JP5219078B2 - Simulation method by numerical calculation of analog circuit and simulation method by numerical calculation of switching power supply circuit - Google Patents

Simulation method by numerical calculation of analog circuit and simulation method by numerical calculation of switching power supply circuit Download PDF

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本発明は、数値演算によるシミュレーション方法に関し、アナログ回路、およびアナログ回路とディジタル回路が混在するDC−DCコンバータに代表されるスイッチング電源回路において周波数特性を数値演算によってシミュレートする方法に関する。   The present invention relates to a simulation method by numerical calculation, and more particularly to a method of simulating frequency characteristics by numerical calculation in an analog circuit and a switching power supply circuit represented by a DC-DC converter in which an analog circuit and a digital circuit are mixed.

アナログ電子回路のシミュレーション方法として、回路方程式をガウス消去法、LU分解法を用いて解く他、非線形回路の解析ではNewton-Rahpson法を用いる方法が知られている。また、回路の動特性をシミュレートするには、回路中の素子を時間刻み毎に変化する電流源、電圧源に置き換え、この時間刻み単位で非線形回路計算を繰り返すことが行われている。また、ディジタル回路のシミュレーション方法としてイベントドリブン法と呼ばれる方法が知られている(特許文献1)。   As an analog electronic circuit simulation method, a circuit equation is solved using a Gaussian elimination method and an LU decomposition method, and a method using a Newton-Rahpson method is known for nonlinear circuit analysis. In order to simulate the dynamic characteristics of a circuit, the elements in the circuit are replaced with a current source and a voltage source that change every time step, and nonlinear circuit calculation is repeated in units of this time step. Also, a method called event-driven method is known as a digital circuit simulation method (Patent Document 1).

上記した特許文献1には、アナログディジタル混在回路において、アナログ部のシミュレーションは通常高精度を目標として作られており時間刻みの間隔を制御する必要があるため計算時間が長くなるという課題を指摘し、この課題を解決する方法として、S関数で記述されたアナログ回路部の伝達関数をシミュレーション精度に応じた周期を持つサンプリング周期によるZ関数に変換し、変換したZ関数に基づいてディジタル回路網を形成し、論理シミュレーションを行うことが開示されている。   In the above-mentioned Patent Document 1, in the analog / digital mixed circuit, the simulation of the analog part is usually made with the aim of high accuracy, and it is necessary to control the time interval, so that the calculation time becomes long. As a method for solving this problem, the transfer function of the analog circuit portion described by the S function is converted into a Z function having a sampling period having a period corresponding to the simulation accuracy, and the digital circuit network is converted based on the converted Z function. Forming and performing logic simulation is disclosed.

また、アナログ回路をシミュレートするプログラムとしてSPICE(登録商標)と呼ばれる回路シミュレーションプログラムが知られ、数値演算プログラムとしてMATLAB(登録商標)と呼ばれるプログラムが知られている。
特許第3019368号(従来技術の項、発明が解決しようとする課題の項、課題を解決するための手段の項)
Further, a circuit simulation program called SPICE (registered trademark) is known as a program for simulating an analog circuit, and a program called MATLAB (registered trademark) is known as a numerical operation program.
Patent No. 3019368 (Prior Art, Problems to be Solved by the Invention, Means for Solving Problems)

前記した、アナログ回路やアナログディジタル混在回路のシミュレーション方法では、アナログ回路部の動作を論理シミュレーションするために、アナログ回路をS関数による伝達関数で表現し、S関数をZ関数に変換することによってディジタル回路を形成する手法を用いている。   In the above-described simulation method of an analog circuit or an analog / digital mixed circuit, in order to perform a logic simulation of the operation of the analog circuit unit, the analog circuit is expressed by a transfer function by an S function, and the S function is converted into a Z function by digital. A technique for forming a circuit is used.

しかしながら、パルス波形や急激な電圧変化や電流変化を持つ信号波形を扱う回路では、その回路構成を伝達関数で表現することが難しい場合があり、また、その過渡解析を行うには急激に変化する部分を細かく解析するために解析ステップ時間を細かく設定する必要があるためシミュレーション時間が増大するという問題がある。また、複数の信号源が接続されるような回路構成では、伝達関数で表現することが難しい場合がある。   However, in circuits that handle pulse waveforms, signal waveforms with sudden voltage changes or current changes, it may be difficult to express the circuit configuration with a transfer function, and it will change abruptly to perform transient analysis. There is a problem that the simulation time increases because it is necessary to set the analysis step time finely in order to finely analyze the portion. Further, in a circuit configuration in which a plurality of signal sources are connected, it may be difficult to express with a transfer function.

特に、アナログディジタル混在回路のように、ディジタル回路の解析のために数値演算によってシミュレートを行う必要がある場合には、アナログ回路の動作解析を数値演算によるシミュレートに適した構成とすることが求められる。この際、アナログ回路部分において、パルス波形や急激な電圧変化や電流変化を持つ信号波形のシミュレーションに要する時間を短縮することが求められ、また、アナログ回路の構成を数値演算のシミュレーションに適したモデル化が成されることが求められる。   Especially when analog circuits need to be simulated by numerical operations to analyze digital circuits, such as analog-digital mixed circuits, the operation analysis of analog circuits should be suitable for simulation by numerical operations. Desired. At this time, in the analog circuit part, it is required to reduce the time required to simulate the pulse waveform, the signal waveform having abrupt voltage change or current change, and the analog circuit configuration is a model suitable for numerical simulation It is required that

以下、この課題について、DC−DCコンバータを例にして説明する。一般に、DC−DCコンバータは、入力直流電圧Vinをスイッチングして電圧パルス波形に変換し、この電圧パルス波形をインダクタLとコンデンサCとにより平滑することで入力電圧とは異なる所望の直流出力電圧Voutを得る構成となっている。 Hereinafter, this problem will be described using a DC-DC converter as an example. Generally, DC-DC converter converts the voltage pulse waveform by switching an input DC voltage V in, different desired DC output voltage and the input voltage by smoothing the voltage pulse waveform by an inductor L and a capacitor C V out is obtained.

上記電圧パルス波形のパルス時間幅tBとパルス波形の繰り返し周期Tとの比tB/Tをデューティ比Dで表すと、DC−DCコンバータの直流出力電圧Voutは、降圧形(Vin>Vout)の場合、

Figure 0005219078
のようになり、昇圧形(Vin<Vout)の場合には
Figure 0005219078
のようになる。 When the ratio t B / T between the pulse time width t B of the voltage pulse waveform and the repetition period T of the pulse waveform is represented by a duty ratio D, the DC output voltage V out of the DC-DC converter is a step-down type (V in > V out )
Figure 0005219078
In case of boost type (V in <V out )
Figure 0005219078
become that way.

式(1)あるいは式(2)の動作において、入力直流電圧Vinをスイッチして電圧パルス波形として平滑回路に送り出す役目は、スイッチング回路を構成する出力トランジスタが担っている。大きな電流値を供給しなければならないような場合であっても、スイッチがオンとなっている状態の出力トランジスタの両端の電圧は小さいので、出力トランジスタにおける電力消費は少ない。この理由によりDC−DCコンバータは電力変換効率の高い変換器として多用されている。 In operation of the formula (1) or formula (2), serves for feeding the input DC voltage V in to the smoothing circuit as a switch to a voltage pulse waveform, the output transistor constituting the switching circuit is responsible. Even in the case where a large current value has to be supplied, since the voltage across the output transistor with the switch turned on is small, power consumption in the output transistor is small. For this reason, DC-DC converters are frequently used as converters with high power conversion efficiency.

しかしながらDC−DCコンバータに要求される電流供給能力は負荷の状況により常に変動する。負荷がスタンバイモードになった場合には供給する電流値は小さくなり、負荷がアクティブな場合にはその電流値は大となる。電流値が変動すると、直流出力電圧Voutも変動する。そこで負帰還をかけてVoutを安定にする必要がある。 However, the current supply capability required for the DC-DC converter always varies depending on the load condition. When the load is in the standby mode, the supplied current value is small, and when the load is active, the current value is large. When the current value varies, the DC output voltage Vout also varies. Therefore, it is necessary to stabilize Vout by applying negative feedback.

図12は、LSI化降圧形DC−DCコンバータ(Vin>Vout)の構成図を示している。図12に示すDC−DCコンバータは、入力直流電圧Vinをスイッチングするスイッチング回路60、スイッチング回路60の出力を平滑化して直流出力電圧Voutを形成する出力平滑回路20、直流出力電圧Voutを定数(K)倍した電圧KVoutと参照電圧Vrefとの電圧差(Δ)を増幅する誤差増幅器部40、出力平滑回路20のインダクタ21に流れる電流iLを形成する電流検出器50、誤差増幅器部40の出力電圧vcと電流検出器50で検出した電流にスロープ補償電流を加えて電圧変換した電圧値vcfbとを比する比較器30、比較器30の出力vfを帰還してスイッチング回路60のスイッチング動作を制御するディジタル制御回路10によって構成されている。ディジタル制御回路10は発振器(OSC)11の周期信号で駆動される。 FIG. 12 is a block diagram of an LSI step-down DC-DC converter (V in > V out ). DC-DC converter shown in FIG. 12, the switching circuit 60 for switching an input DC voltage V in, the output smoothing circuit 20 to form a DC output voltage V out and smoothing the output of the switching circuit 60, the DC output voltage V out an error amplifier 40, a current detector 50 for forming the current i L flowing through the inductor 21 of the output smoothing circuit 20 that amplifies a voltage difference between a constant and (K) multiplied by voltage KV out and the reference voltage V ref the (delta), error The comparator 30 that compares the output voltage v c of the amplifier unit 40 and the voltage value v cfb obtained by adding a slope compensation current to the current detected by the current detector 50 and converting the voltage is fed back and the output v f of the comparator 30 is fed back. The digital control circuit 10 controls the switching operation of the switching circuit 60. The digital control circuit 10 is driven by a periodic signal from an oscillator (OSC) 11.

出力電圧Voutを定数(K)倍した電圧KVoutと参照電圧Vrefの電圧差E(Δ)を誤差増幅器部40で増幅して、その出力電圧vcを比較器30に送る。出力電圧Voutを定数(K)倍した電圧KVoutが参照電圧Vrefの電圧より大である場合には、誤差増幅器部40の出力電圧vcは小となる。 The output voltage V out constant (K) multiplied by the voltage difference between the voltage KV out and the reference voltage V ref E a (delta) was amplified by the error amplifier 40, and sends its output voltage v c to the comparator 30. When the output voltage V out constant (K) multiplied by voltage KV out is greater than the voltage of the reference voltage V ref, the output voltage v c of the error amplifier 40 becomes small.

一方、出力平滑回路20のインダクタ21(L)に流れる電流iLは、スイッチング回路60の出力トランジスタMpあるいは出力トランジスタMnに流れる電流と一致している。電流iLの電流値の変化は誤差増幅器部40では十分検出できないため、この電流iLの電流値の変化は電流検出器50で検出し更にスロープ補償51を施して比較器30に入力される。 On the other hand, the current i L flowing through the inductor 21 (L) of the output smoothing circuit 20 matches the current flowing through the output transistor Mp or the output transistor Mn of the switching circuit 60. Since the change of the current value of the current i L cannot be sufficiently detected by the error amplifier section 40, the change of the current value of the current i L is detected by the current detector 50, further subjected to the slope compensation 51, and input to the comparator 30. .

以上のように、直流出力電圧の電圧情報(Vout)およびインダクタの電流情報(iL)は比較器30を通してディジタル制御回路10へと帰還され、該ディジタル制御回路10にてスイッチング回路60の出力トランジスタMpあるいはMnのオン期間を制御する。これにより直流出力電圧(Vout)が変化した場合、あるいは出力電流(iL)が変化して直流出力電圧(Vout)が変化した場合でも、直流出力電圧(Vout)は常に一定に保たれる。 As described above, the voltage information (V out ) of the DC output voltage and the current information (i L ) of the inductor are fed back to the digital control circuit 10 through the comparator 30, and the digital control circuit 10 outputs the output of the switching circuit 60. The on period of the transistor Mp or Mn is controlled. As a result, even if the DC output voltage (V out ) changes or the output current (i L ) changes and the DC output voltage (V out ) changes, the DC output voltage (V out ) is always kept constant. Be drunk.

図12の回路において、誤差増幅器部40のアナログ回路は主に変化の緩やかな波形を扱うが、出力平滑回路20や電流検出器50等の他のアナログ回路ではパルス波形や急激な変化のある波形を扱っている。   In the circuit of FIG. 12, the analog circuit of the error amplifier section 40 mainly handles waveforms with a gradual change, but other analog circuits such as the output smoothing circuit 20 and the current detector 50 have a pulse waveform or a waveform with abrupt changes. Is dealing.

ここで、アナログ回路の回路シミュレーションツールを用いて、急激な電圧変化あるいは電流変化を持つ信号波形を過渡解析すると、回路シミュレーションツールは急激な変化のある部分で細かく精密な解析を行おうとしてその解析ステップ時間を非常に細かく設定する。このため過渡解析に要するシミュレーション時間が急激に増大する。   Here, if a signal waveform with a sudden voltage change or current change is transiently analyzed using a circuit simulation tool of an analog circuit, the circuit simulation tool analyzes the detailed and precise analysis in a part where there is a sudden change. Set the step time very finely. For this reason, the simulation time required for the transient analysis increases rapidly.

さらにアナログ回路シミュレーションツールはトランジスタをベースとしたシミュレーションツールであるから、図12の各回路構成に含まれる全ての素子を含んだ形で解析を行うため、回路規模が大となる。   Furthermore, since the analog circuit simulation tool is a transistor-based simulation tool, the analysis is performed in a form including all elements included in each circuit configuration of FIG.

上述したように、パルス的な動作を解析するために、解析の時間ステップを非常に細かく設定する必要があること、回路を構成する各素子を基本とした解析をする必要があるため回路規模が大となることの2つの要因によって、図12に示したような回路の過渡解析を行うと解析時間に長時間を要するという課題がある。   As described above, in order to analyze the pulse-like operation, it is necessary to set the time step of the analysis very finely, and it is necessary to perform analysis based on each element constituting the circuit, so the circuit scale is large. Due to the two factors of increasing, there is a problem that when the transient analysis of the circuit as shown in FIG.

また図12ではパルス的な信号波形を扱い、多くのスイッチやディジタル回路機能が含まれるので、アナログシミュレータで用いられる小信号モデルに基づく伝達関数を使ったAC解析を行うことができない。開ループ特性を求める場合には、直流出力電圧Voutと誤差増幅器部40のマイナス入力端子間に50Ω程の低抵抗を接続し、この低抵抗の両端に誤差増幅器部40のマイナス入力端子側が正となるような信号を与えて過渡解析を行う。このとき直流出力電圧Voutに重畳して入力信号成分が現れるので、過渡解析結果に含まれる開ループを通過してきた入力信号成分を抽出する。 In FIG. 12, a pulse-like signal waveform is handled and many switches and digital circuit functions are included. Therefore, AC analysis using a transfer function based on a small signal model used in an analog simulator cannot be performed. When obtaining the open loop characteristics, a low resistance of about 50Ω is connected between the DC output voltage V out and the negative input terminal of the error amplifier section 40, and the negative input terminal side of the error amplifier section 40 is connected to both ends of the low resistance. A transient analysis is performed by giving a signal such that At this time, since the input signal component appears superimposed on the DC output voltage Vout , the input signal component that has passed through the open loop included in the transient analysis result is extracted.

ただし上記の操作では一つの周波数の信号に対する開ループの応答しか得られない。開ループの周波数特性を求めるには、開ループに様々な周波数の信号を入力してそれぞれの周波数に対する応答のデータを集める必要がある。一つの過渡解析に要する解析時間が大である上、さらに、周波数特性を求める場合には、この動作を繰り返して行う必要があり、膨大な時間を費やさないと求まらないという課題がある。   However, the above operation can only provide an open loop response to a signal of one frequency. In order to obtain the frequency characteristics of the open loop, it is necessary to input signals of various frequencies to the open loop and collect response data for each frequency. The analysis time required for one transient analysis is long, and further, when obtaining the frequency characteristic, it is necessary to repeat this operation, and there is a problem that it cannot be obtained unless a large amount of time is spent.

そこで、本発明は上述した課題を解決して、アナログ回路やアナログ回路とディジタル回路が混在する回路において、パルス信号や急激な波形変化を伴う信号波形の過渡解析を数値演算によってシミュレーションすることを目的とし、解析時間を短縮することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to solve the above-described problems and to simulate a transient analysis of a pulse signal or a signal waveform accompanied by a sudden waveform change by numerical calculation in an analog circuit or a circuit in which an analog circuit and a digital circuit are mixed. The purpose is to shorten the analysis time.

本発明は、アナログ回路やアナログ回路とディジタル回路が混在する回路の動作を数値演算によってシミュレートする第1の態様、アナログ回路とディジタル回路が混在するスイッチング電源回路の動作を数値演算によってシミュレートする第2の態様とを含む。   The first aspect of the present invention simulates the operation of an analog circuit or a circuit in which an analog circuit and a digital circuit are mixed by numerical calculation, and simulates the operation of a switching power supply circuit in which an analog circuit and a digital circuit are mixed by numerical calculation. And a second aspect.

本発明の第1の態様は、アナログ回路やアナログ回路とディジタル回路が混在する回路の動作を数値演算によってシミュレートする方法であり、アナログ回路を複数の回路ブロックに分割し、この分割した回路ブロックにおいて2つの形態によって数値演算を行う回路ブロックをモデル化し、モデル化した回路ブロックを数値演算で解くことによって回路ブロックの出力の時間変化を求める。これによって、アナログ回路やアナログ回路とディジタル回路が混在する回路において、パルス信号や急激な波形変化を伴う信号波形の過渡解析の数値演算によるシミュレーションを可能とし、また、解析時間を短縮することができる。   A first aspect of the present invention is a method for simulating an operation of an analog circuit or a circuit in which an analog circuit and a digital circuit are mixed by numerical operation. The analog circuit is divided into a plurality of circuit blocks, and the divided circuit blocks In FIG. 2, a circuit block that performs numerical operation is modeled in two forms, and the time change of the output of the circuit block is obtained by solving the modeled circuit block by numerical operation. This makes it possible to perform simulation by numerical computation of transient analysis of pulse waveforms and signal waveforms with sudden waveform changes in analog circuits or circuits in which analog circuits and digital circuits coexist, and shorten analysis time. .

数値演算を行うための回路ブロックのモデル化の第1の形態は、出力に時間変化を解析する過渡解析を要する回路ブロックに適用するものである。この形態のモデル化では、回路ブロック内の電圧および電流を変数とし、この変数を微分した微分変数を含む状態方程式を用いて記述して数値演算のための演算ブロックを形成し、形成した演算ブロックによって回路ブロックをモデル化する。   A first form of modeling of a circuit block for performing a numerical operation is applied to a circuit block that requires a transient analysis for analyzing a temporal change in output. In this form of modeling, the voltage and current in the circuit block are used as variables, and this block is described using a state equation including a differential variable obtained by differentiating this variable to form a calculation block for numerical calculation. The circuit block is modeled by

モデル化した回路ブロックにおいて、微分変数を数値演算で解くことによって出力の時間変化を求める。   In the modeled circuit block, the time change of the output is obtained by solving the differential variable by numerical calculation.

状態方程式は微分変数を含んで記述されるため、時間変化を数値演算で求めることができる。また、数値演算であるため、膨大な解析ステップを繰り返すことなくパルス信号や急激な波形変化を伴う信号波形の過渡解析を数値演算でシミュレートすることができる。   Since the state equation is described including a differential variable, the time change can be obtained by numerical calculation. Moreover, since it is a numerical calculation, it is possible to simulate a transient analysis of a pulse signal or a signal waveform accompanied by a sudden waveform change by numerical calculation without repeating a huge analysis step.

数値演算を行うための回路ブロックのモデル化の第2の形態は、前記過渡解析を要さない回路ブロックに適用するものである。この形態のモデル化は、電気回路による重ねの理を適用するものであり、回路ブロックのアナログ能動要素に入力する電圧源および又は電流源について、電圧源又は電流源が単独で存在するときの伝達関数を、電圧源又は電流源からアナログ能動要素までをS関数で記述し、この回路ブロックの伝達関数とS関数で記述した電圧源の電圧又は電流源の電流との積の和を求め、この積の和を重ねの理によってアナログ能動要素の入力信号として記述する。さらに、アナログ能動要素の伝達関数をS関数で記述し、入力信号の伝達関数とアナログ能動要素の伝達関数との積によって回路ブロックの総合的な伝達関数を記述して数値演算のための演算ブロックを形成し、この演算ブロックによって回路ブロックをモデル化し、この総合的な伝達関数をラプラス逆変換することによって回路ブロックの出力の時間変化を求める。   The second form of circuit block modeling for performing numerical operations is applied to a circuit block that does not require the transient analysis. This form of modeling applies the theory of superposition by electrical circuits, and communicates when a voltage source or current source exists alone for a voltage source and / or current source that is input to an analog active element of a circuit block. The function is described from the voltage source or current source to the analog active element by the S function, and the sum of the product of the transfer function of this circuit block and the voltage of the voltage source or the current of the current source described by the S function is obtained. The sum of products is described as an input signal of an analog active element by the principle of superposition. In addition, the transfer function of the analog active element is described by an S function, and the overall transfer function of the circuit block is described by the product of the transfer function of the input signal and the transfer function of the analog active element, and an arithmetic block for numerical calculation The circuit block is modeled by this arithmetic block, and the Laplace inverse transform is performed on the total transfer function to obtain the time change of the circuit block output.

本発明の第2の態様は、アナログ回路とディジタル回路が混在するスイッチング電源回路の動作を数値演算によってシミュレートする方法である。   The second aspect of the present invention is a method of simulating the operation of a switching power supply circuit in which an analog circuit and a digital circuit are mixed by numerical calculation.

本発明のシミュレーション方法を適用するスイッチング電源回路は、入力直流電圧をスイッチングして電圧パルスを出力するスイッチング回路と、電圧パルスを平滑化して負荷に供給する出力平滑回路と、出力平滑回路の出力電圧の定数倍の電圧と参照電圧の差分電圧を入力信号とし、この入力信号を電圧増幅し、低域通過させた電圧を出力し、リミタ電流を出力端から入力端に帰還する誤差増幅器と、出力平滑回路に流れる電流を検出し、この電流を電圧変換して比較器に帰還する電流検出回路と、スイッチング回路のスイッチング期間を制御するディジタル制御回路とを備える。   The switching power supply circuit to which the simulation method of the present invention is applied includes a switching circuit that switches an input DC voltage and outputs a voltage pulse, an output smoothing circuit that smoothes the voltage pulse and supplies it to a load, and an output voltage of the output smoothing circuit A difference voltage between a constant multiple of the reference voltage and the reference voltage is used as an input signal, the input signal is amplified, and a low-pass voltage is output, and a limiter current is fed back from the output terminal to the input terminal, and an output A current detection circuit that detects a current flowing through the smoothing circuit, converts the current into a voltage and feeds it back to the comparator, and a digital control circuit that controls the switching period of the switching circuit.

上記したスイッチング電源回路において、出力平滑回路、誤差増幅器、電流検出回路、およびディジタル制御回路をモデル化して数値演算によって信号の時間変化を求める。   In the above switching power supply circuit, an output smoothing circuit, an error amplifier, a current detection circuit, and a digital control circuit are modeled, and a time change of the signal is obtained by numerical calculation.

出力平滑回路は、スイッチング回路を構成する出力トランジスタの出力電圧と負荷電流とを入力信号とし、出力平滑回路の出力電圧と出力平滑回路が備えるインダクタンス素子に流れる電流とを出力信号とし、出力平滑回路が備える容量素子の両端の電圧とインダクタンス素子に流れる電流を変数とし、この変数を微分した微分変数を含む状態方程式を用いて出力平滑回路を記述して数値演算を行う演算ブロックを形成し、形成した演算ブロックを用いてスイッチング回路および出力平滑回路をモデル化し、このモデル化においてインダクタンス素子を流れる電流および出力平滑回路の出力直流電圧の時間変化を求める。   The output smoothing circuit uses the output voltage and load current of the output transistor constituting the switching circuit as input signals, the output voltage of the output smoothing circuit and the current flowing through the inductance element included in the output smoothing circuit as output signals, and the output smoothing circuit. Form a calculation block that performs numerical calculations by describing the output smoothing circuit using a state equation including a differential variable obtained by differentiating the voltage across the capacitor element and the current flowing through the inductance element. The switching circuit and the output smoothing circuit are modeled using the calculated operation block, and the time change of the current flowing through the inductance element and the output DC voltage of the output smoothing circuit is obtained in this modeling.

このモデル化によれば、状態方程式において、微分した変数を積分することは変数の時間変化を求めることに対応するため、微分変数を含む状態方程式を数値演算で解くことによって、膨大な解析ステップを繰り返すことなくパルス信号や急激な波形変化を伴う信号波形の過渡解析を数値演算でシミュレートすることができる。   According to this modeling, integrating a differentiated variable in a state equation corresponds to finding the time change of the variable. Transient analysis of pulse waveforms and signal waveforms with rapid waveform changes can be simulated by numerical calculation without repeating.

誤差増幅器は、入力信号電圧源から前記誤差増幅器の入力端までの伝達関数と、出力信号電圧源から前記誤差増幅器の入力端までの伝達関数と、参照電圧源から前記誤差増幅器の入力端までの伝達関数と、入力端と出力端との間に接続されたダイオードリミタに流れる電流を表すリミタ電流源から前記誤差増幅器の入力端までの伝達関数とについて、それぞれが単独で存在するときの伝達関数をS関数で記述し、各伝達関数とS関数で記述した入力信号電圧源、出力信号電圧源、参照電圧源、リミタ電流源の電圧又は電流源の電流との積の和を求め、この積の和を重ねの理によって誤差増幅器の入力信号として記述する。   The error amplifier includes a transfer function from an input signal voltage source to the input terminal of the error amplifier, a transfer function from an output signal voltage source to the input terminal of the error amplifier, and a reference voltage source to the input terminal of the error amplifier. A transfer function when a transfer function and a transfer function from a limiter current source representing a current flowing in a diode limiter connected between the input terminal and the output terminal to the input terminal of the error amplifier exist independently. Is described by the S function, and the sum of the product of each transfer function and the input signal voltage source, output signal voltage source, reference voltage source, limiter current source voltage or current source current described by the S function is obtained. Is described as the input signal of the error amplifier by the superposition principle.

さらに、誤差増幅器の伝達関数をS関数で記述し、入力信号の伝達関数と誤差増幅器の伝達関数との積によって誤差増幅器の総合的な伝達関数を記述して数値演算を行う演算ブロックを形成して誤差増幅器をモデル化し、このモデル化において総合的な伝達関数をラプラス逆変換することによって誤差増幅器の出力の時間変化を求める。   Further, an error amplifier transfer function is described by an S function, and an arithmetic block for performing a numerical operation is described by describing the overall transfer function of the error amplifier by the product of the transfer function of the input signal and the transfer function of the error amplifier. Then, the error amplifier is modeled, and in this modeling, the Laplace inverse transform is performed on the total transfer function to determine the time change of the output of the error amplifier.

ここで、誤差増幅器の信号波形は急激な波形変化を伴わないため、伝達関数によってモデル化することができる。本発明では、複数の外部要素の伝達関数を組み合わせることによってモデル化する。より詳細には、重ねの理を用い、それぞれが単独で存在するときの伝達関数と入力信号の伝達関数との積の和によって求める。   Here, since the signal waveform of the error amplifier is not accompanied by a sudden waveform change, it can be modeled by a transfer function. In the present invention, modeling is performed by combining transfer functions of a plurality of external elements. More specifically, the superposition theory is used to obtain the sum of the products of the transfer function and the transfer function of the input signal when each exists alone.

電流検出回路は、スイッチング回路のスイッチングトランジスタに流れる電流に対して所定比率の電流を流す検出用トランジスタをスイッチングトランジスタに並列接続し、この検出用トランジスタに流れる電流と抵抗との積によって記述して数値演算を行う演算ブロックを形成し、形成した演算ブロックを用いて電流検出回路をモデル化する。   In the current detection circuit, a detection transistor that flows a predetermined ratio of current to the current flowing through the switching transistor of the switching circuit is connected in parallel to the switching transistor, and is described by the product of the current flowing through the detection transistor and the resistance. An operation block for performing an operation is formed, and the current detection circuit is modeled using the formed operation block.

このモデル化において、所定比率と抵抗との積を一定値の電流−電圧変換係数として数値演算を行うことによって電流を検出する。   In this modeling, a current is detected by performing a numerical operation using a product of a predetermined ratio and a resistance as a constant current-voltage conversion coefficient.

上記した各アナログ回路のモデル化によって、スイッチング回路と、出力平滑回路と誤差増幅器と電流検出回路の各アナログ回路の動作を数値演算によってシミュレートすることができる。   By modeling each analog circuit described above, the operation of each analog circuit of the switching circuit, the output smoothing circuit, the error amplifier, and the current detection circuit can be simulated by numerical calculation.

また、スイッチング電源回路において、入力直流電圧をスイッチングして電圧パルスを出力するスイッチング回路のスイッチング期間を制御するディジタル制御回路の制御動作を数値演算によってシミュレートする構成では、電流検出回路の出力電圧と、誤差増幅器の出力電圧との差分を零と比較して論理値を出力し、この比較結果の論理値によって前記スイッチング期間を制御するディジタル制御回路の制御動作をブール代数によって記述して数値演算を行う演算ブロックを形成し、この演算ブロックを用いてディジタル制御回路をモデル化する。このモデル化において、ブール代数の数値演算によってスイッチング期間を制御する。   In the switching power supply circuit, the control operation of the digital control circuit that controls the switching period of the switching circuit that switches the input DC voltage and outputs the voltage pulse is simulated by numerical calculation. The difference from the output voltage of the error amplifier is compared with zero to output a logical value, and the control operation of the digital control circuit that controls the switching period by the logical value of the comparison result is described by a Boolean algebra. An arithmetic block to be performed is formed, and the digital control circuit is modeled using the arithmetic block. In this modeling, the switching period is controlled by Boolean algebra.

本発明によれば、アナログ回路やアナログ回路とディジタル回路が混在する回路において、パルス信号や急激な波形変化を伴う信号波形の過渡解析を数値演算によってシミュレーションすることができ、解析時間を短縮することができる。その結果、短時間で周波数特性を求めることができる。   According to the present invention, in a circuit in which an analog circuit or an analog circuit and a digital circuit are mixed, a transient analysis of a pulse signal or a signal waveform accompanied by a sudden waveform change can be simulated by numerical calculation, and the analysis time can be shortened. Can do. As a result, the frequency characteristics can be obtained in a short time.

以下、本発明の実施の形態を実施例に基づき詳細に説明する。図1は、本発明において、スイッチング電源回路をモデル化して形成されたブロック構成を説明するための図である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail based on examples. FIG. 1 is a diagram for explaining a block configuration formed by modeling a switching power supply circuit in the present invention.

図1において、スイッチング電源回路は、前記図12に示すDC−DCコンバータのディジタル制御回路10、スイッチング回路60、出力平滑回路20、誤差増幅器部40、電流検出器50、比較器30の各回路をモデル化した回路ブロックによって構成される。この回路ブロックは、ディジタル制御回路ブロック1、スイッチング回路ブロック6、出力平滑回路ブロック2、誤差増幅器ブロック4、電流検出回路ブロック5によって構成される。なお、図1では、ディジタル制御回路ブロック1は、電流検出回路ブロック5の出力電圧vcfbと誤差増幅器ブロック4の出力電圧vcとを引き算によって差分電圧vfを求める比較ブロック3を含む構成としている。 In FIG. 1, the switching power supply circuit includes the digital control circuit 10, the switching circuit 60, the output smoothing circuit 20, the error amplifier unit 40, the current detector 50, and the comparator 30 of the DC-DC converter shown in FIG. Consists of modeled circuit blocks. This circuit block includes a digital control circuit block 1, a switching circuit block 6, an output smoothing circuit block 2, an error amplifier block 4, and a current detection circuit block 5. In FIG. 1, the digital control circuit block 1 includes a comparison block 3 that obtains a differential voltage v f by subtracting the output voltage v cfb of the current detection circuit block 5 and the output voltage v c of the error amplifier block 4. Yes.

以下、スイッチング回路ブロック6、出力平滑回路ブロック2、誤差増幅器ブロック4、ディジタル制御回路ブロック1、および電流検出回路ブロック5の各部分のブロック化について説明する。   Hereinafter, the blocking of each part of the switching circuit block 6, the output smoothing circuit block 2, the error amplifier block 4, the digital control circuit block 1, and the current detection circuit block 5 will be described.

はじめに、スイッチング回路ブロック6および出力平滑回路ブロック2について説明する。図2は、本発明を適用するスイッチング電源回路のスイッチング回路60の出力トランジスタ(Mp、Mn)、出力平滑回路20、および負荷の部分を示した図である。   First, the switching circuit block 6 and the output smoothing circuit block 2 will be described. FIG. 2 is a diagram showing an output transistor (Mp, Mn), an output smoothing circuit 20, and a load portion of the switching circuit 60 of the switching power supply circuit to which the present invention is applied.

図12に示される出力平滑回路20において、インダクタLは実際には抵抗成分RLを持ち、コンデンサCにも抵抗成分Rcが存在する。また実際は直流出力電圧Voutを抵抗で分圧する回路を誤差増幅器部40の入力に含むため、この抵抗としてRfが接続される。ここで、負荷は電流源Ioutで示している。 In the output smoothing circuit 20 shown in FIG. 12, the inductor L actually has a resistance component R L , and the capacitor C also has a resistance component R c . In practice, a circuit that divides the DC output voltage Vout with a resistor is included in the input of the error amplifier section 40, so that Rf is connected as this resistor. Here, the load is indicated by a current source Iout .

図2において、キルヒホフの法則を適用して式をたてると、

Figure 0005219078
がなりたつため、
Figure 0005219078
という状態方程式が得られる。 In Figure 2, applying Kirchhoff's law and formulating it,
Figure 0005219078
Because
Figure 0005219078
The state equation is obtained.

式(4)は、

Figure 0005219078
の形で表すことができ、変数xの時間変化つまりvC(t),iL(t)の時間変化を計算し、Vout(t),iL(t)の時間変化を求めている。ただしx'は時間tによるxの微分を示している。ここで、x、y、uは以下で表される。 Equation (4) is
Figure 0005219078
The time change of the variable x, that is, the time change of v C (t), i L (t) is calculated to obtain the time change of V out (t), i L (t). . However, x 'has shown the differentiation of x by time t. Here, x, y, and u are expressed as follows.

Figure 0005219078
Figure 0005219078

したがって変数yを求めることはiL(t)およびVout(t)の過渡解析に相当する。式(5)の係数にあたるA、B、CおよびDは式(4)では回路定数から簡単に計算することができる定数であり、またvc(t),iL(t)の時間変化波形も理想的な変化波形として考えられているので、数値演算の高速化が期待される。 Therefore, obtaining the variable y corresponds to a transient analysis of i L (t) and V out (t). A, B, C, and D corresponding to the coefficients of equation (5) are constants that can be easily calculated from the circuit constants in equation (4), and the time-varying waveforms of v c (t) and i L (t) Is also considered as an ideal change waveform, so speeding up of numerical calculations is expected.

一方、アナログ回路のシミュレーションソフト(例えば、SPICE(登録商標)と呼ばれるプログラム)を用いた場合には、シミュレーションにおける時間ステップ幅を急峻な変化時には細かく設定する必要があり、処理時間が長時間化する。   On the other hand, when analog circuit simulation software (for example, a program called SPICE (registered trademark)) is used, it is necessary to finely set the time step width in the simulation when the change is abrupt, which increases the processing time. .

図3は式(4)を数値演算するためのMATLAB(登録商標)と呼ばれるプログラムの入力例である。   FIG. 3 shows an input example of a program called MATLAB (registered trademark) for numerically calculating the equation (4).

通常、プログラム入力にはこのようなシンボル表記が用いられている。式(5)の形態の状態変数方程式を計算するには外部入力Uと出力yを指定する必要がある。この場合、外部入力UとしてVLX(t),Iout(t)が指定され、出力yにはVout(t),iL(t)が指定されている。状態変数xや係数A,B,C,Dは別途タイプ入力で指定する。 Usually, such symbol notation is used for program input. In order to calculate the state variable equation in the form of equation (5), it is necessary to specify the external input U and the output y. In this case, V LX (t) and I out (t) are designated as the external input U, and V out (t) and i L (t) are designated as the output y. The state variable x and the coefficients A, B, C, and D are separately designated by type input.

次に、誤差増幅器ブロック4について説明する。図4は、本発明を適用するスイッチング電源回路の誤差増幅器部40を示した図であり、図5は誤差増幅器部40をモデル化した回路ブロックを示した図である。ここで、Voutは出力直流電圧、vcは誤差アンプ46の出力であり、viは誤差アンプ46の入力である。図4の誤差増幅器回路はアナログ回路であるから、モデル化に際しては伝達関数で表現するのが適当である。 Next, the error amplifier block 4 will be described. 4 is a diagram showing an error amplifier unit 40 of a switching power supply circuit to which the present invention is applied, and FIG. 5 is a diagram showing a circuit block in which the error amplifier unit 40 is modeled. Here, V out is the output DC voltage, v c is the output of the error amplifier 46, v i is the input of the error amplifier 46. Since the error amplifier circuit of FIG. 4 is an analog circuit, it is appropriate to express it by a transfer function in modeling.

ここで、誤差増幅器部40の伝達関数をvc/Voutで表すと、誤差アンプ46の周波数特性をもこの伝達関数内に含めて記述する必要がある。誤差アンプ46を独立して定義し、その出力にLPF(低域通過フィルタ)を接続する形で記述することによってシミュレーションの自由度を増すことができる。したがって、ここでは誤差アンプ46の入力viを重ねの理を用いて、その後に誤差アンプの電圧増幅部分(図5中の電圧増幅度(−k1)で表している)と低域通過フィルタ部分(LPF)を接続する構成によって表している。 Here, when the transfer function of the error amplifier section 40 is expressed by v c / V out , it is necessary to describe the frequency characteristic of the error amplifier 46 by including it in the transfer function. By defining the error amplifier 46 independently and describing an LPF (low pass filter) connected to the output of the error amplifier 46, the degree of freedom of simulation can be increased. Therefore, here, the input v i of the error amplifier 46 is used to superimpose, and thereafter, the voltage amplification part of the error amplifier (represented by the voltage amplification degree (−k1) in FIG. 5) and the low-pass filter part. (LPF) is represented by a connected configuration.

入力viは、直流出力電圧Vout、誤差アンプ46の出力vc、参照電圧源45の参照電圧Vref、リミタ47を流れる電流Ilimに重ねの理を適用して、

Figure 0005219078
という形で記述される。 The input v i applies the superposition theory to the DC output voltage V out , the output v c of the error amplifier 46, the reference voltage V ref of the reference voltage source 45, and the current I lim flowing through the limiter 47,
Figure 0005219078
It is described in the form.

式(7)において、伝達関数Hout(s)は、直流出力電圧Vout(s)以外の電圧vc(s)、参照電圧Vref(s)、リミタを流れる電流Ilim(s)などの電圧源および電流源の値をゼロとして、直流出力電圧Vout(s)のみの入力vi(s)への影響を示す伝達関数である。ここで、各伝達関数、電圧、および電流はS関数で記述している。誤差アンプ46の出力部からの伝達関数Hc(s)、リミタ47の伝達関数Hlim(s)も伝達関数Hout(s)と同様に、該当外の電圧源や電流源をゼロとして一入力のみによって求めている。このようにして求めた伝達関数Hout(s)、伝達関数Hc(s)、および伝達関数Hlim(s)は、それぞれ以下の式で表される。 In Expression (7), the transfer function H out (s) is a voltage v c (s) other than the DC output voltage V out (s), a reference voltage V ref (s), a current I lim (s) flowing through the limiter, and the like. This is a transfer function showing the influence of only the DC output voltage V out (s) on the input v i (s), with the values of the voltage source and the current source of zero being zero. Here, each transfer function, voltage, and current are described by an S function. Similarly to the transfer function H out (s), the transfer function H c (s) from the output section of the error amplifier 46 and the transfer function H lim (s) of the limiter 47 are set to zero when the corresponding voltage source or current source is zero. Seeking only by input. The transfer function H out (s), the transfer function H c (s), and the transfer function H lim (s) thus obtained are each expressed by the following equations.

Figure 0005219078
Figure 0005219078

ただし、ZCR=Reff+1/sCeffである。またMlim47は誤差アンプ46の出力端子の電圧vcが大にならないようにするためのリミタである。また、抵抗41(Rf1),抵抗42(Rf2)は直流出力電圧Voutを分圧する抵抗であり、抵抗48(Rf3)は誤差アンプ46に入力端に接続する入力抵抗であり、電圧源45(Vref)は参照電圧源である。容量43(Cerr),抵抗44(Rerr)は誤差アンプ46の帰還路を構成している。 However, a Z CR = R eff + 1 / sC eff. The M lim 47 is a limiter for such voltage v c of the output terminal of the error amplifier 46 does not become large. A resistor 41 (R f1 ) and a resistor 42 (R f2 ) are resistors that divide the DC output voltage V out , and a resistor 48 (R f3 ) is an input resistor connected to the input terminal of the error amplifier 46. The source 45 (V ref ) is a reference voltage source. The capacitor 43 (C err ) and the resistor 44 (R err ) constitute a feedback path for the error amplifier 46.

ここで、リミタ47が動作した場合には、

Figure 0005219078
の電流が流れる。ただしβlimはリミタ47のトランジスタの定数(ゲート係数と呼ばれる)である。 Here, when the limiter 47 operates,
Figure 0005219078
Current flows. Here, β lim is a constant of the transistor of the limiter 47 (called a gate coefficient).

図5は、式(7)を用いて誤差増幅器部40をMATLAB(登録商標)上でモデル化した図である。誤差アンプ46は電圧増幅部分(電圧増幅度−K1)と低域通過フィルタ部分(LPF)の従属接続でモデル化することができる。それ以外の部分は、式(7)に従って構成した例を示している。   FIG. 5 is a diagram in which the error amplifier section 40 is modeled on MATLAB (registered trademark) using the equation (7). The error amplifier 46 can be modeled by a subordinate connection of a voltage amplification part (voltage amplification degree -K1) and a low-pass filter part (LPF). The other part is an example configured according to the equation (7).

次に、ディジタル制御回路ブロック1について説明する。図6は、本発明を適用するスイッチング電源回路のディジタル制御回路10をブロック化した回路ブロックを示した図である。図6は、図12におけるディジタル制御回路10をブール代数を基本として表現している。ディジタル制御回路ブロック1は、NOT(1b)、AND(1c)、×(積)(1e)、S−Rフリップフロップ(1d)、比較結果を判定する>=0機能(1a)により構成され、その出力はVLXで示している。これらは、実回路においてもディジタル回路の基本回路である。 Next, the digital control circuit block 1 will be described. FIG. 6 is a diagram showing a circuit block obtained by blocking the digital control circuit 10 of the switching power supply circuit to which the present invention is applied. FIG. 6 represents the digital control circuit 10 in FIG. 12 based on Boolean algebra. The digital control circuit block 1 includes NOT (1b), AND (1c), x (product) (1e), S-R flip-flop (1d), and a comparison result> = 0 function (1a). The output is indicated by V LX . These are basic circuits of a digital circuit even in an actual circuit.

なおOSC(発振器)はトリガ機能を担うだけであるため、OSCに限らず任意の繰り返しパルス波形を用いることができる。   Since the OSC (oscillator) only has a trigger function, not only OSC but also an arbitrary repetitive pulse waveform can be used.

また、図12中の比較器30の機能については、引き算によってモデル化することができる。なお、この引き算によるモデル化の構成は図6には示していない。図6中の比較動作1aは、比較器30の機能の出力vfを零と比較する構成部である。図7は、図6で示す各部分の信号を示している。図7(c)に示す比較結果は、比較器30の出力vfと零との比較結果であり、この論理値に応じてR−Sフリップフロップの出力Qのオンとなる期間が制御されて電圧Vinが出力される期間が制御され、スイッチング回路のスイッチングトランジスタの出力電圧VLXが制御される。 Further, the function of the comparator 30 in FIG. 12 can be modeled by subtraction. Note that the structure of modeling by subtraction is not shown in FIG. The comparison operation 1a in FIG. 6 is a component that compares the output v f of the function of the comparator 30 with zero. FIG. 7 shows signals of the respective parts shown in FIG. The comparison result shown in FIG. 7C is a comparison result between the output v f of the comparator 30 and zero, and the period during which the output Q of the RS flip-flop is turned on is controlled according to this logical value. a period in which the voltage V in is output is controlled, the output voltage V LX of the switching transistor of the switching circuit is controlled.

本構成によれば、単純な論理演算だけで出力電圧VLXが求まる。アナログ回路のシミュレーションに用いるSPICE(登録商標)回路シミュレーションプログラムを使って計算する場合には、クロック波形の時間軸に沿って解析が行われるため、波形が急峻に変化する度に細かく時間を区切って計算をする必要があり、そのため膨大な計算時間となる。 According to this configuration, the output voltage V LX can be obtained only by a simple logical operation. When calculating using the SPICE (registered trademark) circuit simulation program used for analog circuit simulation, the analysis is performed along the time axis of the clock waveform. Therefore, every time the waveform changes sharply, the time is divided finely. It is necessary to make calculations, which results in enormous calculation time.

これに対して、本構成によれば実際の波形と違って理想的な波形を考えて処理することができ、VLXに求められるのは出力トランジスタのオン・オフ制御であって簡単な機能であるため誤差も影響しにくいという効果も奏することができる。 On the other hand, according to this configuration, an ideal waveform can be considered and processed unlike an actual waveform, and V LX is required to control output transistors on and off with a simple function. Therefore, there is an effect that an error is hardly affected.

次に、電流検出回路ブロック5について説明する。図8は、本発明を適用するスイッチング電源回路の電流検出回路50を示した図である。図8には図12のインダクタ21に流れる電流をコピーして電流帰還ループの制御電圧として変換する回路を示している。   Next, the current detection circuit block 5 will be described. FIG. 8 is a diagram showing a current detection circuit 50 of a switching power supply circuit to which the present invention is applied. FIG. 8 shows a circuit that copies the current flowing through the inductor 21 of FIG. 12 and converts it as a control voltage of the current feedback loop.

図8において、PMOSトランジスタMpc(513)は、出カトランジスタMpと素子サイズが異なるのみで他の条件は同一のトランジスタである。アンプA1(514)とMpcfb(515)の働きでcf1とcf2の端子電圧が等しくなるので、電流iLが流れている状態ではMpに流れる電流が素子サイズの比でMpc(513)にコピーされる。Mpc(513)に流れる電流は抵抗Rcfb(516)に流れて、制御電圧vcfbに変換される。 In FIG. 8, the PMOS transistor M pc (513) is the same as the output transistor Mp except that the element size is different. Since the terminal voltage of the c f1 and c f2 equals amplifier A1 and (514) by the action of the M pcfb (515), the ratio of the current element size flowing to M p in a state in which the current i L flows M pc ( 513). The current flowing through M pc (513) flows through the resistor R cfb (516) and is converted into the control voltage v cfb .

図8ではアンプは電圧増幅度A1を持つ素子として扱い、周波数特性は考慮していない。しかしながら、トランジスタMpcは線形領域で動作するため、その出力コンダクタンスgdsmpcは変換比に影響する。またトランジスタMpcfbの伝達コンダクタンスgmcfbも変換比に影響する。これらは回路構成より考えられる影響と言える。それらの影響を考慮すれば、

Figure 0005219078
で表される。 In FIG. 8, the amplifier is treated as an element having a voltage amplification degree A1, and frequency characteristics are not considered. However, since the transistor M pc operates in the linear region, its output conductance g dsmpc affects the conversion ratio. Also affects the conversion ratio transconductance g Mcfb transistor M pcfb. These can be said to be a possible effect from the circuit configuration. Given their impact,
Figure 0005219078
It is represented by

実際にはスイッチSW1(511)、SW2(512)の影響を考慮し、また出カトランジスタMpがオンの場合はスイッチSW1(511)がオン、SW2(512)がオフとなり(図9の1の場合)、その他の場合はSW1がオフ、SW2がオンする(図9の2の場合)2つの状態が考えられるので、モデル図は図9のようになる。 Actually, the influence of the switches SW1 (511) and SW2 (512) is taken into consideration. When the output transistor M p is on, the switch SW1 (511) is on and the SW2 (512) is off (1 in FIG. 9). In the other cases, SW1 is turned off and SW2 is turned on (in the case of 2 in FIG. 9), and two states are conceivable, so the model diagram is as shown in FIG.

図9は、電流検出回路をモデル化した回路ブロックを示し、電流検出回路ブロック5は、トランジスタMpの伝達コンダクタンスgdsmp(5a)、スイッチSWの伝達コンダクタンスgdsssw(5b)、抵抗Rcfb(5d,5e)、倍率(5c)等で記述することができる。 Figure 9 shows a circuit block that models the current detection circuit, the current detection circuit block 5, the transconductance g Dsmp transistor M p (5a), the transfer switch SW conductance g dsssw (5b), the resistor R cfb ( 5d, 5e), magnification (5c), etc.

なお、gdsswはスイッチSW1およびSW2のコンダクタンス、irefは一定の電流値、×10は10倍する機能を表している。また、Kをあらかじめ求めておけば、図9中の1の場合および2の場合について、vcfbを容易に計算することができる。 Here , g dssw represents the conductance of the switches SW1 and SW2, i ref represents a constant current value, and x10 represents a function of multiplying by 10. Further, if K is obtained in advance, v cfb can be easily calculated for the cases 1 and 2 in FIG.

次に、図10,図11を用いてシミュレーションの実施例を示し、本発明による効果を示す。   Next, an example of the simulation is shown using FIGS. 10 and 11, and the effect of the present invention is shown.

図10には、図12に示す回路構成を、通常のSPICE(登録商標)回路シミュレーションプログラムにより構成した回路(以下SPICE(登録商標)の回路と言う)と、本発明による数値演算用のプログラムとしてマトラボ(MATLAB(登録商標))を用いて構成した回路(以下MATLAB(登録商標)の回路と言う)の2種類のプログラムを用いて、図12の回路の電源を0Vから3Vまで立ち上げた場合の直流出力電圧Voutの変化をシミュレートした結果を示している。 FIG. 10 shows a circuit configured by the normal SPICE (registered trademark) circuit simulation program (hereinafter referred to as a SPICE (registered trademark) circuit) and the numerical calculation program according to the present invention. When the power supply of the circuit in FIG. 12 is raised from 0 V to 3 V using two types of programs of a circuit (hereinafter referred to as a MATLAB circuit) that is configured using matlab (MATLAB (registered trademark)) The result of having simulated the change of DC output voltage Vout of this is shown.

図10では時刻t=0〜20μSでVinを立ち上げ、過渡解析の時間間隔を1nSとして直流出力電圧Voutの電圧変化を100μSまで観測したものを示している。なお、シミュレーション条件は、OSC、参照電圧、および参照電流は理想状態とし、注入信号を印加しないものとし、Vin=3V、Vout=2V、Vref=0.5V、出力電流は100mAとしている。 In FIG. 10, V in is raised at time t = 0 to 20 μS, the time interval of transient analysis is set to 1 nS, and the change in the DC output voltage V out is observed up to 100 μS. The simulation conditions are that the OSC, the reference voltage, and the reference current are in an ideal state, the injection signal is not applied, V in = 3 V, V out = 2 V, V ref = 0.5 V, and the output current is 100 mA. .

図10では、SPICE(登録商標)の回路による結果とMATLAB(登録商標)の回路による結果は、ほぼ同じであることを示している。   FIG. 10 shows that the result of the SPICE (registered trademark) circuit and the result of the MATLAB (registered trademark) circuit are substantially the same.

本過渡解析において、SPICE(登録商標)の回路では約3,600秒のCPU時間を要したが、MATLAB(登録商標)の回路では約25秒ほどであった。これは本発明の手法が、100倍以上の高速化を達成できることを意味している。   In the transient analysis, the SPICE (registered trademark) circuit required about 3,600 seconds of CPU time, but the MATLAB (registered trademark) circuit took about 25 seconds. This means that the method of the present invention can achieve a speed increase of 100 times or more.

図11は図12の回路の周波数特性を示す図である。周波数特性は、図12において直流出力電圧Voutと誤差増幅器部40のマイナス(−)端子間に50Ω程の低抵抗を接続し、この低抵抗の両端に誤差増幅器部40のマイナス入力端子側が正となるような信号を加えて直流出力電圧Voutに現れる信号成分を観測することで得られる。すなわち、等価的にループを切り離して開ループ特性を評価している。図11(a)は振幅特性を示し、図11(b)は位相特性を示している。 FIG. 11 is a diagram showing frequency characteristics of the circuit of FIG. In FIG. 12, a low resistance of about 50Ω is connected between the DC output voltage V out and the negative (−) terminal of the error amplifier section 40 in FIG. 12, and the negative input terminal side of the error amplifier section 40 is positive at both ends of the low resistance. And a signal component appearing in the DC output voltage Vout is observed. That is, the open loop characteristics are evaluated by equivalently cutting the loop. FIG. 11A shows the amplitude characteristics, and FIG. 11B shows the phase characteristics.

図11において、濃い実線がMATLAB(本発明の手法でプログラム)を使用したシミュレーション値を表し、薄い実線は図12の回路を0.35μmCMOSプロセスを用いて実際に試作したICチップより得られた実測値を表している。また、×印はSPICE(登録商標)によるシミュレーション値を表している。図12の回路を5MHzのクロックで動作させた時の特性を示している。   In FIG. 11, the dark solid line represents a simulation value using MATLAB (programmed by the method of the present invention), and the thin solid line represents an actual measurement obtained from an IC chip in which the circuit of FIG. 12 was actually prototyped using a 0.35 μm CMOS process. Represents a value. Further, a cross indicates a simulation value by SPICE (registered trademark). 13 shows characteristics when the circuit of FIG. 12 is operated with a 5 MHz clock.

図11によれば、振幅特性および位相特性のシミュレーション値が実測値に良好に合致していることが観察される。ただし。クロック信号の周期が5MHzであるため、特性は2.5MHzまでしか有効ではない。また、SPICE(登録商標)での解析は少なくとも1時間/1点の時間を要するため、図11では4点しか表していない。   According to FIG. 11, it is observed that the simulation values of the amplitude characteristic and the phase characteristic are in good agreement with the actual measurement values. However. Since the period of the clock signal is 5 MHz, the characteristics are only valid up to 2.5 MHz. Moreover, since the analysis by SPICE (registered trademark) requires at least one hour / one point, only four points are shown in FIG.

なお、図11において、全体の周波数特性を計算する時間は、MATLAB(登録商標)上でのシミュレーションでは約25分を要した。   In FIG. 11, the time for calculating the overall frequency characteristics required about 25 minutes in the simulation on MATLAB (registered trademark).

以上のように、図11での比較によれば、本発明の手法を適用してMATLAB(登録商標)の数値演算プログラムを用いれば、図12の回路の周波数特性を従来の手法と同程度の精度で高速にシミュレーションすることができる。   As described above, according to the comparison in FIG. 11, if the numerical calculation program of MATLAB (registered trademark) is used by applying the method of the present invention, the frequency characteristics of the circuit in FIG. Simulation can be performed at high speed with accuracy.

本発明の数値演算によるシミュレーション方法は、DC−DCコンバータに代表されるスイッチング電源の設計に利用することができ、従来の手法に比べて同様の精度で、短時間で回路シミュレーションを行うことができるため、設計の効率を大幅に向上させることができる。   The simulation method by numerical operation of the present invention can be used for designing a switching power supply represented by a DC-DC converter, and can perform circuit simulation in a short time with the same accuracy as the conventional method. Therefore, the design efficiency can be greatly improved.

本発明の数値演算によるシミュレーション方法は、DC−DCコンバータに代表されるスイッチング電源の設計に利用する他、パルス波形や急激な電圧変化や電流変化を持つ信号波形を処理する回路に適用することができ、アナログ回路とディジタル回路が混在する回路のシミュレーションに適用することができる。   The simulation method according to the present invention can be applied to a circuit for processing a pulse waveform, a signal waveform having a sudden voltage change or a current change, in addition to being used for designing a switching power supply represented by a DC-DC converter. It can be applied to simulation of a circuit in which analog circuits and digital circuits are mixed.

本発明のスイッチング電源回路をモデル化して形成されたブロック構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the block structure formed by modeling the switching power supply circuit of this invention. 本発明を適用するスイッチング電源回路のスイッチング回路の出力トランジスタ、出力平滑回路、および負荷の部分を示す図である。It is a figure which shows the part of the output transistor, output smoothing circuit, and load of the switching circuit of the switching power supply circuit to which this invention is applied. 数値演算するためのプログラムの入力例である。It is an example of the input of the program for calculating numerical values. 本発明を適用するスイッチング電源回路の誤差増幅器部を示した図である。It is the figure which showed the error amplifier part of the switching power supply circuit to which this invention is applied. 本発明により誤差増幅器部をモデル化した回路ブロックを示した図である。It is the figure which showed the circuit block which modeled the error amplifier part by this invention. 本発明によりディジタル制御回路をモデル化した回路ブロックを示した図である。It is the figure which showed the circuit block which modeled the digital control circuit by this invention. ディジタル制御回路の回路ブロックの各部分の信号を示す図である。It is a figure which shows the signal of each part of the circuit block of a digital control circuit. 本発明を適用するスイッチング電源回路の電流検出回路を示した図である。It is the figure which showed the current detection circuit of the switching power supply circuit to which this invention is applied. 本発明により、電流検出回路をモデル化した回路ブロックを示した図である。It is the figure which showed the circuit block which modeled the current detection circuit by this invention. 本発明による手法をMATLAB(登録商標)上に適用したプログラムと、従来のSPICE(登録商標)プログラムとで同一回路構成の過渡解析を行い、実行時間を比較した図である。It is the figure which performed the transient analysis of the same circuit structure by the program which applied the method by this invention on MATLAB (trademark), and the conventional SPICE (trademark) program, and compared execution time. 回路の周波数特性を、本発明による手法をMATLAB(登録商標)上に適用したプログラムと、従来のSPICE(登録商標)プログラムと、試作した実測値とを比較した図である。It is the figure which compared the frequency characteristic of a circuit with the program which applied the method by this invention on MATLAB (trademark), the conventional SPICE (trademark) program, and the measured value made as an experiment. LSI化降圧形DC−DCコンバータ(Vin>Vout)の構成図を示す図である。It illustrates a block diagram of an LSI buck DC-DC converter (V in> V out).

符号の説明Explanation of symbols

1 ディジタル制御回路ブロック
2 出力平滑回路ブロック
3 比較ブロック
4 誤差増幅器ブロック
5 電流検出回路ブロック
6 スイッチング回路ブロック
10 ディジタル制御回路
20 出力平滑回路
21 インダクタ
30 比較器
40 誤差増幅器部
45 参照電圧源
46 誤差アンプ
47 リミタ
50 電流検出器
51 スロープ補償
60 スイッチング回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Digital control circuit block 2 Output smoothing circuit block 3 Comparison block 4 Error amplifier block 5 Current detection circuit block 6 Switching circuit block 10 Digital control circuit 20 Output smoothing circuit 21 Inductor 30 Comparator 40 Error amplifier part 45 Reference voltage source 46 Error amplifier 47 Limiter 50 Current detector 51 Slope compensation 60 Switching circuit

Claims (3)

アナログ回路の動作を数値演算によってシミュレートする方法であって、
アナログ回路を複数の回路ブロックに分割し、
当該分割した回路ブロックにおいて、
出力を求めるために時間変化を解析する過渡解析を要する回路ブロックについて、
回路ブロック内の電圧および電流を変数とし、前記変数を微分した微分変数を含む状態方程式を用いて記述して数値演算のための演算ブロックを形成し、当該演算ブロックによって回路ブロックをモデル化し、微分変数を含む状態方程式を数値演算で解くことによって当該回路ブロックの出力の時間変化を求め、
前記過渡解析を要さない回路ブロックについて、
当該回路ブロックのアナログ能動要素に入力する電圧源および又は電流源について、前記電圧源又は電流源が単独で存在するときの伝達関数を、当該電圧源又は電流源からアナログ能動要素までをS関数で記述し、当該伝達関数とS関数で記述した前記電圧源の電圧又は電流源の電流との積の和を求め、この積の和を重ねの理によってアナログ能動要素の入力信号として記述し、
前記アナログ能動要素の伝達関数をS関数で記述し、
前記入力信号の伝達関数と前記アナログ能動要素の伝達関数との積によって回路ブロックの総合的な伝達関数を記述して数値演算のための演算ブロックを形成し、当該演算ブロックによって回路ブロックをモデル化し、前記総合的な伝達関数をラプラス逆変換することによって回路ブロックの出力の時間変化を求め、
前記時間変化を求める処理をコンピュータで実行することを特徴とする、アナログ回路の数値演算によるシミュレーション方法。
A method of simulating the operation of an analog circuit by numerical calculation,
Divide analog circuit into multiple circuit blocks,
In the divided circuit block,
For circuit blocks that require transient analysis to analyze temporal changes to obtain output,
Using the voltage and current in the circuit block as variables and describing them using a state equation that includes a differential variable obtained by differentiating the variables, an operation block for numerical operation is formed, and the circuit block is modeled by the operation block. Find the time change of the output of the circuit block by solving the state equation including variables by numerical calculation,
For circuit blocks that do not require transient analysis,
With respect to the voltage source and / or current source input to the analog active element of the circuit block, the transfer function when the voltage source or current source exists alone is represented by the S function from the voltage source or current source to the analog active element. A sum of products of the voltage source voltage or the current source current described by the transfer function and the S function, and describing the sum of the products as an input signal of the analog active element by superposition
The transfer function of the analog active element is described as an S function,
The overall transfer function of the circuit block is described by the product of the transfer function of the input signal and the transfer function of the analog active element to form an operation block for numerical operation, and the circuit block is modeled by the operation block. , By calculating the time change of the output of the circuit block by inversely transforming the overall transfer function,
A simulation method by numerical calculation of an analog circuit, wherein the process for obtaining the time change is executed by a computer .
入力直流電圧をスイッチングして電圧パルスを出力するスイッチング回路と
前記電圧パルスを平滑化して負荷に供給する出力平滑回路と、
前記出力平滑回路の出力電圧と参照電圧の差分電圧を入力信号とし、当該入力信号を電圧増幅し、低域通過させた電圧を出力し、リミタ電流を出力端から入力端に帰還する誤差増幅器と、
前記出力平滑回路に流れる電流を検出し、当該電流を電圧変換して出力する前記電流検出回路と、
誤差増幅器出力電圧と電流検出回路の出力電圧とを比較する比較器を備え、
前記スイッチング回路のスイッチング期間を制御するディジタル制御回路とを備えるスイッチング電源回路の動作を数値演算によってシミュレートする方法であって、
前記出力平滑回路は、前記スイッチング回路を構成する出力トランジスタの出力電圧と負荷電流とを入力信号とし、
前記出力平滑回路の出力電圧と当該出力平滑回路が備えるインダクタンス素子に流れる電流とを出力信号とし、
当該出力平滑回路が備える容量素子の両端の電圧と前記インダクタンス素子に流れる電流を変数とし、前記変数を微分した微分変数を含む状態方程式を用いて前記出力平滑回路を記述して数値演算を行う演算ブロックを形成し、当該演算ブロックを用いてスイッチング回路および出力平滑回路をモデル化し、
前記インダクタンス素子を流れる電流および前記出力平滑回路の出力直流電圧の時間変化を求め、
前記誤差増幅器は、
入力信号電圧源から前記誤差増幅器の入力端までの伝達関数と、
出力信号電圧源から前記誤差増幅器の入力端までの伝達関数と、
参照電圧源から前記誤差増幅器の入力端までの伝達関数と、
入力端と出力端との間に接続されたダイオードリミタに流れる電流を表すリミタ電流源から前記誤差増幅器の入力端までの伝達関数とについて、それぞれが単独で存在するときの伝達関数をS関数で記述し、
当該各伝達関数とS関数で記述した前記入力信号電圧源、出力信号電圧源、参照電圧源、リミタ電流源の電圧又は電流源の電流との積の和を求め、この積の和を重ねの理によって誤差増幅器の入力信号として記述し、
前記誤差増幅器の伝達関数をS関数で記述し、
前記入力信号のS関数と前記誤差増幅器の伝達関数との積によって誤差増幅器の総合的な伝達関数を記述して数値演算を行う演算ブロックを形成し、当該演算ブロックを用いて誤差増幅器をモデル化し、
前記総合的な伝達関数をラプラス逆変換することによって誤差増幅器の出力の時間変化を求め、
前記電流検出回路は、
前記スイッチングトランジスタに流れる電流に対して所定比率の電流を流す検出用トランジスタを前記スイッチングトランジスタに並列接続し、
前記検出用トランジスタに流れる電流と抵抗との積によって記述して数値演算を行う演算ブロックを形成し、当該演算ブロックを用いて電流検出回路をモデル化し、
前記所定比率と前記抵抗との積を一定値の電流−電圧変換係数として数値演算を行うことによって電流を検出し、
前記時間変化を求める処理をコンピュータで実行し、前記スイッチング回路と前記出力平滑回路と前記誤差増幅器と前記電流検出回路の各アナログ回路の動作を数値演算によってシミュレートすることを特徴とする、スイッチング電源回路の数値演算によるシミュレーション方法。
A switching circuit that switches input DC voltage and outputs a voltage pulse; an output smoothing circuit that smoothes the voltage pulse and supplies the voltage pulse to a load;
An error amplifier that takes a differential voltage between an output voltage of the output smoothing circuit and a reference voltage as an input signal, amplifies the input signal, outputs a low-pass voltage, and feeds back a limiter current from the output terminal to the input terminal. ,
Detecting the current flowing in the output smoothing circuit, converting the current into a voltage and outputting the current; and
Comparing the error amplifier output voltage and the output voltage of the current detection circuit,
A method of simulating the operation of a switching power supply circuit comprising a digital control circuit for controlling a switching period of the switching circuit by numerical calculation,
The output smoothing circuit uses an output voltage and a load current of an output transistor constituting the switching circuit as input signals,
The output voltage of the output smoothing circuit and the current flowing through the inductance element included in the output smoothing circuit are output signals,
An arithmetic operation that describes the output smoothing circuit using a state equation that includes a differential variable obtained by differentiating the variable, using the voltage across the capacitive element included in the output smoothing circuit and the current flowing through the inductance element as variables. Forming a block and modeling the switching circuit and the output smoothing circuit using the operation block,
Obtain the time change of the current flowing through the inductance element and the output DC voltage of the output smoothing circuit,
The error amplifier is
A transfer function from the input signal voltage source to the input of the error amplifier;
A transfer function from the output signal voltage source to the input of the error amplifier;
A transfer function from a reference voltage source to the input of the error amplifier;
For the transfer function from the limiter current source representing the current flowing in the diode limiter connected between the input end and the output end to the input end of the error amplifier, the transfer function when each exists independently is expressed as S function. Describe,
The sum of the product of each of the transfer functions and the input signal voltage source, the output signal voltage source, the reference voltage source, the voltage of the limiter current source or the current of the current source described by the S function is obtained. Described as an error amplifier input signal by reason,
The transfer function of the error amplifier is described as an S function,
An arithmetic block for performing a numerical operation is described by describing a total transfer function of the error amplifier by a product of the S function of the input signal and the transfer function of the error amplifier, and the error amplifier is modeled using the arithmetic block. ,
Obtain the time change of the output of the error amplifier by inversely transforming the overall transfer function Laplace,
The current detection circuit includes:
A detection transistor for flowing a current of a predetermined ratio with respect to the current flowing through the switching transistor is connected in parallel to the switching transistor,
A calculation block that performs numerical calculation by describing the product of the current flowing through the detection transistor and the resistance is formed, and a current detection circuit is modeled using the calculation block.
A current is detected by performing a numerical calculation using a product of the predetermined ratio and the resistance as a constant value current-voltage conversion coefficient ,
A switching power supply characterized in that the processing for obtaining the time change is executed by a computer, and the operation of each analog circuit of the switching circuit, the output smoothing circuit, the error amplifier, and the current detection circuit is simulated by numerical operation. A simulation method by numerical computation of a circuit.
入力直流電圧をスイッチングして電圧パルスを出力するスイッチング回路と、
前記電圧パルスを平滑化して負荷に供給する出力平滑回路と、
前記出力平滑回路の出力電圧と参照電圧の差分電圧を入力信号とし、当該入力信号を電圧増幅し、低域通過させた電圧を出力し、リミタ電流を出力端から入力端に帰還する誤差増幅器と、
前記出力平滑回路に流れる電流を検出し、当該電流を電圧変換して前記電流検出回路と、
前記スイッチング回路のスイッチング期間を制御するディジタル制御回路とを備えるスイッチング電源回路において、
入力信号電圧と参照電圧の差分電圧を入力信号とし、当該入力信号を電圧増幅し、低域通過させた電圧を出力し、リミタ電流を出力端から入力端に帰還する誤差増幅器の周波数特性を数値演算によってシミュレートする方法であって、
入力信号電圧源から前記誤差増幅器の入力端までの伝達関数と、
出力信号電圧源から前記誤差増幅器の入力端までの伝達関数と、
参照電圧源から前記誤差増幅器の入力端までの伝達関数と、
入力端と出力端との間に接続されたダイオードリミタに流れる電流を表すリミタ電流源から前記誤差増幅器の入力端までの伝達関数とについて、それぞれが単独で存在するときの伝達関数をS関数で記述し、
当該各伝達関数とS関数で記述した前記入力信号電圧源、出力信号電圧源、参照電圧源、リミタ電流源の電圧又は電流源の電流との積の和を求め、この積の和を重ねの理によって誤差増幅器の入力信号として記述し、
前記誤差増幅器の伝達関数をS関数で記述し、
前記入力信号のS関数と前記誤差増幅器の伝達関数との積によって誤差増幅器の総合的な伝達関数を記述して数値演算を行う演算ブロックを形成し、当該演算ブロックを用いて誤差増幅器をモデル化し、
前記総合的な伝達関数をラプラス逆変換することによって誤差増幅器の出力の時間変化を求め、
前記時間変化を求める処理をコンピュータで実行することを特徴とする、誤差増幅器の数値演算によるシミュレーション方法。
A switching circuit that switches input DC voltage and outputs a voltage pulse;
An output smoothing circuit that smoothes the voltage pulse and supplies the load to a load;
An error amplifier that takes a differential voltage between an output voltage of the output smoothing circuit and a reference voltage as an input signal, amplifies the input signal, outputs a low-pass voltage, and feeds back a limiter current from the output terminal to the input terminal. ,
A current flowing in the output smoothing circuit is detected, the current is converted into a voltage, and the current detection circuit;
In a switching power supply circuit comprising a digital control circuit for controlling a switching period of the switching circuit,
The difference voltage between the input signal voltage and the reference voltage is used as an input signal, the input signal is voltage amplified, the low-pass voltage is output, and the frequency characteristics of the error amplifier that feeds back the limiter current from the output terminal to the input terminal are numerical values. A method of simulating by computation,
A transfer function from the input signal voltage source to the input of the error amplifier;
A transfer function from the output signal voltage source to the input of the error amplifier;
A transfer function from a reference voltage source to the input of the error amplifier;
For the transfer function from the limiter current source representing the current flowing in the diode limiter connected between the input end and the output end to the input end of the error amplifier, the transfer function when each exists independently is expressed as S function. Describe,
The sum of the product of each of the transfer functions and the input signal voltage source, the output signal voltage source, the reference voltage source, the voltage of the limiter current source or the current of the current source described by the S function is obtained. Described as an error amplifier input signal by reason,
The transfer function of the error amplifier is described as an S function,
An arithmetic block for performing a numerical operation is described by describing a total transfer function of the error amplifier by a product of the S function of the input signal and the transfer function of the error amplifier, and the error amplifier is modeled using the arithmetic block. ,
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