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回路シミュレーション装置及びサーバ及び回路シミュレーション方法並びに回路シミュレーションプログラム - 東芝テック株式会社
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発明の名称 回路シミュレーション装置及びサーバ及び回路シミュレーション方法並びに回路シミュレーションプログラム
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2003−308354(P2003−308354A)
公開日 平成15年10月31日(2003.10.31)
出願番号 特願2002−115054(P2002−115054)
出願日 平成14年4月17日(2002.4.17)
代理人 【識別番号】100058479
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴江 武彦 (外6名)
【テーマコード(参考)】
5B046
【Fターム(参考)】
5B046 AA08 BA03 JA04 
発明者 宇佐美 豊
要約 課題
高周波動作と低周波動作が混在した回路をシミュレーションする場合に、電圧の実測波形を取り込んで回路シミュレーションを行う。

解決手段
シミュレーションプログラムを起動し、回路情報を入力し、実測した例えば交流入力電圧のサンプリングデータを入力し、さらに、回路のスイッチ素子の駆動周波数を入力する。これにより、実測したサンプリングデータがスイッチング周波数に従った修正サンプリングデータに変換される。そして、修正サンプリングデータの最初の値を直流電圧としてセットし、スイッチング周期の1サイクル内の過渡解析を実施する。次に、修正サンプリングデータの次の値を直流電圧としてセットし、スイッチング周期の、次の1サイクル内の過渡解析を実施する。この処理を全サイクルについて終了するまで繰り返し、全サイクルについて終了すると、波形を出力してシミュレーションを終了する。
特許請求の範囲
【請求項1】 電圧、電流等の実測波形をサンプリングして数値化されたデータを外部から取込むデータ取込手段と、このデータ取込手段が取込んだデータを低周波動作とみなし、この低周波動作を高周波動作の1周期内での直流動作に置き換え、高周波動作の周期単位でシミュレーションを行うシミュレーション実行手段とを備え、高周波動作と低周波動作の2つの周波数動作が混在した回路をシミュレーションすることを特徴とする回路シミュレーション装置。
【請求項2】 シミュレーション実行手段は、サンプリングして数値化されたデータを、高周波動作の周期に対してそれぞれ1つの値が対応するように変換し、この変換した値に基づいて直流動作への置き換えを行うことを特徴とする請求項1記載の回路シミュレーション装置。
【請求項3】 シミュレーション実行手段は、サンプリングして数値化されたデータを、高周波動作の周期に対してそれぞれ1つの値が対応するように変換した値に基づいて直流動作への置き換えを行うか、関数から算出した値に基づいて直流動作への置き換えを行うかを選択できることを特徴とする請求項1記載の回路シミュレーション装置。
【請求項4】 電圧、電流等の実測波形をサンプリングして数値化されたデータをクライアント端末からネットワークを介して取込むデータ取込手段と、このデータ取込手段が取込んだデータを低周波動作とみなし、この低周波動作を高周波動作の1周期内での直流動作に置き換え、高周波動作の周期単位でシミュレーションを行うシミュレーション実行手段とを備え、高周波動作と低周波動作の2つの周波数動作が混在した回路をシミュレーションすることを特徴とするサーバ。
【請求項5】 高周波動作と低周波動作の2つの周波数動作が混在した回路をシミュレーションする場合に、電圧、電流等の実測波形をサンプリングして数値化されたデータを外部から取込み、この取込んだデータを低周波動作とみなし、この低周波動作を高周波動作の1周期内での直流動作に置き換え、高周波動作の周期単位でシミュレーションを行うことを特徴とする回路シミュレーション方法。
【請求項6】 高周波動作と低周波動作の2つの周波数動作が混在した回路をシミュレーションするコンピュータを、電圧、電流等の実測波形をサンプリングして数値化されたデータを外部から取込むデータ取込手段と、このデータ取込手段が取込んだデータを低周波動作とみなし、この低周波動作を高周波動作の1周期内での直流動作に置き換え、高周波動作の周期単位でシミュレーションを行うシミュレーション実行手段として機能させる回路シミュレーションプログラム。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高周波動作と低周波動作の2つの周波数動作が混在した回路をシミュレーションする回路シミュレーション装置及びサーバ及び回路シミュレーション方法並びに回路シミュレーションプログラムに関する。
【0002】
【従来の技術】従来、回路シミュレーションを行う場合は、図16に示すように、スタンドアロンタイプのパーソナルコンピュータを使用し、コンピュータ本体1に電子回路用のシミュレーションソフトウエアをインストールしておき、ユーザは、マウス2やキーボード3を操作してディスプレイ4上に回路図を描画し、これを基に回路シミュレーションを実行し、シミュレーション結果をディスプレイ4上に波形などによって表示するということを行っていた。
【0003】図17はフライバックコンバータの回路構成例を示し、商用交流電源6に全波整流回路7を介してコンデンサ8を並列に接続し、このコンデンサ8にトランス9の1次巻線9pを介してスイッチ素子10を並列に接続し、このスイッチ素子10にコンデンサ11と抵抗12との直列回路を並列に接続している。2次側は、トランス9の2次巻線9sに、ダイオード13を直列に介して、コンデンサ14と抵抗15との並列回路を接続している。スイッチ素子10はパルス発生器16からのパルスによって、例えば、100kHzの高周波で駆動されるようになっている。交流電源6は、50Hzで入力電圧V1を与えている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】このような回路をシミュレーションする場合は、回路に印加する電圧は交流電圧か直流電圧が一般的である。また、時間を変数とする関数で電圧を定義できるものもある。
【0005】しかし、いずれにしても、回路シミュレーションにおいては印加できるのは数学的に表現できるものであり、実測波形をそのまま入れることは不可能であった。一般的なシミュレータ、例えば、SPICEについて述べると、過渡解析をするにあたり、時間刻みを細かくしていく必要がある。波形の変化が緩慢な場合には時間刻みを比較的大きくとっても誤差は少ない。一方、非線形動作により急峻な変化をする場合には、そのときの時間刻みを可能な限り細かくとって正確さを損なわないようにする。
【0006】このようなシミュレータにおいては、時間刻みが固定になっていることはなく、次の時刻における時間刻みがどうなるかを予測することは非常に困難である。従って、従来においては、回路シミュレーションに実測波形を入れたくても時間刻みを確定することができないので事実上不可能であった。
【0007】本発明は、このような事情に鑑みて為されたもので、高周波動作と低周波動作の2つの周波数動作が混在した回路をシミュレーションする場合に、電圧、電流等の実測波形を低周波動作とみなして取込むことができ、実測に則した回路シミュレーションができる回路シミュレーション装置及びサーバ及び回路シミュレーション方法並びに回路シミュレーションプログラムを提供する。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、電圧、電流等の実測波形をサンプリングして数値化されたデータを外部から取込むデータ取込手段と、このデータ取込手段が取込んだデータを低周波動作とみなし、この低周波動作を高周波動作の1周期内での直流動作に置き換え、高周波動作の周期単位でシミュレーションを行うシミュレーション実行手段とを備え、高周波動作と低周波動作の2つの周波数動作が混在した回路をシミュレーションすることにある。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。回路シミュレータをSPICEのような時間刻み可変形のものではなく、周期解析を基本としたものとすると、前述した図17の回路において、その動作を50Hzという低周波のレンジで見ると、入力電圧V1と入力電流I1の波形は図1に示すようになる。一方、回路動作をスイッチング周波数の100kHzのレンジで見ると、スイッチ素子10に流れる電流I2、スイッチ素子10の両端間電圧V2、ダイオード13に流れる電流I3の波形は図2に示すようになる。
【0010】この高周波スイッチング動作と低周波入力電圧波形を重ねると、図3に示すようになる。すなわち、100kHzのスイッチング動作から見ると、50Hzの入力電圧の動作は極めて緩慢であり、その入力電圧V1の波形はスイッチ素子10のスイッチング動作の、1周期の始まりと終わりでほとんど変化しないことが分かる。このような場合には、低周波動作の素子を過渡解析に載せる必要はなく、その動作を直流的とみなしても殆ど支障はない。
【0011】そこで、入力電圧V1を高周波スイッチング動作の周期毎の直流電圧V1′と置き換えて表したのが図4である。なお、ここでは高周波スイッチング動作の1周期における入力電圧V1の平均値を直流電圧V1′としている。
【0012】また、スイッチング周期内の動作については時間刻みを変えて正確さを追求し、スイッチング周期そのものは不変とする。このようにすると、直流電圧V1′で近似する部分に外部からサンプリングした電圧を周期的に代表点をとって直流電圧として入力すれば、実測データを印加した回路シミュレーションが可能になる。本発明は、このような考えの基に為されたものである。
【0013】(第1の実施の形態)上述した考えの基に前述した図17の回路を書き改めると図5に示すように、商用交流電源6をスイッチ素子10のスイッチング周期毎に可変する直流電圧源21に置き換えることができる。
【0014】図6は、実際の電圧波形をサンプリングする測定器を示す図で、デジタルオシロスコープ22のプローブ23を測定したい電圧部24に当て、その波形をサンプリングする。この場合は、電圧部24としては商用交流電源が対象になる。このときのサンプリング周波数は使用するデジタルオシロスコープ22に依存することになる。
【0015】デジタルオシロスコープ22で取得したサンプリングデータはフレキシブルディスクにより、あるいはネットワークを経由して回路シミュレーションを行うパーソナルコンピュータに取込む。すなわち、ここでは回路シミュレーション装置としてパーソナルコンピュータを使用している。
【0016】サンプリングデータは、例えば、CSV(comma separated value)形式にしておく。なお、ファイル形式は必ずしもCSV形式に限定するものではない。ようは、サンプリング時間とそのときの電圧電流値が判別できるような数値の羅列になっていればよい。
【0017】図7はCSV形式で保存されたファイル例を示している。ここで、「Sample Rate」とは、サンプリング周波数のことを指し、次の「500」は値を、次のkHzは単位を示している。従って、これは、サンプリング周波数が500kHzであることを示している。
【0018】次の「Unit」は、測定した数値の種別、すなわち、電圧か電流かを識別している。そして、「V」とあるので、ここでは電圧であることを識別している。これに続く、以降は数値の羅列で、被測定物の電圧をサンプリングした値を示している。
【0019】こうして実測に基づいて得たサンプリングデータを直流電圧源21に反映させるが、このときのアルゴリズムを図8により説明する。ユーザは、シミュレーションプログラムを起動し、先ず、S1にて、回路情報を入力する。次に、S2にて、サンプリングデータの入力を行う。(データ取り込み手段)
次に、ユーザは、S3にて、この回路のスイッチ素子10をどのような周波数で駆動するかを入力する。この時点でサンプリングデータから修正サンプリングデータを生成するための条件が確定する。これにより、サンプリングデータから修正サンプリングデータを生成することになる。
【0020】修正サンプリングデータとは、図9に示すように、500kHzでサンプリングしたデータを5個ずつ1個としてスイッチング周波数の100kHzの単位に置き換えたデータを言う。
【0021】なお、ここでは、サンプリングしたデータを5個の平均値をとり、それを代表点としている。すなわち、{V(t1)+V(t2)+V(t3)+V(t4)+V(t5)}/5=AveV(t1)を求め、このAveV(t1)をスイッチング周期のある周期の代表点としている。なお、代表点の決め方はこれに限定するものではない。
【0022】続いて、S4にて、修正サンプリングデータの最初の値をセットし、S5にて、スイッチング周期の1サイクル内の過渡解析を実施する。次に再びS4に戻り、S4にて、修正サンプリングデータの次の値をセットし、S5にて、スイッチング周期の、次の1サイクル内の過渡解析を実施する。S5は、例えば、基本となるコンバータのスイッチング素子のオン、オフの状態を判断して回路状態を考える状態方程式を元にする方法がある。この処理を全サイクルについて終了するまで繰り返し行われ、S6にて、全サイクルの終了が判断されると、S7にて、波形を出力してシミュレーションを終了する。(シミュレーション実行手段)このように、過渡解析ではあるが、時間の区切りとしてはスイッチング周期単位の周期解析の連続として表される。
【0023】このように、周期解析を基本とする過渡解析のシミュレーションの場合には、実波形をスイッチング周期毎に入力として与えてシミュレーションができる。すなわち、高周波動作と低周波動作の2つの周波数動作が混在した回路をシミュレーションする場合に、電圧の実測波形を低周波動作とみなして取り込み実測に則した回路シミュレーションができる。
【0024】(第2の実施の形態)この実施の形態はこの発明をサーバ・クライアント方式のシステムに適用したものについて述べる。図10に示すように、ネットワークを形成するインターネット31にサーバ32を接続すると共に複数のクライアント端末33を接続している。前記サーバ32には大容量のストレージ34が接続され、膨大なユーザのデータを保存利用することができるようになっている。
【0025】前記各クライアント端末33は、パーソナルコンピュータからなり、特別なシミュレーションソフトをインストールする必要はない。そして、標準のWebブラウザを利用すればよい。
【0026】図11はクライアント端末33のディスプレイに表示されるサンプリングデータ取込みの画面例を示している。このようにWebブラウザにサンプリング取り込みのためのテキストエリア33aが設けてあって、ユーザは他のツールからCSV形式のファイルを開き、そのデータをここにコピーして貼り合わせる。
【0027】また、このサンプリングに対して名前を付けるためのテキスト領域33bも用意しておく。これらの入力が終わったら、最後に登録ボタン33cをクリックすると、ユーザが入力したデータはHTTPプロトコルに従ってインターネット31を経由してサーバ32に送られる。
【0028】このときのサーバ32のアルゴリズムを図12に示す。すなわち、サーバ32は、先ず、S11にて、クライアント端末33に対してユーザからのサンプリング取り込みをリクエストする。そして、S12にて、HTML送信を行い、S13にて、ユーザからのサンプリングデータの送信を受け、S14にて、メモリにサンプリングデータを格納する。そして、S15にて、クライアント端末33にサンプリングデータの受付け完了のHTMLを出力して処理を終了する。
【0029】このようにしてサーバ32はユーザが実測したサンプリングデータをクライアント端末33から取込むことになる。次に、サーバ32は、このようにして取込んだサンプリングデータを基に、図13に示す流れ図に基づいて回路シミュレーションを実行する。
【0030】先ず、S21にて、ユーザからのシミュレーションリクエストをクライアント端末33から受信する。すなわち、ユーザはサーバ32を特定するURLをブラウザに入力し、サーバ32にアクセスを試みる。
【0031】続いて、サーバ32は、S22にて、クライアント端末33に対して幾つかの入力を促す画面をHTML形式で送信する。ここでの入力は、例えば、シミュレーションの対象となる回路を選択するメニューやその回路のスイッチ素子をどのような周波数で駆動するかを指定するメニューやサンプリングデータを選択するメニュー等である。
【0032】ユーザはクライアント端末33においてこれらのメニュー項目をすべて入力することになるが、これらの入力が終了すると、最後に実行ボタンをクリックする。これにより、サーバ32は、S23にて、ユーザからの各紙湯メニュー項目を取込んでメモリに格納する。
【0033】続いて、サーバ32は、S24にて、スイッチング周波数とサンプリングデータから、修正サンプリングデータを生成する。例えば、500kHzのサンプリングデータを100kHzのスイッチング周波数に合わせて修正する。そして、S25にて、対象とする回路情報をシミュレータにセットし、S26にて、修正サンプリングデータの最初の値を、例えば、図5の回路のシミュレーションであれば、回路中の直流電圧源21にセットする。そして、S27にて、シミュレータは、最初のスイッチング周期1周期の過渡解析を実施する。
【0034】続いて、S26にて、修正サンプリングデータの2番目の値を、直流電圧源21にセットし、S27にて、2番目のスイッチング周期1周期の過渡解析を実施する。以下、この処理を全てのサイクルについて終了するまで繰り返し行い、S28にて全てのサイクルについて終了したことを確認すると、S29にて、シミュレーション結果を基に波形データを生成し、これをHTMLに埋め込んでクライアント端末33に出力する。
【0035】この結果、クライアント端末33のディスプレイのWeb画面に図14に示す画面が表われる。波形を表示するに当たっては、その波形がどの部分のものであるかを特定する記述と、その波形の時間軸、電圧、電流軸の単位を明記する。また、シミュレーションをする前提である回路やサンプリングデータ名も明記する。
【0036】このように、サーバ・クライアント方式のシステムであっても、サーバ32において高周波動作と低周波動作の2つの周波数動作が混在した回路をシミュレーションする場合に、電圧、電流等の実測波形を低周波動作とみなして取込むことができ、実測に則した回路シミュレーションができる。しかも、この場合はサーバ32が回路シミュレーションを実施するのでクライアント端末33はサンプリングした実測波形データを入力する操作は行うが、回路シミュレーションを実施するためのソフトを用意する必要は全く無い。
【0037】なお、前述した各実施の形態では実測波形のみを使用する場合を例として述べたがこれに限定するものではない。実測波形と関数による波形を切替えて使用することもできる。例えば、実測波形を使用する場合には、selectという変数にactualという値をセットし、正弦波を使う場合には関数としてsinという値をセットする。こうして、selectをシミュレーション中に適宜切替えていくと、図15に示すように、正弦波中に突発的に波形が乱れた状態を再現することができる。この電圧波形を入力として、回路動作させれば、この突発的な電圧に対して回路がどのように挙動するかをシミュレーションで調べることができる。
【0038】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、高周波動作と低周波動作の2つの周波数動作が混在した回路をシミュレーションする場合に、電圧、電流等の実測波形を低周波動作とみなして取込むことができ、実測に則した回路シミュレーションができる回路シミュレーション装置及びサーバ及び回路シミュレーション方法並びに回路シミュレーションプログラムを提供できる。




 

 


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