.7%の誤差)。

詳細のピーク値を求める必要がある場合は、Autorangeボタンをクリックしてください。
※Autorangeボタンについては LTspiceを使ってみよう-DC-DCコンバータの動作確認 参照。

Article header library 126021 pic02  2
正常状態の出力電圧波形 拡大

今回は正常時を例として出力電圧オーバーシュートの確認方法を紹介しましたが、異常時の場合はリンギングやオーバーシュート、アンダーシュートの最適化は、位相やゲイン余裕の調整、それとは別にソフトスタートや負荷容量の関係で調整可能です。

出力電圧波形の確認(異常動作時)

次に、異常時の場合です。

ここで言う異常時とは、例えばオーバーシュート電圧が後段デバイスの絶対最大定格外に達してしまった場合等を言います。

分かりやすい例として、LT8640において、ソフトスタートピンに接続するコンデンサの容量を変更し、シミュレーションしてみたいと思います。

【補足】
ソフトスタートピン(コンデンサ)は一般的に、起動時にユーザーが出力電圧の上昇速度を制御する為に利用されます。

Article header library 126021 pic03  1
出力電圧波形(C2変更時)

上記は、回路図中のTR/SSピンに接続されているソフトスタートコンデンサ(C2)の定数を1nF→1pFに変更し、シミュレーションを行った結果になります。

同様にオーバーシュート部を拡大すると、違いが明確にわかります。

Article header library 126021 pic04  1
オーバーシュート拡大(C2変更時)

正常時と比べ、ピーク電圧が5.449Vと大きくなっているのが分かります。
こちらは出力電圧に対して約9%の誤差なので、例えば精度5%以内を要求するCPU電源等の用途では、異常として判断され、回路を見直す必要があります。
それとは別に、今回は拡大範囲が50μs~400μs部分になっている為、電源の立ち上がりに関しては速くなっているのも確認できます。

このようにLTspiceでは、ソフトスタートコンデンサ1つで特性が大きく変わるのを、シミュレーション上で簡単に確認する事が可能です。

[おまけ1] Step解析

今回、出力電圧オーバーシュートのシミュレーションでは、回路中の定数を変更し、それぞれの結果波形を比べ、その違いを確認していました。

もし、回路内の定数変更による出力電圧結果が同一画面に表示されれば便利だと思いませんか?
LTspiceでは、Step解析という機能を用いることで、これを実現することができます。

下記にStep解析の設定方法を紹介します。

  1. Step変動させたい部品に記号を割り当てる。
    今回は、C2(ソフトスタートコンデンサ)に {X} と言う記号を割り当てます。

 

Article header library 126021 pic05  1
C2 定数変更①

   

Article header library 126021 pic06  1
C2 定数変更②
  1. 「.op」または右クリックよりコマンドを設定。
    ここでは、「Edit Text on the Schematic」に ".step param X 200p 1000p 200p" と入力します。
    ex. 200p~1000pまで200p stepで変動の意味
Article header library 126021 pic07  1
コマンド入力
  1. ①、②を共に確認できたら、Runボタンを押します。
Article header library 126021 pic08  1
設定後の回路図

結果画面にて、C2の値を5パターンで変更させた場合の出力波形が同一画面で確認できました。
C2の値が小さいほど電源の立ち上がりは速いですが、オーバーシュートは大きくなっていることが分かります。

Article header library 126021 pic09  1
Step解析

突入電流の有無について

続いて突入電流の有無についての確認です。

電源を起動すると、出力電圧の立ち上がりによる起動時ラッシュ電流が流れます。
この電流が大きすぎると、電力を供給している前段電源回路や電池からの供給電流が過電流状態となり、電圧降下が発生、最悪のケースでは供給している電源がシャットダウンしてしまうトラブルに繋がることがあります。

もちろん、回路内部品の定格を超えてしまう(インダクタなど)可能性もあり、その場合は電源ICとしての正常動作が行えなくなります。

インダクタ電流波形の確認

ここでは、インダクタ電流測定を例として説明致します。
回路は出力オーバーシュート確認時と同回路で、Step解析(C2コンデンサ)でのインダクタ電流測定結果を下記に示します。

Article header library 126021 pic10  2
インダクタ電流波形

L1上でマウスをクリックすると、インダクタ電流が表示されます。
赤枠の部分が突入電流ですが、C2=200pF時だと、一時的にですが13Aもの電流が流れていることになります。

こちらについても、C2(ソフトスタートコンデンサ)の値が小さいほど突入電流が大きくなることが分かりました。

インダクタの選定時には、この突入電流を含めて仕様上問題のないものを選定する必要があります。

[おまけ2] プロット枠の分け方

LTspiceを使ってみよう-DC-DCコンバータの動作確認 の「LT8640の回路図と入出力波形」の出力結果波形にて、入力電圧(Vin)と出力電圧(Vout)が別のグラフにプロットされていたのにお気づきでしょうか。

実際に電流、電圧波形を別の画面で見ることが出来れば、作業効率upに繋がるかと思います。
下記、手順を紹介します。

  1. プロット枠を分けるために、"Plot Settings" のプルダウンメニューから"Add Plot Pane"を選択します。
    ※この時、波形画面をアクティブウィンドウにしなければ、Plot Settingsのプルダウンメニューが出てこないので注意して下さい。
Article header library 126021 pic11  1
Add Plot Pane
  1. 波形ウィンドウの上部に新しいプロット枠が出てきます。
    新規プロット枠に、動かしたい波形のタイトルをドラッグしてもって行きます。(ここではVoutにします)
Article header library 126021 pic12  1
別プロット枠での波形観測 1
  1. Voutの波形が画面上半分、Ioutの波形が画面下半分に分かれて表示されます。
    さらに新規プロット枠を増やしたい場合は1.に戻り、同様の操作を行う事で3つ、4つと増やすことが可能です。

    また、波形を削除したい時はGUI内のハサミマーク(Cut)コマンドを選択し、削除したい波形名の上でマウスをクリックすると、波形を削除できます。プロット枠を削除したい場合も、同様にCutコマンドを選択した状態でマウスをクリックすると削除できます。
Article header library 126021 pic13  1
別プロット枠での波形観測 2

最後に

前回に引き続き、LTspiceを用いたDC-DCコンバータの特性確認について紹介させて頂きました。
今回は電源起動時にフォーカスした内容でしたが、他にも多種多様な特性確認に用いることが可能です。

今後も様々な機能についてご紹介していきますので、引き続きよろしくお願いします。

まずは下記リンクよりLTspiceをダウンロード!ぜひ、一度お試しください。

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