JP2005121595A - 回路シミュレーション装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定回路装置の動作と回路シミュレーションとの相互の比較検証が容易にでき、被測定回路装置の動作に問題点があればそれを速やかに確認することを可能にする。
【解決手段】実測した波形に基づいて生成した波形信号を出力する波形生成器１と、この波形生成器からの波形信号を入力し、その波形信号に対応した波形信号を電源ユニットなどの被測定回路装置３に与えるとともに被測定回路装置の出力に負荷インピーダンスを与える回路試験装置２と、回路シミュレーションを行うシミュレータ５と、波形生成器からの波形信号に基づいてシーケンスデータを生成しシミュレータに与える機能と、被測定回路装置の動作結果及びシミュレータから回路シミュレーション結果を入力し、それぞれの結果に基づく波形信号を同時表示のために出力する機能とを有するコンピュータ４と、このコンピュータからの各波形信号を同時に表示するディスプレイ６とからなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、実際の回路装置を動作させたときの波形信号と回路シミュレーションした結果の波形信号を比較表示する回路シミュレーション装置に関する。

従来、回路シミュレーション装置としては、ワークステーションにシミュレーション用ソフトウエアをインストールし、回路図を記述し、これをもとにシミュレーションを実行するようになっている。また、電源回路を設計する電源設計装置において、シミュレーションをシステム化したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平６−２３１１９７号公報

しかしながら、従来の回路シミュレーション装置は、あくまでも回路シミュレーションを実行し、その結果を表示等で出力するものであり、実際の回路装置の動作との違いを比較検証することができなかった。すなわち、回路シミュレーションは実際の回路装置とは全く関係のない独立したソフトウエアであり、実際の回路装置を評価しているときに、予想に反した挙動があったとき、その挙動が回路の原理的に発生するものなのか、あるいは設計組立のミスで本来の動作と異なっているのか従来の回路シミュレーション装置では見分けるのが困難であった。

本発明は、被測定回路装置の動作と回路シミュレーションとの相互の比較検証が迅速、かつ容易にでき、被測定回路装置の動作に問題点があればそれを速やかに確認することができる回路シミュレーション装置を提供する。

本発明は、実測した波形に基づいて生成した波形信号を出力する波形生成器と、この波形生成器からの波形信号を入力し、その波形信号に対応した波形信号を高周波スイッチング電源などの被測定回路装置に入力として与えるとともに被測定回路装置の出力に負荷インピーダンスを与える回路試験装置と、シーケンスデータに基づいて回路シミュレーションを行うシミュレータと、波形生成器から波形信号を取込み、この波形信号に基づいてコマンド列からなるシーケンスデータを生成しシミュレータに与える機能と、被測定回路装置の動作結果及びシミュレータによる回路シミュレーション結果を入力し、その両結果に基づく波形信号を同時表示のために出力する機能とを有するコンピュータと、このコンピュータからの各波形信号を同時に表示するディスプレイなどの表示手段とを備えた回路シミュレーション装置にある。

ところで、実際の回路装置を動作する場合、装置特有の寄生的作用効果、例えば、基板パターンに起因するインダクタンス成分やキャパシタ成分の発生がある。もし、回路装置の動作がこれらの影響を強く受けたならば、シミュレーション波形との食い違いが生じる。従って、両方の波形を比較することによってこれらの影響がどれほどか一目瞭然となる。

本発明によれば、同一の入力条件で実機である被測定回路装置を動作させるとともに回路シミュレーションを行い、被測定回路装置の動作を示す波形信号と回路シミュレーション結果の波形信号を同時に表示することで、被測定回路装置の動作と回路シミュレーションとの相互の比較検証が迅速、かつ容易にでき、被測定回路装置の動作に問題点があればそれを速やかに確認することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は回路シミュレーション装置全体の構成を示すブロック図で、１は実測した波形信号に基づいて生成した波形信号を出力する波形生成器、２は前記波形生成器１からの波形信号を入力し、その波形信号に対応した波形信号を被測定回路装置３に入力として与えるとともに前記被測定回路装置３の出力に負荷インピーダンスを与える回路試験装置、４はコンピュータ、５はこのコンピュータ４からシーケンスデータを取り込み、このシーケンスデータに基づいて回路シミュレーションを行うシミュレータ、６は前記コンピュータ４から波形信号を入力し表示する表示手段としてのＣＲＴディスプレイである。

前記波形生成器１は、前記被測定回路装置３に印加する電圧の元となる信号を生成するもので、例えば、正弦波を５０Ｈｚの周波数で出力すればこれが商用電源の信号に類似となる。このようにＳＩＮ、ＣＯＳなどの三角関数的な信号を出力することができる。また、外部から得たサンプリングデータを出力することもできる。この場合のサンプリングデータは、例えば、デジタルオシロスコープでノイズの乗った商用電源の波形を採取し、これをフレキシブルディスクなどの記録媒体を経由して取込むか、ＬＡＮなどのネットワークを経由して取込む。この場合のサンプリングデータは１サイクル分あればよい。前記波形生成器１は、取込んだ１サイクルのサンプリングデータを基にデジタルオシロスコープで採取した波形と同様の商用電源の波形を再現するように生成する。

前記波形生成器１のＯＵＴ端子から出力される波形信号を前記回路試験装置２のシグナル入力端子に入力するとともに前記コンピュータ４のＡ／Ｄ変換機能付き第１の入力端子ＡＤ１に入力している。なお、波形生成器１から出力される波形信号がデジタルデータであればコンピュータ４に直接入力できる。

前記回路試験装置２は、被測定回路装置３の出力端子ＯＵＴに所定の負荷インピーダンスを与えた状態でその被測定回路装置３の入力端子ＩＮに電圧を印加し、被測定回路装置３の動作状態を測定するようになっている。このときの被測定回路装置３の入力端子ＩＮに印加する電圧は前記波形生成器１から出力される波形信号を基に作られている。被測定回路装置３の出力端子ＯＵＴに与える負荷インピーダンスとしては、被測定回路装置３が電源回路などの電力伝達回路であればその電力に見合った低インピーダンスでなければならない。これは大電流を流しても電圧降下が起きないようにしなければならないことを示している。前記回路試験装置２が被測定回路装置３に与える負荷インピーダンスとしては、例えば、抵抗素子である。また、負荷の状態を様々に替えて試験するときには電子負荷がよい。ここでは被測定回路装置３として、高周波スイッチング電源からなる電源ユニットを使用した場合について述べる。

前記被測定回路装置３に対する入出力の電流、電圧は前記コンピュータ４のＡ／Ｄ変換機能付き第２の入力端子ＡＤ２に入力している。
前記コンピュータ４は、図２に示すように、制御部本体を構成するＣＰＵ（中央処理ユニット）４１、このＣＰＵ４１が各部を制御するためのプログラムデータを格納したＲＯＭ（リード・オンリー・メモリ）４２、データ処理に使用する各種メモリを備えたＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）４３、後述するシミュレータ用シーケンスファイルなど大容量のファイル等を格納するハードディスク装置４４、マウスと接続し、このマウスと信号のやり取りを行うマウスインターフェース４５、キーボードと接続し、このキーボードと信号のやり取りを行うキーボードインターフェース４６を備えている。

また、前記コンピュータ４は、図２に示すように、前記ＣＲＴディスプレイ６と接続し、このＣＲＴディスプレイ６に表示データを出力して表示を行わせるディスプレイインターフェース４７、前記シミュレータ５と接続し、このシミュレータ５とデータの送受信を行うシミュレータインターフェース４８、前記Ａ／Ｄ変換機能付き第１の入力端子ＡＤ１に入力したアナログ信号をデジタル変換して出力する第１のＡ／Ｄ変換入力部４９、前記Ａ／Ｄ変換機能付き第２の入力端子ＡＤ２に入力したアナログ信号をデジタル変換して出力する第２のＡ／Ｄ変換入力部５０によって構成されている。

前記ＣＰＵ４１、ＲＯＭ４２、ＲＡＭ４３、ハードディスク装置４４、各インターフェース４５，４６，４７，４８及び各Ａ／Ｄ変換入力部４９，５０はバスライン５１を介して互いに電気的に接続している。

前記コンピュータ４は、図３に示すように、Ｓ１にて、第１の入力端子ＡＤ１から入力する入力電圧実測波形を、例えば、商用電源周波数の５サイクル程度をサンプリングしハードディスク装置４４にファイリングする。そして、Ｓ２にて、このサンプリングデータを基にシーケンスデータを生成する。シーケンスデータは、前記シミュレータ５が理解可能な電圧制御コマンドの羅列である。

次に、Ｓ３にて、ファイルに回路接続情報や素子パラメータ情報やシーケンスデータなどを追記してシミュレーション用シーケンスファイルをハードディスク装置４４に生成する。ここで、回路接続情報は、被測定回路装置３の電源回路と等価なシミュレーション回路の回路接続情報である。この回路接続情報は、例えばＣ１と名前が付与されたコンデンサを、ノード３及びノード４に接続するなど、回路素子の名前と、これをどのノードに接続するかを表わす情報である。素子パラメータ情報は、例えばコンデンサＣ１は１０μＦであるなど、回路素子接続情報で記述された回路素子の具体的な回路特性を表わす数値情報である。

こうしてシミュレーション用シーケンスファイルを生成すると、Ｓ４にて、前記シミュレータ５にシミュレーションを実施させる。すなわち、前記シミュレータ５はコンピュータ４のシミュレーション用シーケンスファイルからシミュレーション実施のための情報を取得しシミュレーションを実施する。

一方、前記回路試験装置２は被測定回路装置３である電源ユニットを動作させており、前記コンピュータ４は、Ｓ５にて、第２の入力端子ＡＤ２に入力している電源ユニットの動作波形をサンプリングする。この場合も商用電源周波数の５サイクル程度をサンプリングする。そして、Ｓ６にて、前記シミュレータ５でシミュレーションを実施して得た結果の波形信号と電源ユニットの動作波形をサンプリングして得た波形信号をディスプレイインターフェース４７からＣＲＴディスプレイ６に出力し、両波形信号に基づく波形を比較表示させる。

前記Ｓ２のシーケンスデータの生成をさらに詳細に述べると、図４に示すように、Ｓ１１にて、ファイリングしたサンプリングデータを読み込み、Ｓ１２にて、このサンプリングデータの中からサンプリング周期に関する項目を取得する。なお、サンプリング周波数でもよい。そして、Ｓ１３にて、サンプリングデータを取得し、Ｓ１４にて、商用周期を切り出し、微調整する。これは、全サンプリングデータをメモリ空間上に取得し、このデータが周期的に繰り返しているものであればこの中から１周期分だけ代表して切り出す。ここでは商用電源電圧のサンプリングデータになっているので、５０Ｈｚの１周期分だけ切り出す。そして、切り出したデータにバイアス成分や始点と終点でずれがあるなど、このデータを繰り返して利用する場合に支障が生じる場合には微調整を行って適宜補正を行う。

続いて、Ｓ１５にて、スイッチング周期毎に平均化し、Ｓ１６にて、シーケンスデータとしてハードディスク装置４４に保存する。ところで、オシロスコープで商用電源電圧をサンプリングした場合のサンプリングデータのサンプリングレートはオシロスコープに依存している。シミュレーションを早く実行したい場合は高周波的に動作している部分と低周波的に動作している部分とを分けてシミュレートする。

すなわち、高周波動作は回路動作の基本周期内で大きく変動する要素であり、これに対し低周波動作は回路動作の基本周期内ではほとんど変化せず直流と見なして事実上差し支えない要素である。例えば、被測定回路装置３が、高周波スイッチング電源からなる電源ユニットで、この電源ユニットを構成するコンバータのスイッチング周波数がこの回路動作の基本周波数である。例えば、回路動作の基本周波数が２００ｋＨｚであれば、商用電源波形は５０Ｈｚの低周波であり、高周波の２００ｋＨｚの１周期に対する５０Ｈｚの要素は直流と見なしてもシミュレーション結果に事実上影響を与えない。

従って、ここではスイッチング周期単位で印加すべき商用電源電圧を平均化し、その平均値を直流電源として印加するというコマンドを設定する。そして、スイッチング周期単位でデータが揃ったら、これをシミュレータが解釈できるコマンド列としてシーケンスファイルに追記し、この追記したシーケンスファイルをハードディスク装置４４に保存する。

前記Ｓ３のシミュレーション用シーケンスファイルの生成をさらに詳細に述べると、図５に示すように、Ｓ２１にて、回線接続情報をコマンド形式で新規のファイルに追記する。別の方法として、予め回路接続情報と素子パラメータが設定されている様々な回路モジュールを格納している回路モジュールライブラリを用意し、この回路モジュールライブラリの中からシミュレーション回路を構成する回路モジュールを選択して利用しても良い。この場合は、利用する回路モジュールの回路接続情報と素子パラメータをコンピュータ４に読み出すためのコマンドをファイルに記載する。

続いて、Ｓ２２にて、素子パラメータ情報をコマンド形式で前記ファイルに追記する。一般に回路情報には素子のパラメータ情報も含まれている。これは、例えばコンデンサＣ１は１０μＦであるなど、素子の具体的な数値情報である。また、例えばライブラリを利用した場合、そこに定義されているデフォルトの素子パラメータを使用する場合はそのまま使用し、替えたい場合はその部分だけ素子パラメータの変更コマンドを使用する。

続いて、Ｓ２３にて、シミュレーション制御情報を前記ファイルに追記する。シミュレーション制御情報とは、例えば、電圧の初期値を何ボルトにするとか、とれだけの区間をシミュレーションするという範囲指定とか、どの点の波形を出力するかを決めるプローブ位置指定などの定義コマンドである。

続いて、Ｓ２４にて、シーケンスデータを前記ファイルに追記する。これは、Ｓ２で生成したシーケンスデータ（コマンド列）を挿入することで追記する。こうしてシミュレーションに必要な全てのコマンドの記載が終了すると、最後に、Ｓ２５にて、名前を付けてファイルをハードディスク装置４４に保存する。

前記シミュレータ５は、図６に示す流れ図に基づいてシミュレーション処理を行う。すなわち、Ｓ３１にて、コンピュータ４からシミュレーション用シーケンスファイルを読み込み、Ｓ３２にて、回路接続情報を認識し、Ｓ３３にて、素子パラメータを認識し、Ｓ３４にて、シミュレーション制御情報を認識する。すなわち、シミュレーション用シーケンスファイルを読み込み、この中に記載されているコマンド列のうち、回路接続情報に関するもの、素子パラメータの変更に関するもの、シミュレーション制御情報に関するもの、シーケンスデータを次々と読み込んで認識する。
そして、Ｓ３５にて、認識した情報に基づいてシミュレーションを実施し、Ｓ３６にて、シミュレーションした結果の波形データをファイルとしてコンピュータ４に出力する。

更に、コマンドを組み合わせることで低周波動作を直流電源と見なしてシミュレーションに取込むことが可能になる。図７は低周波動作を直流電源と見なして取込むコマンド列のうち、直流化に必要な部分のみ示している。例えば、１００Ｖの商用周波数の電圧印加であるとするならば、シミュレーション回路にＤＣ電圧素子を等価的に置く。このために、このＤＣ電圧素子に関する回路接続情報をシーケンスファイルに追記する。

Ｓ４１にて、このＤＣ電圧素子に対して素子パラメータ変更コマンドを使って１００．０１Ｖにセットする。そして、Ｓ４２にて、スイッチング周期の１サイクルだけ実行して一時停止する。次に、Ｓ４３にて、ＤＣ電圧素子に対して素子パラメータ変更コマンドを使って１００．０２Ｖにセットする。そして、Ｓ４４にて、スイッチング周期の１サイクルだけ実行して一時停止する。
シミュレータ５がこれらのコマンドを逐次実行し、回路上はＤＣ素子にもかかわらず、あたかも商用電源電圧が交流で印加されたような結果が得られる。

図８は図３のＳ５及びＳ６の処理を詳細に示すもので、Ｓ５のサンプリングはＳ５１及びＳ５２の処理に相当し、Ｓ６の比較表示はＳ５３〜Ｓ５７の処理に相当する。すなわち、Ｓ５１にて、第２の入力端子ＡＤ２から電源ユニットの動作波形を取込み、デジタルなアクチュアルデータに変換し、Ｓ５２にて、このアクチュアルデータをサンプリングする。こうして電源ユニットの動作波形をサンプリングする。

続いて、Ｓ５３にて、商用周期でサンプリングしたアクチュアルデータを切り出し、波形グラフィックを生成する。すなわち、サンプリングしたアクチュアルデータは連続動作しているため、適当な部分で商用周波数の周期単位で切り出す。そして、Ｓ５４にて、切り出した波形グラフィックをＣＲＴディスプレイ６に出力し、表示させる。

また、Ｓ５５にて、シミュレータ５からのシミュレーション出力ファイルをオープンし、Ｓ５６にて、ファイルのデータを基に波形グラフィックを生成する。そして、Ｓ５７にて、生成した波形グラフィックをＣＲＴディスプレイ６に出力し、表示させる。

このような構成においては、波形生成器１は例えばオシロスコープで採取した商用電源の波形を記録媒体やネットワークによって取込み、商用電源の波形を再現する。そして、波形生成器１からの波形信号を回路試験装置２とコンピュータ４に供給する。回路試験装置２は被測定回路装置３である電源ユニットを、その出力に負荷インピーダンスを与えつつ入力した波形信号をもとに入力電圧を与えて動作させる。

一方、コンピュータ４は波形信号をＡ／Ｄ変換機能付き第１の入力端子ＡＤ１から入力してデジタルデータに変換し、これをサンプリングして取り込む。そして、この取込んだサンプリングデータを基に電圧制御コマンドの羅列であるシーケンスデータを生成する。そして、ファイルに回路接続情報や素子パラメータ情報やシーケンスデータなどを追記してシミュレーション用シーケンスファイルを生成する。

シミュレーション用シーケンスファイルの生成が完了すると、シミュレータ５はこのファイルからシミュレーション実施のための情報を取得しシミュレーションを実施する。そして、実施した結果をコンピュータ４に出力する。

コンピュータ４は、電源ユニットの実際の動作波形をＡ／Ｄ変換機能付き第２の入力端子ＡＤ２から入力し、デジタルなアクチュアルデータに変換した後サンプリングする。そして、商用周期でこのサンプリングしたアクチュアルデータを切り出し、波形グラフィックを生成する。一方、シミュレータ５からシミュレーションを実施した結果を取込み、波形グラフィックを生成する。そして、この２つの波形グラフィックをＣＲＴディスプレイ６に出力して比較表示させる。

これによりＣＲＴディスプレイ６には、全く同じ入力条件で電源ユニットを実際に動作した場合の波形とシミュレーションした場合の波形が表示されることになり、オペレータは利用者の波形を目視により比較できる。従って、違いがあればその違いを迅速にかつ容易に確認することができる。そして、確認した違いから原因等も比較的容易に把握することが可能になる。
このことは、製品設計の期間を短縮できることに繋がり、設計コストの低減になる。また、製品の信頼性を向上することもできる。

また、電源ユニットを実際に動作させた場合には、基板パターンに起因するインダクタンス成分やキャパシタンス成分の発生などの寄生的作用効果が生じる。これに対し、シミュレーションは理想的な回路構成の基に実施される。従って、寄生的作用効果が大きく影響する場合は、シミュレーションした結果と実際に回路動作した結果とに大きな違いが生じる虞がある。

この点、この実施の形態においては全く同じ入力条件で動作させるので、波形の違いから寄生的作用効果の影響を確実に把握し、シミュレーション用シーケンスファイルを生成する場合に、その寄生的作用効果の影響を考慮してデータを作成することが可能になる。このことは、回路シミュレーションにおけるモデリング精度を高めることができる。すなわち、より実際の回路動作に近い回路シミュレーションを実施することができるようになる。

これにより、正弦波などの算術的な関数だけでなく、市場で問題を起こしたような劣悪な環境での商用電源波形を実測し、これをもとにシミュレーション及び実機での動作確認が行え、現実的な使用状況に応じた評価が可能になる。従って、市場に製品が出てからのトラブルが少なくなり、高品質化を実現できる。

また、高周波スイッチング電源などの電源ユニットについての回路シミュレーションを実施するに当たって、低周波動作部分に関しては直流と見なしてシミュレーションを実施するので、全て高周波動作と同じと見なしてシミュレーションする場合に比べて短時間で結果を得ることができる。従って、実機での測定結果と並行してシミュレーション結果も略リアルタイムで波形表示が可能になる。これにより、測定検証時間の短縮を図ることができ、設計検証に要するコストを低減することができる。

また、通常の回路シミュレーションはオペレータがコンピュータとやり取りをしながら実行することを前提としており、時間や手間がかかるという問題があるが、この実施の形態の場合は、シミュレーション用シーケンスファイルを生成するまでは入力操作を行うが、その後はすべて自動的にシミュレーションが実施されるので、最小限の人的インターフェースでシミュレーションを行うことができる。従って、シミュレーション操作に習熟した人でなくても容易に扱うことが可能になり、実機の測定結果とシミュレーション結果との比較評価が容易に、かつ短時間でできるようになる。

なお、この実施の形態では、表示手段としてＣＲＴディスプレイを使用したがこれに限定するものではなく、液晶ディスプレイであっても、また、Ｘ−Ｙプロッタ、あるいはプリンタなどであってもよく、要は波形を表示できるものであれば良い。

本発明の実施の形態に係る回路シミュレーション装置全体の構成を示すブロック図。 同実施の形態におけるコンピュータの構成を示すブロック図。 同実施の形態におけるコンピュータによる要部処理を示す流れ図。 図３のシーケンスデータ生成処理を詳細に示す流れ図。 図３のシミュレーション用シーケンスファイル生成処理を詳細に示す流れ図。 同実施の形態におけるシミュレータのシミュレーション処理を示す流れ図。 同実施の形態においてシミュレータが低周波動作を直流電源と見なしてシミュレーションを実施するときのコマンドの一部を示す流れ図。 図３における電源ユニットの動作波形のサンプリング及び比較表示処理を詳細に示す流れ図。

符号の説明

１…波形生成器、２…回路試験装置、３…被測定回路装置、４…コンピュータ、５…シミュレータ、６…ＣＲＴディスプレイ。

Claims (4)

1. 実測した波形に基づいて生成した波形信号を出力する波形生成器と、この波形生成器からの波形信号を入力し、その波形信号に対応した波形信号を被測定回路装置に入力として与えるとともに前記被測定回路装置の出力に負荷インピーダンスを与える回路試験装置と、シーケンスデータに基づいて回路シミュレーションを行うシミュレータと、前記波形生成器から波形信号を取込み、この波形信号に基づいてコマンド列からなるシーケンスデータを生成し前記シミュレータに与える機能と、前記被測定回路装置の動作結果及び前記シミュレータによる回路シミュレーション結果を入力し、その両結果に基づく波形信号を表示のために出力する機能とを有するコンピュータと、このコンピュータからの各波形信号を表示する表示手段とを備えたことを特徴とする回路シミュレーション装置。
2. 被測定回路装置として、高周波スイッチング電源を使用し、
   コンピュータは、シーケンスデータの生成時において波形生成器から取込んだ波形信号を前記スイッチング電源のスイッチング周期単位で平均化した電圧に変換し、シミュレータがスイッチング周期毎にこの平均化した電圧を直流電圧として認識するためにコマンド列化したことを特徴する請求項１記載の回路シミュレーション装置。
3. コンピュータは、生成したシーケンスデータをファイルとして保存し、
   シミュレータは、コンピュータのファイルからシーケンスデータを読込み、このシーケンスデータのコマンド列を順に実行して回路シミュレーションを行うことを特徴する請求項１又は２記載の回路シミュレーション装置。
4. シミュレータは、回路動作を高周波部と低周波部とに分け、低周波動作を行う部分に関しては、基本高周波の周期単位で直流動作と見なして回路シミュレーションを行うことを特徴する請求項２又は３記載の回路シミュレーション装置。

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