信頼性学会発表原稿 20 feb2015

回路解析シミュレーションによるトラブル対応及び原因不明クレーム対応－誤動作や異常波形の原因解明と再発防止－

2015 年 2 月 20 日マルツエレック株式会社堀米　毅

1. 回路解析シミュレーションとは2. 回路解析シミュレーションが活用される業界分野3. 回路解析シミュレーションの活用事例4. 故障解析手法5. 故障解析事例6. 直近の研究テーマ

1Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015

SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) は電子回路のデジタル及びアナログ動作をシミュレーションするソフトウェアです。カリフォルニア大学バークレー校で 1973 年に開発され、 EDA ベンダーが改善し、現在に至っています。当初は、半導体集積回路に使用する電子回路開発で活用されていたが、等価回路技術の向上により、適応される電子回路分野が小信号からパワーエレクトロニクスまで拡大しています。

1. 回路解析シミュレーションとは


代表的な SPICEのソフトウェア【有償】 PSpice( ケイデンス ) 　汎用性が高い HSPICE( シノプシス ) 　半導体集積回路に特化している【無償】 LTspice( リニアテクノロジー ) 　汎用性が高い回路解析シミュレーションに必要な構成

SPICE のソフトウェア＋採用する電子部品の SPICE モデル

1. 回路解析シミュレーションとは


解析の種類説明コマンド過渡解析時間軸の解析 .tran

AC 解析周波数軸の解析 .ac

DC 解析電圧源及び電流源を掃引した解析 .dc

基本的な解析機能

追加的な解析機能解析の種類説明コマンド

パラメトリック解析

任意のパラメータを振って解析ができる。

.step param

モンテカルロ解析

任意のパラメータを対象にモンテカルロ解析ができる。

N/A

半導体メーカー及び電子部品メーカー ( サプライヤ企業 )

電子機器メーカー

自動車メーカー

社会インフラメーカー

(1) 最終顧客への自社製品の SPICE モデルの提供(2) 自社製品のアプリケーション回路開発

(1) 研究開発及び設計(2) 故障解析 ( 市場クレームの原因解析 )キーワード：電源回路、インバータ回路、モーター駆動回路、 LED 照明回路及び電池回路

(1) 研究開発及び設計キーワード： AC モーター駆動回路、インバータ回路、 LED 照明回路 HEV 、 EV 、　　　　　　　二次電池、燃料電池及び回生回路(2) アイディアの評価検証

(1) 全体システム回路設計(2) 故障解析 ( 大規模システムのメンテナンス )キーワード：太陽電池システム、スマートグリッドシステム、二次電池


2. 回路解析シミュレーションが活用される業界分野

【環境発電 ( エナジーハーベスト ) 分野】発電デバイス + ハーベスト IC+ アプリケーション回路

【生体信号分野】⇒ 人体の SPICE モデル＋電子回路シミュレーション(1) 心臓(2) 脳＋神経(3) 血液【教育分野】(1) 実務向けオンサイトセミナー⇒ 企業向け教育プログラムの提供及び実施(2) 教育用プログラム⇒LTspice で回路学習 + キットで実機学習

光起電力 ( 太陽電池 )振動発電 (ピエゾ素子 )

温度差発電 (ペルチェ素子 )

＋ハーベスト IC ＋アプリケーション回路



回路解析シミュレータの用途は、多様化しています。(1) 研究開発　　①次世代半導体のデバイスモデリング及びアプリケーション開発　　②システム開発及び回路開発の回路動作現象(2) 回路設計　　①アプリケーション開発　　②トポロジーの開発及び選定　　③回路設計及び回路動作検証　　④損失計算　　⑤ノイズ検証　　⑥熱解析(3) クレーム解析　　①故障解析　　②オープン・ショート　　③想定外使用　　④サージ解析



Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 7

昇圧回路

昇圧回路のタイミングチャート

①VCTRL①

②

②IL

③

③VL

④

⑤

⑥IF

⑤VDS

⑥

④ID

⑦

3. 回路解析シミュレーションの活用事例トポロジー ( 回路方式 )

【 M1 が ON の場合】L1 のコイルにエネルギーが蓄積される。【 M1 が OFF の場合】L1 のコイルにエネルギーが放出される。

8

昇圧回路シミュレーションの回路図

http://youtu.be/KZdb6drG408

Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015


http://youtu.be/KZdb6drG408

9

昇圧回路出力波形のシミュレーション結果Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015


10

昇圧回路シミュレーション結果 (MOSFET:M1)



11

昇圧回路シミュレーション結果 (Diode:D1)



DCDC コンバータによる昇圧回路

E S R

I NL

1 2

R lo a d

O U T

R 1

R 2

Q 1Q N _ S W

V +

0

C o u t

D 1

PWM ControlCircuit PWM output

pulse

VOUT=9V

tON tOFF

VIN=5VL: IL


3. 回路解析シミュレーションの活用事例詳細設計

C L P1 0 0 p F

R f5 6 0 k

E S R0 . 1 0 3

C in2 2 0 u F

L

1 5 0 u

1 2

R lo a d

1 8 0

R 19 . 1 k

R 21 5 0 k

Q 1Q 2 S D 2 6 2 3

O U TR 3

0 .8

U 1N J M 2 3 7 7

-IN

FB

GN

DO

UT

V+

CS

CT

RE

F

R t2 4 k

C t4 7 0 p FI C = 0

D 1H R U 0 3 0 2 A

0V +

5 V

0

I N

C o u t

2 2 0 u F

R s f1 6 0 k

C S4 . 7 u FI C = 0

0

R s r1 8 0 k

0

トポロジー ( 回路方式 )

詳細設計

Time

86.810ms 86.816ms 86.822ms 86.828msI(L)

0A

50mA

100mA

150mA

200mA

(86.818m,140.985m)

(86.821m,40.531m)

• PSpice is used to verify the circuit design.

• IL, PK=140.985mA and IL,PK=140.985m-40.531m=100.454mA

• IL, PK is calculated as below.

• And the current ripple - IL, PK is calculated as below

140mA2.96μ150μ25

50.059

2

ONIN

IN

OUTOUTL,PK t

LV

VIVI

mA992.96μ150μ

5

ONIN

L,PK tLVΔI

•Add trace I(L)•Zoom to check the peak value.

IL, PK


3. 回路解析シミュレーションの活用事例詳細設計 (昇圧用コイル )

• PSpice is used to verify the circuit design.

• IL,PK=101.168mA, ton=3μs.

• Vripple =14.8mVp-p

• Irms*=53.856mArms.

Irms is larger than calculated value due to feedback loop response ripple current.

Time

87.5484ms 87.5684msV(OUT)

9.06V

9.07V

9.08V

9.09V

SEL>>

(87.556m,9.0792)

(87.553m,9.0644)

I(L) rms(I(Cout))0A

100mA

200mA(87.556m,141.564m)

(87.553m,40.396m)

• COUT is determined from the Vripple Spec (30mVp-p).

• If COUT >> IOUTton/Vripple (50m2.96μ/30m=4.933μF), Vripple will mainly caused by ESR.

• Select the capacitor that can handle the ripple current Irms.

• COUT=220μF, ESR=103m is selected.

m10399m30m

)(

L

ppripple

IVESR

IL, PK

13mArms6.67μ2.96μ

3299m

32

ttonII L

rms

Irms

Vripple


3. 回路解析シミュレーションの活用事例詳細設計 (出力電解コンデンサのリップル現象 )

• Simulation result shows output start-up time of the circuit. This circuit needs 55ms to reach steady state.

Time

0s 20ms 40ms 60ms 80ms 90msV(OUT)

4V

5V

6V

7V

8V

9V

10VI(Rload)

20mA

30mA

40mA

50mA

SEL>>

V(OUT)

I(Rload)



出力電流

出力電圧

Time

60ms 65ms 70ms 75ms 80ms 85ms 90msV(OUT)

9.05V

9.06V

9.07V

9.08V

9.09V

9.10V

SEL>>

Time

89.90ms 89.91ms 89.92ms 89.93ms 89.94ms 89.95ms 89.96ms 89.97ms 89.98ms 89.99msV(OUT)

9.060V

9.065V

9.070V

9.075V

9.080V

• Simulation result shows output ripple voltage caused by switching(18mVP-P) and F.B loop oscillation(25mVP-P).

V(OUT)全体図

V(OUT)拡大図 18mVP-P

25mVP-P


3. 回路解析シミュレーションの活用事例詳細設計 (出力電圧のリップル波形 )

• Efficiency of the converter at load IOUT=50mA is 75.5%. Time

70ms 75ms 80ms 85ms 90ms100*W(Rload)/rms(-W(V+))

0

25

50

75

100

(90.000m,75.500)Efficiency


3. 回路解析シミュレーションの活用事例詳細設計 ( 電源回路の効率シミュレーション )

• Simulation result shows the transient response of the circuit, when load currents are 50mA to 10mA to 50mA steps .

V(OUT)

I(L)

I(Load)負荷電流

Time

60ms 65ms 70ms 75ms 80ms 85ms 90msV(OUT)

9.050V

9.075V

9.100V

9.125VI(L)

0A

100mA

200mA

I(I1)0A

20mA

30mA

40mA

50mA

SEL>>


3. 回路解析シミュレーションの活用事例詳細設計 (負荷応答性のシミュレーション結果 )

• Simulation result shows voltage and current of the devices. • Select L and Cout that can handle their Irms value. • The absolute maximum value of Q1 and D1 are compared to simulation result for stress analysis.

Time

0s 20ms 40ms 60ms 80ms 90ms1 V(Cout:1) 2 rms(I(Cout))

0V

5V

10V1

0A

50mA

100mA2

SEL>>SEL>>

1 V(D1:2)- V(D1:1) 2 I(D1) avg(I(D1))0V

10V

20V1

100mA

200mA

300mA2

>>

1 V(Q1:c) 2 I(Q1:c)0V5V10V15V20V1

250mA

500mA2

>>

I(L) rms(I(L))

0A

200mAI(L) peak, rmsI(L) = 261.054mA(peak) , 94.1399mA(rms)

V(Q1:C), I(Q1:C)

Q1 2SD2623: VCEO=20V, ICMAX=0.5A

V(D1:K,D1:A), IF(D1)

D1 HRU0302A: VRRM=20V, IO=0.3A(avg), IFSM=3A

V(Cout), I(Cout) rms

I(Cout) = 50.255mA(rms)

100% of Rated Value

100% of Rated Value



Time

89.964ms 89.966ms 89.968ms 89.970ms 89.972ms 89.974ms1 V(Q1:c) 2 I(Q1:c)

0V

5V

10V

15V

20V1

>>0A

100mA

200mA

300mA2

1 V(Q1:c)*I(Q1:c) 2 avg(W(Q1))0W

200mW

400mW

600mW1

SEL>>0W

50mW

100mW

150mW2

SEL>>

• Simulation result shows waveforms of IC and VCE of transistor Q1.Loss in peak and average values are also shown.

100% of Rated Value (PC, max.=150mW)

PC, avg.=17.254mW

turn-on loss

Conduction loss

turn-off loss

V(Q1:C), I(Q1:C)

P(Q1) peak, avg


3. 回路解析シミュレーションの活用事例詳細設計 (損失計算 )

Switching Transistor Losses

Schottky Barrier Diode Losses

Time

89.964ms 89.965ms 89.966ms 89.967ms 89.968ms 89.969ms 89.970ms 89.971ms 89.972ms 89.973ms1 V(D1:1,D1:2) 2 I(D1)

-10V

-5V

0V

5V

10V1

-200mA

-100mA

0A

100mA

200mA2

SEL>>SEL>>

W(D1) avg(W(D1))-100mW

-50mW

0W

50mW

100mW

• Simulation result shows waveforms of IF and VAK of diode D1.Loss in peak and average values are also shown.

PD, avg.=18.45mW

Reverse recovery loss

Conduction loss

V(D1:A,D1:K), I(D1

P(D1) peak, avg

Reverse leakage loss

Reverse recovery characteristic


3. 回路解析シミュレーションの活用事例詳細設計 (損失計算 )

4. 故障解析手法


正常回路に再現性のあるシミュレーションデータ

デバイスに不具合を持たせる

モデルパラメータに不具合を設定

等価回路で不具合を設定

回路構成部品に不具合を持たせる

オープン・ショートで不具合を設定

5. 故障解析事例


正常回路に再現性のあるシミュレーションデータ






ケース 1

事例： SiC SBD の等価回路モデルの内部のダイオードモデルパラメータ　　　　 RS を対象にモンテカルロシミュレーションを行った。解析対象： SiC SBD の順方向特性における不具合度合い調査


.param はパラメトリック解析のコマンド Tol は任意のパラメータ (公差 )0.1 は 10% の公差の意味

モンテカルロシミュレーションの設定方法。100 の意味は 100 回

5. 故障解析事例ケース 1

SiC SBD

モンテカルロシミュレーションの設定は赤字モンテカルロの設定は、「 mc」で行う

*$* PART NUMBER: CSD20060D* MANUFACTURER: Cree, Inc.* All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2015.SUBCKT CSD20060D PIN1 PIN2 PIN3 CASEX_U1 PIN3 CASE CSD20060_proX_U2 PIN1 CASE CSD20060_proR_Rs PIN2 CASE 10u.ENDS.SUBCKT CSD20060_pro A K V_V_I A N00040 0VdcV_V_Ifwd IN2 K 0VdcE_E1 VREV 0 VALUE { IF(V(A,K)>0, 0,V(A,K)) }E_E3 I_REV0 0 VALUE { 5.8406e-32*pwr((-V(Vrev)),9.6887)}・・・・・・・・・・・・・・・省略・・・・・・・・・・・・・・・D_D4 VREV1 0 DCSD20060R_R2 0 I_REV0 10MEG R_R3 0 I_REV 10MEG.MODEL DCSD20060 D+ IS=121.37E-18 N=1 + RS={mc(50.670E-3,tol)}* + RS=50.670E-3 + IKF=1.0000E3+ CJO=421.51E-12 M=.46862 VJ=4.0208+ BV=700 IBV=100.00E-6+ ISR=0 EG=3.0 TT=0.ENDS*$


SiC SBD の SPICE モデルのネットリスト


モンテカルロシミュレーションで部品の不具合の影響の解析結果

http://youtu.be/6kjrGY6DZhQ


VF[V]

IF[A]


http://youtu.be/6kjrGY6DZhQ



ケース 2 正常回路に再現性のあるシミュレーションデータ








脈流センサー回路部分の回路図


.CSV file

IN

OUT

R3:R_IC1観察波形①

R5:R_IC2観察波形②

VR:R_VR

V_IC2


LTspice における脈流センサー回路部分の回路図


VIN

VOUT


実機波形シミュレーション波形脈流センサー回路の観察波形①の正常波形


VV_IC2

VOUT

実機波形シミュレーション波形脈流センサー回路の観察波形②の正常波形



Transistor

Capacitor-electrolytic

Power Supply

OUTPUT

INPUT

脈流センサー回路部分の回路図上で不具合が想定される電子部品( トランジスタ、電解コンデンサ )



OUTPUT

OPENBreakdown

INPUT

トランジスタに不具合があり、オープンになった場合



OUTPUT

INPUT

トランジスタに不具合があり、オープンになった場合の LTspice の回路図


関係性が無い回路は取り除く


実機波形シミュレーション波形トランジスタに不具合があった場合の異常波形

VIN

VOUT



OUTPUT

Open

INPUT

電解コンデンサに不具合があり、オープンになった場合の LTspice の回路図



VIN

VOUT

実機波形シミュレーション波形トランジスタに不具合があった場合の異常波形




ケース 2

コンデンサに問題がある

トランジスタに問題がある

異常波形

異常波形

6. 最新事例


表面温度によるリチウムイオン電池の挙動特性のシミュレーションの研究

Time

Time

表面温度[ ]℃

電池電圧[V]

爆発

まとめ


回路設計段階•回路設計品質向上•事前故障解析(オープン・ショート)•想定外の使用

市場投入後段階•原因不明クレームの大幅な削減•早期のクレーム対応•再発防止の早期実施

SPICE を活用することで以下の効果が期待できる

信頼性学会発表原稿 20 feb2015

Engineering