パワーエレクトロニクス技術者の必須知識

SPICEシミュレーション
パワーエレクトロニクスSPICE モデルを
利用する際のノイズ再現の重要性について

Presented by MoDeCH

パワーエレクトロニクスにおける
ノイズ対策の現状

パワーエレクトロニクス製品の高い電力効率を得るためには高速なスイッチングが必須となり、
最近のパワーデバイス技術の進化が、高電圧下での大電流高速スイッチングを可能にしました。
しかし高速な信号変化は大きなノイズの発生源にもなります。
そこで、電力効率を上げつつ、ノイズ対策をするには、相反する現象を確実にコントロールする必要があります。
その解決策として、回路シミュレーションを活用して、
設計の初期段階でノイズ対策を行う開発手法が近年注目されています。

  • 法的な要請
  • 技術的な要請

通信技術の発達に伴い、様々な機器が出すノイズが通信障害を起こすEMC(電磁両立性)の問題も大きくなってきました。そのため、国際機関のISOとIECのCISPR(国際無線障害特別委員会)は、機器のノイズ量(EMI:電磁干渉)とノイズ耐性(EMS:電磁感受性)に関する試験方法と規制を作成し、各国はこれを批准して製品がこの試験に合格しなければ販売停止とする厳密なルールを設け、通信障害を事前に防ぐ施策を取っています。この規制も技術の発達と使用環境に応じて改訂され、1GHzの規制が6GHzに拡張されたり、民生機器(CISPR22)に比べ車載機器(CISPR25)ではノイズレベルを1/10以下に制限するなど厳しさが増してきています。
こためメーカーは、後工程でEMC対策を実施する従来の手法から、シミュレーションを活用してノイズ対策も合わせて初期段階で設計する手法を取らざるを得なくなってきています。

  • 高速、高精度、高効率な
    システム実現
  • EMC/EMI等ノイズの
    抑制
  • 過電圧、過電流からの
    保護

ノイズのシミュレーションで直面する課題
モーデックなら解決できます!

高精度モデルを提供します

ノイズシミューレーションに対応した高精度のモデルを回路設計者が入手することは、現状では非常に困難です。

モーデックは、デバイスの特性測定や解析を含めた系統的なモデリング手法を持っています。これによりトランジェント波形の再現まで含めた高精度モデルの作成が可能です。

基板レベルのシミュレーションを
サポートします

ノイズ対策には、基板そのものモデリング、パワーデバイス周辺のパッシブ部品、ICを含めたシミュレーションが必須です。

モーデックは、パワーデバイスのモデルだけでなく、基板、パッシブ部品、IC、ハーネス等、ノイズ対策の為のシミュレーション環境の構築を、トータルでサポートします。

設計初期段階における
ノイズシミュレーションの重要性

開発初期 開発後期
ノイズ対策の自由度と効果 設計の自由度が高く、対策効果が期待できる。 設計変更に限界があり、実施できる対策が限られ、効果が限定される。
ノイズ対策コスト 対策コストが安価。 対策コストが割高。

設計初期段階におけるノイズシミュレーションの重要性 図

ノイズの種類や発生パターン例

リンギングノイズ

スイッチングノードにおいて、トランジスタのON/OFF等の急激な変化で発生するスイッチングノイズのひとつです。電流変化が寄生インダンクタンスに起電力を生じさせることで発生する場合や、信号の反射によって引き起こされる場合があります。

電源ノイズ

ドライバがスイッチングする際に発生するノイズは、信号経路の解析だけでは推測することができません。具体的には、信号経路から電源、グラウンド配線周辺への回り込みやインダクタンス成分を解析し、電位変動(グラウンド・バウンス)を見積もる必要があります。

リップルノイズ

スイッチング電源の出力電圧に含まれるノイズです。スッチングノイズのひとつで、平滑コンデンサで平滑しきれなかったものを主に指します。

なぜノイズが再現できないのか?

パワーデバイスのモデルにおいて、大電力を制御する際に発生するノイズをはじめとする各種ノイズの再現には、高精度のモデルが必要です。デバイスメーカーが提供するフリーモデルは、基本特性の再現に留まることが多く、特にパワーデバイスのノイズ再現に要求されるような高機能な特性を再現できません。ノイズの再現には、高精度モデルでしかカバーできない機能があることを認識する事が重要です。

MoDeCHによる解決方法とは?

モーデックは、半導体デバイスのモデル開発から、ディスクリートやIC、IBISに至るあらゆるシミュレーションモデルの開発実績があります。
このモデリング技術によって、パッケージモデルや基板モデルにも対応し、一般のデバイスメーカーのフリーモデルでは再現できない機能を付加した高精度モデルにより、ノイズ再現の精度アップを実現することができます。

事例紹介

国内大手自動車メーカーA社 EMCシミュレーション事例

A社ではEMCシミュレーションで高周波ノイズを再現する際、スイッチング素子のモデルでtr/tf特性を出来るだけ再現したいというニーズがあった。そこでデータシートの数値からA社自身でにモデルを自作したが期待したシミュレーション結果が得られなかった。そのため改めてモーデックにモデル製作を依頼。
モーデックは、測定を含めたモデリングを実施し、実測値とほぼ一致した高周波ノイズをシミュレーションで再現する事ができた。

MoDeCHのご紹介

  • SPICEモデルのエキスパート

    約20年に亘るSPICEモデル開発の実績があります。モデルをご提供した企業は延べ1000社以上!

  • 独自のモデル開発技術

    自社開発の数値化ソフトRODEMや、自動モデリングツールXシリーズ等、ノウハウを結集したモデリングツールで、迅速、高品質のモデル提供が可能です。

  • モデルライブラリサービス

    モデルライブラリサービスModel On!は、モーデックの独自モデルに加え、デバイスメーカーのフリーモデルも同時検索可能です。7万超のモデルをサブスクリプション契約と個別購入で利用できます。

  • 特性測定 ノウハウ

    自社保有の測定機器、測定エンジニアで、特性から測定してモデルを作成することが可能です。

  • 多数のEDAパートナー

    グローバルレベルで多数のEDAベンダー、部品ベンダーとの企業パートナーシップを締結しており、多種多様なシミュレータモデルに対応可能です。

モーデックは、
製造業のデジタル変革に
必須となる
デジタルツインを
追求する企業です。

デジタルツインとは、物理空間にある現実の機器や設備の稼働状況、環境情報などをリアルタイムで収集する一方、仮想空間上に機器や設備を構築し、これらのデジタル情報(モデル)を用いてシミュレーションを実施することで、設計の改善や環境に応じた動作指示、故障予測などを可能にするソリューションです。
当社は、このデジタルツインのコアである「シミュレーション」に必須である「モデル」について、SPICEモデルに限らず、IBIS、VHDL-AMS、Simulinkなどデジタル変革に必要となる様々なモデルを全世界のユーザーに提供できる、日本で唯一のグローバルカンパニーです。

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