リファレンス回路 6155

SIMPLISを使用してMAX17504EVKITAをシミュレートする



回路図 EE-Sim回路図 拡大表示+

はじめに

高電圧、高効率、同期整流ステップダウンDC-DCコンバータのMAX17504は、3.3V出力の評価キット(MAX17504EVKITA)または5V出力の評価キット(MAX17504EVKITB)のいずれかを使用して評価することができます。もう1つの評価のオプションとして、MAXIM_EESIM_MAX17504EVKITA.wxsch回路ファイルを使用し、SIMPLIS/SIMetrixシミュレーションエンジンを使って3.3V出力EVキットの回路をシミュレートする方法があります。このシミュレーションエンジンは、マキシムのEE-Sim DesignToolSuiteから無料でダウンロードすることができます。市販バージョンは、SIMPLIS Technologiesから入手可能です。

デザインの回路図は、SIMPLIS/SIMetrixツール内で変更可能であることに注意してください。MAX17504EVKITBの部品に合わせて部品の値を変更し、負荷を適切に調整することによって、以下の方法を使ってそのEVキットをシミュレートすることも可能です。

図1は、EE-Simの回路図MAXIM_EESIM_MAX17504EVKITA.wxschの画像です。これはスイッチング電源(SMPS)回路のため、同じくEE-Simに含まれているSIMetrix Spiceシミュレータではなく、SIMPLISシミュレータを使用します。

最初にファイルを開いた時点で、回路はJU2でPFMモード動作に設定されています。動作モードの詳細については、EVキットのドキュメントおよびMAX17504のデータシートを参照してください。

はじめに

高電圧、高効率、同期整流ステップダウンDC-DCコンバータのMAX17504は、3.3V出力の評価キット(MAX17504EVKITA)または5V出力の評価キット(MAX17504EVKITB)のいずれかを使用して評価することができます。もう1つの評価のオプションとして、MAXIM_EESIM_MAX17504EVKITA.wxsch回路ファイルを使用し、SIMPLIS/SIMetrixシミュレーションエンジンを使って3.3V出力EVキットの回路をシミュレートする方法があります。このシミュレーションエンジンは、マキシムのEE-Sim DesignToolSuiteから無料でダウンロードすることができます。市販バージョンは、SIMPLIS Technologiesから入手可能です。

デザインの回路図は、SIMPLIS/SIMetrixツール内で変更可能であることに注意してください。MAX17504EVKITBの部品に合わせて部品の値を変更し、負荷を適切に調整することによって、以下の方法を使ってそのEVキットをシミュレートすることも可能です。

図1は、EE-Simの回路図MAXIM_EESIM_MAX17504EVKITA.wxschの画像です。これはスイッチング電源(SMPS)回路のため、同じくEE-Simに含まれているSIMetrix Spiceシミュレータではなく、SIMPLISシミュレータを使用します。

図1. EE-Simの回路図図1. EE-Simの回路図

最初にファイルを開いた時点で、回路はJU2でPFMモード動作に設定されています。動作モードの詳細については、EVキットのドキュメントおよびMAX17504のデータシートを参照してください。

負荷のセットアップ

LOAD1は、回路に動的な負荷を与えて各種のシミュレーションを行うためのテストデバイスです。当初は1.75Aの負荷で開始し、1ms後に3.5Aに変化し、1.5msにわたってそのレベルを維持した後、1.75Aに戻るように設定されています。過渡シミュレーションは、4msにわたって実行されるように設定されています。

実際のPCBの非理想性を表現し、結果の入力リップルが非現実的に小さくなるのを防止するため、24V電源の出力にある程度の直列抵抗およびインダクタンスが付加されていることに注意してください。もちろん、個々のPCBは異なるため、それに応じてこれらのパラメータの調整が必要になる場合があります。

回路図上に、シミュレータの適切な動作についての詳細な注が記載されています。それらは、この文書の最後にも掲載してあります。

以下では、EVキットのドキュメントに記載されたEVキットの測定条件に一致する条件下で行われたいくつかのシミュレーションのプロットを示します。これらの個々のシミュレーションについて、実施手順を説明します。

AC分析

DC-DCコンバータの設計の評価に使用される標準的シミュレーションの1つは、フィードバックループのAC分析です。このシミュレーションでは、回路図上の「BODE」および「VAC」テストデバイスを使用します。このプロットの場合、負荷のANALYSISパラメータをACに、AC_RSRC (負荷抵抗)を0.94Ωに設定しました。回路図上またはこの文書の最後に記載された注で、これを行う方法が説明されています。最初に負荷デバイスを選択し、それを右クリックしてください。図2のメニューが表示されます。

図2. 負荷のプロパティの変更図2. 負荷のプロパティの変更

ポップアップメニューのEdit/Add Propertiesという項目をクリックすると、次の図3に示すウィンドウが表示されます。

図3. Edit Propertiesウィンドウ図3. Edit Propertiesウィンドウ

変更が必要な2つの項目をハイライトで示してあります。ANALYSISをダブルクリックすると、次の図4に示すEdit Propertyウィンドウが表示されます。

図4. 負荷のANALYSISプロパティのEdit Propertyウィンドウ図4. 負荷のANALYSISプロパティのEdit Propertyウィンドウ

このANALYSISプロパティは、負荷の挙動にのみ影響します。シミュレータによってどのタイプのシミュレーションが行われるかには影響しません。これには2つの可能な状態があります。上の図に示すように、最初は「TRAN」に設定されています。これは、さまざまな他のプロパティによる定義に従って負荷パルスを生成するように負荷に指示するものです。このフィールドを編集して「AC」にします(「」は不要です)。この設定によって、負荷は単なる固定抵抗になります。OKをクリックして、この変更を保存してください。

負荷の抵抗値を設定するため、Edit PropertiesウィンドウのAC_RSRCをダブルクリックします。Valueフィールドを編集して、3.5A負荷用に0.94Ωにします。OKをクリックして、この変更を保存します。もう一度OKをクリックして、Edit Propertiesウィンドウを閉じます。

これで回路は全負荷でのACシミュレーション用に適切に設定されましたが、どのタイプのシミュレーションを実行するかをシミュレータに指示する必要があります。シミュレーションのタイプとパラメータは、Simulatorメニュー(図5)から設定します。Simulator → Choose Analysis...の順に選択してください。

図5. Choose Analysisウィンドウの表示方法図5. Choose Analysisウィンドウの表示方法

図6に示すように、Transient分析とPOP分析が選択されていることに注意してください。

図6. Choose Analysisウィンドウ図6. Choose Analysisウィンドウ

Transientボックスをクリックして選択を解除し、代わりにACボックスをクリックして選択します。ACを選択すると、図7に示すようにPOP分析が選択された状態で「グレーアウト」されることに注意してください。これは、AC分析の実行前には、常にPOP分析が必要となるためです。POP分析は、AC分析を実行可能な回路の安定状態動作を素早く見つけ出します。

図7. AC分析の選択図7. AC分析の選択

POP分析のパラメータは、回路図の注に従ってすでに設定されています。同様に、AC分析のパラメータは図8に示すように1kHz~300kHzでの実行用に設定されています。

図8. AC分析のパラメータ図8. AC分析のパラメータ

Runボタンをクリックしてください。1kHz~300kHzのAC分析を実行した後、結果の出力波形のグリッド、曲線の色、その他がEVキットのドキュメントの図6の設定に合わせて調整され、容易に比較することができます(図9)。

図9. 全負荷ボード線図(左:SIMPLISシミュレーション、右:EVキットのドキュメントの図6)

シミュレーション結果はユニティゲインクロスオーバーが59.4kHzで位相マージンが59.9°であることを示していますが、EVキットの測定値では52.7kHzで位相マージンが62.4°になっています。これは12%の相違であり、完全にインダクタ(30%)および出力コンデンサ(10%)の許容誤差の範囲内です。

過渡シミュレーション—PWMモード

次は、EVキットのドキュメントの図7に対応する過渡シミュレーションです。これは、0から1.75Aに変化して0に戻る負荷ステップによるシミュレーションです。このシミュレーションは、MAX17504をPWMモードにして実行します。この設定は、MODE端子をグランドに接続することによって行います。MODE端子の横にあるJU2デバイスをダブルクリックし、ポジション2を選択してください。ジャンパが変化し、MODE端子がグランドに接続されたことを確認してください。

負荷を適切に設定するため、回路図上の負荷の記号をダブルクリックすると、次の図10のウィンドウが表示されます。

図10. 負荷のEdit Device Parametersウィンドウ図10. 負荷のEdit Device Parametersウィンドウ

EVキットのドキュメントの図7の条件に合わせて、デバイスのパラメータを編集してください(図11)。

  • Start Current (開始電流) = 1µA
  • Pulsed Current (パルス電流) = 1.75A
  • Delay time (遅延時間) = 300µs
  • Pulsewidth (パルス幅) = 0.6ms
  • Source Resistance (ソース抵抗) = 3.3MΩ

図11. 開始電流を1µA、遅延を300µsに設定

この負荷では、抵抗値(ソース抵抗)を使って開始電流を設定します。これを3.3MΩに設定すると、開始電流は約1µAという十分ゼロに近い値になります。また、Start Currentにも1µAを入力します。これは、3.3MΩの抵抗にかかる電圧が3.3Vになり、その結果1µAの電流が発生するということが、回路図のプログラムには分からないためです。その電流の大きさを教えることによって、パルス時に適正な量が加算されPulsed Currentが適切な値になるようにする必要があります。この場合、Start Currentに0を入力したとしても、パルス電流の誤差はわずか1µAです。

非常に低い負荷では、POPシミュレーションを高信頼性で実行することができません。POPシミュレーションが使えない場合、負荷パルスの開始前にシミュレーションが安定状態になることを確保する必要があります。この目的のため、負荷のDelay Timeパラメータは300µsに設定されています。

また、「ANALYSIS」パラメータを変更して「TRAN」に戻す必要もあります。負荷を選択して右クリックし、再び図2のメニューを表示してください。図3に示したようにANALYSISをダブルクリックし、図4に示したようにValueボックスのテキストを「TRAN」に変更します。OKをクリックして、この変更を保存します。もう一度OKをクリックして、Edit Propertiesウィンドウを閉じます。

インダクタ電流の初期状態を0に設定することによって、シミュレーション時間を短縮し、より迅速に安定状態に到達させることができます。インダクタをダブルクリックし、初期状態を0に設定してください。注には、他に3つの初期状態があり、負荷電流に基づいて設定することで迅速化が可能であると記載されています。

  • C6をダブルクリックし、初期状態パラメータを変更することによって、C6の初期状態を0に設定
  • (チップ上方のU1ラベル付近にある) IC_cfのラベルをダブルクリックし、値を変更することによって、IC_cfを0に設定
  • (IC_cfの近くにある) IC_compを0.9に設定

この場合、初期状態を無変更のままにしておくと、シミュレーションの実行にかかる時間が約10%長くなります。

図12は、シミュレーション結果とEVキットの測定値の比較を示します。

図12. PWM、0から1.75Aの負荷過渡シミュレーション(左)とEVキットのドキュメントの図7 (右)の比較

出力電圧過渡は、EVキットのドキュメント用に測定された値とほぼ一致し、負のピークが約120mVで正が約130mVとなっています。

過渡シミュレーション—PFMモード

EVキットのドキュメントの図8は、同様の負荷過渡を示していますが、PFMモードでのものです。今回は、開始電流は5mAで、このモードで何が起こるかを明確に示すため、タイムスケールが大幅に長くなります。最初に、MODE端子のジャンパをオープンに変更し、MAX17504をPFMモードで動作させます。次に、図13に示すように負荷のパラメータを変更します。

図13. PFMモードでの負荷ステップ用の負荷の設定図13. PFMモードでの負荷ステップ用の負荷の設定

最後に、POP分析なしで24msにわたって過渡シミュレーションを実行するようにシミュレータを設定します。メニューバーのSimulatorをクリックし、次にChoose Analysis…をクリックします。Transientタブをクリックし、「Select Analysis」の中でTransientのみが選択され、他に何も選択されていないことを確認します。Stop timeを24mに変更した後、Runボタンをクリックします。PFMモードで負荷が5mAの場合、シミュレーションの実行が非常に遅くなることに注意してください。1.75Aのパルスをアクティブにすると、この比較的高い負荷に対応してチップが自動的にPWMモードに切り替わるため、シミュレーションの実行が大幅に高速化します。

この場合もPOP分析を実行することができないため、開始時に回路が安定するまでの時間を設けてあることに注意してください。EVキットのドキュメントの測定結果と非常に良く似ていることが分かります(図14)。

図14. PFMの負荷ステップとEVキットのドキュメントの図8の比較図14. PFMの負荷ステップとEVキットのドキュメントの図8の比較

過渡シミュレーション—DCMモード

次に、図15では、EVキットのドキュメントの図9で行われたものと同様に、回路はDCMモードで動作し、負荷過渡は50mAから1.75Aに変化しています。

図15. DCMの負荷ステップシミュレーション(左)とEVキットのドキュメントの図9 (右)の比較図15. DCMの負荷ステップシミュレーション(左)とEVキットのドキュメントの図9 (右)の比較

ここでも、シミュレートされた波形は測定値と非常に良く近似しています。両方の過渡電圧ピークが約150mVであることに注意してください。負の波形は指数関数的な減衰で復帰するのに対して、正の波形は鋸歯形状に近いものになっています。

このシミュレーションを再現するには、JU2をダブルクリックしてポジション1に変更し、DCMモードにします。次に、負荷をダブルクリックしてその編集ウィンドウを開きます。Start Currentを50mに、Source Resistanceを66に変更します。Delay timeを4.2mに、Pulsewidthを1.2mに変更します。OKボタンをクリックして、このウィンドウを閉じます。

次に、メニューバーからSimulator → Choose Analysis…の順にクリックします。Transientタブで、Stop timeを6mに変更します。その後、Runボタンをクリックします。

POP分析を使用する過渡シミュレーション

EVキットのドキュメントの図10は、PWMモードで負荷が50%負荷(1.75A)から全負荷(3.5A)に変化する場合を示しています。今回はPOP分析を使用します。回路図の注に従った初期状態の設定とともに、これによってシミュレーション時間が短縮され、事前に回路を安定させるための時間を設ける必要がなくなります。シミュレーションを実行する前に、JU2をポジション2に変更して強制的にPWMモードにします。図16は、負荷のセットアップ内容を示します。

図16. PWMモード、50%から全負荷パルスの負荷の設定

シミュレータは、POP分析を実行した後、1msにわたって過渡分析を行うように設定されます。結果を図17に示します。

図17. PWMの負荷ステップシミュレーション(左)とEVキットのドキュメントの図10 (右)の比較図17. PWMの負荷ステップシミュレーション(左)とEVキットのドキュメントの図10 (右)の比較

この場合も、このシミュレーションとEVキットの測定値の間に、非常に近い一致関係が見られます。

MAX17504EVKITAのSIMPLIS回路図の注

MAX17504 EVキットAシミュレーション回路:各種シミュレーション用の回路パラメータ

この回路ファイルは、オンラインのEE-Simデザインツールで生成され、MAX17504のEVキットAの設計に合わせて調整されています。

この回路は、PFMモードで1.75Aから3.5Aへの負荷ステップで4msにわたって過渡シミュレーションを実行するように設定されています。LOAD1デバイスは、この負荷ステップを提供するように設定されています。

BODEおよびVACデバイスは、ACシミュレーションで制御ループの測定を可能とするために配置されています。

異なる種類のシミュレーション(AC、安定状態、その他)を実行したい場合、またはこの負荷ステップ過渡シミュレーションのパラメータを変更したい場合は、以下の注をお読みください。

SIMPLISまたはシミュレーション一般に関して初心者の場合は、オンラインのEE-Simデザインツールを使用してセットアップ済みの、デフォルトのデザインを作成し、他のタイプのシミュレーションを実行し、そのデザインをダウンロードするのが近道です。その後、ダウンロードしたその回路図を修正して部品を変更したり、シミュレーションの設定内容をコピーすることができます。メニュー項目Simulator > Choose Analysisから選択可能なオプションとして、初期状態、LOAD1のパラメータなどがあります。

以下では、回路図およびシミュレータの設定を変更して、異なるシミュレーションを自分で実行するための手順を説明します。

負荷デバイスには、異なるシミュレーション用に変更可能ないくつかのパラメータがあります。過渡負荷パルスシミュレーションの場合、負荷はパルス電流と並列の抵抗として機能します。負荷パルスを使用しない場合、負荷は抵抗として機能します。

負荷をダブルクリックすると、パルスのタイミングと振幅のパラメータを編集することができるポップアップウィンドウが表示されます。

1.)~4.) Delay Time (遅延時間)、Rise Time (立上り時間)、Pulse Width (パルス幅)、およびFall Time (立下り時間)は、パルス負荷のタイミングの設定に使用します。
5.) Source Resistance (ソース抵抗)は、パルス波形の下限電流を設定します(電流 = Vout/Source Resistance)
6.) Start Current (開始電流):このパラメータは、1つ前のステップに従って下限電流の大きさをシミュレータに伝えます。
7.) Pulsed Current (パルス電流)は、パルス波形のピーク電流を決定します。

負荷の横の対応するラベルをダブルクリックすることによって、これらの個々のパラメータを個別に編集することができます。

Source Resistanceによって設定された電流は、シミュレーションの全期間を通して流れます。負荷デバイスは、追加されるパルスの大きさを(Pulsed Current - Start Current)として計算します。最大電流がPulsed Currentに入力された値と同一になることを確保するため、Start Currentに入力した値がSource Resistanceによって作られる電流(= Vout/Rsource)と一致していることを確認してください。

他にも2つの負荷のパラメータがあり、以下に示すように「Edit/Add Properties」メニュー項目で使用します。

1.) LOADを選択します。
2.) LOADを右クリックします。
3.) ポップアップメニューから「Edit/Add Properties」を選択します。
4.) ANALYSISは、負荷パルスを使用するか、または負荷が抵抗であるかを決定するパラメータです。
4.1.) パルス負荷を使用する過渡シミュレーションの場合、ANALYSISをTRANに設定します。
4.2) すべてのACシミュレーションおよびパルス負荷を使用しない過渡シミュレーションの場合、ANALYSISをACに設定します。
5.) AC_RSRCは、ANALYSIS = ACの場合に使用される負荷抵抗値を設定します。

POPシミュレーションの設定。Simulatorメニュー、Choose Analysis...からアクセスすることができます。

これは、ACシミュレーションで安定状態をオンラインで実行する場合に必要です。POPは場合によってPFMで使用することができます。開始負荷電流が低すぎる場合、パルススキップが発生し、POP分析は失敗します。どの負荷電流でこれが発生するかを、回路パラメータの全バリエーションにわたって正確に予測することは困難です。1.75Aの開始電流から3.5Aに変化して元に戻るデフォルトの負荷ステップの場合は、PFMモードを使用してPOPを高信頼性で実行することができます。

  • Trigger Gate (トリガーゲート):X$U1.X$DRIVER.X$UPOP.!DCOMP
  • Max. Period (最大期間):5u
  • Cycles before launching POP (POP開始前のサイクル数):100
  • Advancedボタンをクリックすると、次の2つのパラメータを設定することができます。
  • Convergence (コンバージェンス):1n
  • POP iteration limit (POP繰返し上限):20

スイッチング周波数の変更

スイッチング周波数を変更するには、データシート内の式に従ってR5を変更するとともに、U1の上のFswというラベルをダブルクリックすることによってチップのFswパラメータを所望のスイッチング周波数(単位:kHz)に変更します。

オープン回路を表す部品:1GΩの抵抗、1fFのコンデンサ

短絡を表す部品:1mΩの抵抗

MAX17503/4/5の初期状態

IC_で始まる名前を持つ以下の項目は、チップの初期状態です。それらのいずれかを編集するには、U1の上の対応するラベルをダブルクリックします。

AC、POP、およびTransient分析の場合(IOUTは負荷電流)

  1. C1の初期状態はVIN
  2. C2およびC3の初期状態は5
  3. C4の初期状態はVout
  4. C5の初期状態は-5
  5. C6の初期状態は(0.25 x Iout)
  6. L1の初期状態はIout
  7. IC_RESET = IC_SSDONE = IC_EN = 5
  8. IC_cf = (0.25 × Iout)
  9. IC_comp = (0.25 × Iout) + 0.9
  10. IC_FB = IC_VREF = 0.9
  11. IC_clk = 1.78

Startup分析の場合

  1. C1の初期状態はVIN
  2. C2、C3、C4、C5、C6の初期状態は0
  3. L1の初期状態は0
  4. IC_RESET = IC_VREF = IC_SSDONE = IC_EN = 0
  5. IC_cf = IC_comp = IC_FB = 0
  6. IC_clk = 0
 
Status:
Package:
Temperature:

MAX17504EVKITB
5V出力電圧アプリケーションの
MAX17504の評価キット

  • 動作入力電源:7.5V~60V
  • 出力電圧:5V
  • 出力電流:3.5A (max)

MAX17504EVKITA
3.3V出力電圧アプリケーションの
MAX17504の評価キット

  • 入力動作電源:5V~60V
  • 出力電圧:3.3V
  • 出力電流:3.5A (max)

MAX17504
4.5V~60V、3.5A、高効率、同期整流ステップダウンDC-DCコンバータ、補償内蔵

  • 外付け部品の排除による総コストの削減
  • DC-DCレギュレータの在庫数を削減
  • 消費電力を低減