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前回の LTspiceを使ってみよう-トラブルが多い電源の立ち上がりをLTspiceで確認 では、レギュレーターの立ち上がり時の出力にオーバーシュートや大きな突入電流の有無についての確認方法を紹介しました。DC/DCコンバーターの評価項目には、次の4つの項目が挙げられます。
- 出力リップル電圧
- 変換効率
- 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）
- その他（スイッチノードの波形、出力の過渡応答性等）
今回は、LTspice を使用した「4. その他（スイッチノードの波形、出力の過渡応答性）」の確認方法について紹介します。
もしLTspiceを今から始められる方でしたら、以下の一覧から「基本編」を見ることをお勧めします。
また、基本的な回路の書き方から実行方法までを動画で見たいという方がいましたら、個人情報入力不要のオンデマンドセミナーがありますので、ご興味がありましたらぜひご覧ください。セミナーの詳細資料に関してもアンケートご記入の方に提供しています。
スイッチ（SW）ノードの波形について
SWピンの波形確認は、レギュレーターが正常動作しているか確認するための、非常に重要なチェック項目となります。
前回記事でも例として使用した、LT8640を用いた回路にて確認していきます。
仕様は、入力電圧 Vin=12V, 出力電圧 Vout=5V, 負荷電流 Iout=1A, スイッチング周波数 fsw=2MHzとします。
SWノードの波形確認
それでは、以下の手順でシミュレーションと波形確認をおこなっていきます。
1. 回路図のSWノード（赤枠部）をクリックすると、SWノードの波形確認ができます。
2. 波形確認ができたら、次は1周期の時間について確認します。
スイッチングレギュレーターの1周期は、スイッチング周波数の逆数で求められます。
スイッチング周波数は、2MHz設定なので1周期は500nsです。
LTspiceで確認する場合は、測定したい箇所をマウスホールドすると左下に測定値が表示されます。
左下の値を確認すると、測定値は499.24nsとなり、約500nsで正常動作といえます。
Duty Cycleについて
スイッチング周波数（周期）が設定通りになっているか確認すること以外に、Duty Cycle（デューティーサイクル）の確認も重要です。
スイッチングレギュレーターは、スイッチ素子（パワーFET）をON/OFFして所望の出力を得ています。このスイッチングの1周期におけるON/OFF時間の比率をDuty cycleと言います。 入出力の電圧仕様から、次の計算式で降圧型レギュレーターのDuty Cycleについて計算できます。
Duty Cycle [%] = Vout / Vin
今回の仕様 である入力電圧 Vin=12V, 出力電圧 Vout=5Vにおいて、Duty cycleを計算すると約41.6%（=5V / 12V）となります。
LTspiceのシミュレーション波形から、計算結果と同じDuty Cycleとなっているか確認します。
Duty Cycleの確認
3. 次はON時間の確認です。こちらも1周期（T）のON時間（Ton）をマウスホールドすることで同様に確認します。
左下の測定値を確認すると、ON時間は211.07nsであることがわかります。
Duty cycle[%]は (Ton / T) ×100 で求めることが可能です。
(211.07ns / 499.24ns) ×100 = 42.3[%]
入出力電圧比から求めた41.6%とほぼ同等なので、正常動作であると判断できます。
このように、SWノードの波形を確認しDuty Cycleを算出ことが可能です。
Duty Cycle以外に、「minimum on time」や「minimum off time」という規定があります。これらを確認するために、SWノードの波形確認は電源の評価項目として非常に重要です。
入力電圧を変動させた場合のSW波形の確認
出力電圧を5V固定とし、入力電圧が8Vと24Vの2つの条件とし、それぞれのSW波形を確認します。
上記結果より、入力電圧Vinが小さくなるとON時間は長くなり、Vinが大きくなるとON時間は短くなることがわかりました。
これについては、Duty Cycleの計算式がVout / Vin であることからご理解いただけると思います。
他にも出力Voutの設定を変更するなど、他の条件を変えながらシミュレーションをおこなってみると、電源の色々な動作について学んでいただけると思います。
出力過渡応答性について
出力過渡応答性とは、急激な負荷変動に対するレギュレーターの出力電圧の応答特性のことを指します。
つまり、レギュレーターの電圧が負荷によって降下または上昇した時に、設定値に戻るまでの時間や波形のことです。
レギュレーターの電圧変動が大きいと、後段回路に影響を与えますし（例えばFPGAコア電源等は高精度が要求されます）、設定値に戻るまでの時間が遅ければ、システム全体にも影響を及ぼしかねません。
過渡応答性の確認は、電源評価の中でも非常に重要なスペックになってきます。
ここでは、LTspiceを用いて確認する方法を紹介します。
出力過渡応答性の確認
SWノードの波形確認の際と同様に、ここでもLT8640を用いた回路で説明します。
仕様は、Vin=12V, Vout=5V, fsw=2MHzとします。
出力過渡応答の確認時、負荷は抵抗器でも電流源でもシミュレーションが可能です。
電流負荷のパルス機能を用いた方がシミュレーションが簡単なので、ここでは電流源を用いた方法を紹介します。
それでは、下記手順でシミュレーションをおこなっていきます。
1. Rloadを電流源に変更します。画面上部のツールバーより"component"を選択。
2. Select Component Symbol が表示される。 "load2"と入力。
OKボタンで負荷のあった位置に挿入します。
3. 電流源の上で右クリックします。Current Source - I1 が表示されるので、"Advanced"を選択します。
Independent Current Source - I1 が表示されるので、PULSEを選択し、I1[A]-Ton[s] 項目に下記の値を入力してください。
4. 最後にシミュレーションの実行時間を変更します。
上記で設定したパルス電流は1.5msで現れるので、「.tran 1m startup」のままではパルス電流が現れる前にシミュレーションが終了してしまいます。
変更方法は、「.tran 1m startup」のコマンド上で右クリック、Edit Simulation Command上でStop timeを"2.5m"に変更します。
※ここで、m（ミリ）を忘れずに入れるようにしてください。
5. 上記手順がすべて完了したら、Runボタンを押しシミュレーションを実行します。
シミュレーション終了後、OUT端子と電流源を左クリックします。
２つの波形を確認できたら、過渡応答部分をズームし、Autorangeをクリックします。
※Autorangeボタンについては、過去記事を参照ください。
Autorangeで拡大後、最大, 最小値を読み取り、p-p値を算出します。
アプリケーションやシステムによって精度の要求は異なるかと思います。 マウスホールド操作やカーソル追加（attached cursors）を使い、正確な値を確認してみてください。
出力過渡応答特性は、一般的に位相補償回路や出力コンデンサーに依存します。それらの定数によって結果が異なることのに注意が必要で、十分検討してからレギュレーターの回路を決定することをお勧めします。
本記事で紹介したようにシミュレーションで簡単に確認することができるので、回路条件を変更しながら、システム毎に最適な出力過渡応答性を得ることが重要です。
最後に
過去2回分の記事と合わせて、DC/DCコンバーターの評価項目について4つ紹介しました。
降圧コンバーターのLT8640を例に、各機能を紹介させて頂きました。 これらは、昇圧や昇降圧のレギュレーターにも応用できます。
また、ツールバー（GUIボタン）やコマンド操作については、その他アンプやフィルター回路などでも同様に使えます。
色々な回路のシミュレーションに応用して使ってみてください。
また、初心者向けのLTspiceセミナーも定期的に実施しています。LTspiceの基本操作を習得できますので、ご参加をお待ちしています。
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