SIMetrix-SIMPLIS回路シミュレーション

Catena SoftwareのSIMetrix/SIMPLIS^®は、人気のある回路シミュレーションパッケージです。SIMetrix/SIMPLISは、2つの独立した回路シミュレーターの組み合わせです：SIMetrixは、パワートランジスタデバイス用のカスタムモデルを含む多くの強化機能を備えたSPICEベースのシミュレーターです；そしてSIMPLISは、線形近似を使用し、スイッチング電源回路の分析モードが役立つ高速シミュレーターです。

Altium DesignerでのSIMetrix/SIMPLISの使用

Altium DesignerでのSIMetrixおよびSIMPLISを使用した回路シミュレーションは、Altium Designerの組み込みシミュレーターであるAdvanced Simの使用に似ています。Altium Designerは、以下の3つの主な方法でSIMetrix/SIMPLISをサポートしています：

1. Altium Designerを使用してSIMetrix/SIMPLISから直接シミュレーションを行う。
2. SIMetrix/SIMPLISモデルライブラリからのモデルを使用することで、ネイティブのSIMetrixおよびSIMPLISシミュレーターだけでなく、Altium Designerの組み込みシミュレーターでも使用できます。
3. シミュレーションモデルを含む回路図をSIMetrix/SIMPLIS形式にエクスポートする。
   これらの機能を使用するには、SIMetrix/SIMPLISアプリケーション（リリース5.3j以上）と有効なライセンスが必要です。

この文書は、SIMetrix/SIMPLISについてある程度の知識があることを前提としています。

► SIMetrixおよびSIMPLISに関する詳細は、Simetrixのウェブサイトを参照してください。

入門

Altium DesignerでSIMetrix/SIMPLIS回路シミュレータを使用するには、SIMetrix/SIMPLISアプリケーションの場所を宣言する必要があります：

• DXP » Preferencesコマンドを選択し、環境設定ダイアログを開きます
• Simulatioフォルダの下にあるSIMetrix Interfaceタブに移動します

図1: シミュレーション - SIMetrixインターフェースオプション

• SIMetrix/SIMPLIS installation locationフィールドにインストールパスを入力するか、Auto Detectボタンをクリックしてアプリケーションの場所を自動的に検出します。
• Clear existing graph sheets and group data before running a new simulationチェックボックスは、SIMetrix/SIMPLIS 波形ビューアの最後の実行結果をクリアするか、これらの結果を重ねて表示するかを制御します。このチェックボックスはデフォルトで有効になっています。
• Display graph sheets in SIMetrix instead of Altium Designerチェックボックスは、Altium Designerの代わりにSIMetrix波形ビューアを使用するオプションを提供します。Altium DesignerからSIMetrixまたはSIMPLISネットリストを生成している場合、または生成されたネットリストをSIMetrix/SIMPLISで実行したときに何も表示されない場合は、このオプションを有効にしてください。このチェックボックスはデフォルトで無効になっています。

SIMetrix/SIMPLISシミュレータを初めて使用すると、Altium DesignerはSIMetrix/SIMPLISアプリケーションを起動します。画面の左上隅に小さなSIMetrix/SIMPLISコマンドシェルダイアログが表示されます。このダイアログは最小化できますが、SIMetrix/SIMPLISの機能を使用するためには閉じることはできません。

クイックツアー

SIMetrix/SIMPLISのインストール場所を指定したら、この機能を使用する準備が整いました。

• File » Open Projectを選択し、Choose Project to Openダイアログが表示されます。
• インストールした場所の\Examples\Circuit Simulation\Boost Converterフォルダに移動し、Boost Converter.PrjPCBプロジェクトを開きます。Altium Designerをカスタムの場所にインストールした場合は、このプロジェクトにそれに応じて移動します。
• プロジェクトパネルで、Boost Converter.SchDoc 回路図ドキュメントを開きます。これはシンプルなDC-DCコンバータ回路です。

シミュレーションを実行するためには、すべてのコンポーネントにシミュレーションモデルを提供する必要があります。Miscellaneous Devices.IntLibなどの既存のライブラリから配置された多くのコンポーネントがあります。ライブラリコンポーネントにAdvanced Simで動作するシミュレーションモデルがある場合、それはSIMetrixおよびSIMPLISでも修正なしで動作する可能性が高いです。モデル互換性セクションでは、シミュレーションモデルを取り扱う際のいくつかの例外について説明しています。

いくつかのコンポーネントは、プロジェクトの一部であるSIMetrix Devices.IntLibというライブラリから配置されており、プロジェクトパネルのLibraries\Compiled Librariesの下で確認できます。このライブラリには、SIMetrix/SIMPLISモデルライブラリから取得したシミュレーションモデルが含まれています。

Advanced SIMモデルと同様に、SIMetrixおよびSIMPLISモデルもプロジェクトに直接追加したり、独自の統合ライブラリにコンパイルしたりすることができます。

► 独自のライブラリを構築する方法については、統合ライブラリの使用に関するドキュメントを参照してください

コンポーネントへのシミュレーションモデルの適用

複数のシミュレーションモデルをコンポーネントに適用する必要がある場合や、そうしたい場合があります。使用したいシミュレータの1つと互換性がないシミュレーションモデルがある場合は、これを行う必要があります。Altium Designerは多くの場合、自動的に非互換性を検出し、これらについて通知します。あるシミュレータよりも別のシミュレータで性能が良いシミュレーションモデルがある場合は、複数のシミュレーションモデルを適用したいと思うでしょう。

複数のシミュレータ用にシミュレーションモデルを設定するための基本的なアプローチは2つあります。以下のいずれかです：

• すべてのシミュレータと互換性のある1つのシミュレーションモデルを使用する。
• 各シミュレータ用に設定された複数のシミュレーションモデルを使用する。

選択するアプローチは、コンポーネントの複雑さ、適切なモデルの可用性、およびシミュレーションに必要な詳細レベルに依存します。回路シミュレーションは時に複雑になることがあり、正確性や収束問題を抱える難しい回路に対して「第二の意見」を得ることができるオプションは好ましい機能です。

`Boost Converter.SchDoc`で、2つのMOSFETコンポーネント、`Q1`と`Q2`のコンポーネントプロパティを調べてください。各コンポーネントには2つのシミュレーションモデルがあります：`IRF530`と`SIMetrix_IRF530`です。 図2: コンポーネントプロパティダイアログ内のコンポーネントのIRF530シミュレーションモデル

IRF530シミュレーションモデルは、コンポーネントメーカーから提供され、3つのシミュレーターすべてと互換性があります。SIMetrix_IRF530はSIMetrix/SIMPLISモデルライブラリーからのもので、ゲートとドレイン端子間の非線形キャパシタンスをモデル化するためにSIMetrixの独自機能を使用しています。この機能はSIMetrixでの精度と性能を向上させると言われていますが、現在Advanced Simとは互揞性がありません。

代わりに、UC3842コンポーネント、U1のコンポーネントプロパティを調べてください。これは比較的複雑なコンポーネントなので、3つのシミュレーターそれぞれにネイティブモデルが必要です：UC3842BはAdvanced Sim用、SIMetrix_UC3842はSIMetrix用、そしてSIMPLIS_UC3842はSIMPLIS用です。

► 詳細情報については、シミュレーションモデルセクションを参照してください。

シミュレーションの設定

SIMPLISでシミュレーションを設定するには、Design » Simulate » SIMPLISコマンドを選択します。すると、図3に示されるように解析設定ダイアログが表示されます。

図3: SIMPLISシミュレータの解析設定ダイアログでのオプション選択

この解析設定ダイアログは二つのセクションに分かれています。ダイアログの左側では、解析/オプションの設定ができます。ダイアログの右側は、選択した解析/オプションに応じて変わります。General Setupでは、ダイアログの右側に表示する信号を選択できます。この例では、出力電圧V_OUTといくつかのコンポーネントを通る電流に興味があります。

このダイアログの左側にある解析タイプのセットは、シミュレーターごとに異なります。SIMPLISは三つのタイプをサポートしています：Periodic Operating Point Analysis、Transient Analysis 、そしてAC Small Signal Analysisです。このシミュレーションは過渡解析です。Transient Analysis をクリックして、解析パラメータを表示します。

図4: トランジェント解析の解析パラメータを確認する

各解析タイプに設定できるパラメータは、シミュレーターごとに異なります。SIMPLISでのトランジェント解析には、Start Time、Stop Time、およびStep Timeの3つのパラメータがあります。Use Transient Defaultsチェックボックスを有効にすることで、デフォルトのトランジェント開始、停止、ステップ時間を設定できます。デフォルトは、回路内のソースの時間周期に基づいて計算されます。

この例では、負荷の急激な変化を示す最後の遷移が電源投入後8ms後に発生するため、デフォルトでは8ms以上のシミュレーションを実行します。この出力電圧が少し長く安定するのを見るためには、Stop Timeに手動で10msの値を入力してください。 Altium Designerは、解析設定ダイアログに入力した設定を記憶します。シミュレーションを実行するたびに、前回のシミュレーションから設定が記憶されます。これは、異なるシミュレーターが共通しているパラメーターについても同様であり、シミュレーターを切り替えても、SIMPLISとAdvanced Simで同じシミュレーションを簡単に実行し、結果を比較することができます。

Design » Simulateメニューには、高度なシミュレーションを実行するための Mixed Sim と、SIMetrixを実行するための SIMetrix の2つのオプションが追加されています。この例は、すべてのシミュレータで動作します。各シミュレータによる異なる近似のため、結果はわずかに異なります。これは、下に示されたダイオード D1 を通る電流のグラフで最も顕著です。幸いなことに、この例では、これらの違いが出力電圧の安定性にほとんど影響を与えません。

図5: Advanced Sim 過渡解析結果

図6: SIMetrix過渡解析結果

図7: SIMPLIS過渡解析結果

シミュレーターによる近似値を理解することは重要です。精度とシミュレーション速度は時に微妙なバランスを必要とすることがあります。D1コンポーネントのモデルや、各シミュレーターで利用可能な高度なオプションを実験してみると、異なるシミュレーションモデルの感覚を掴むことができるかもしれません。

SIMetrix/SIMPLIS コマンド

このセクションでは、Altium Designerで利用可能なSIMetrixおよびSIMPLIS特有のコマンドについて説明します。これらのコマンドが見つからない場合は、はじめにセクションで説明されているように、SIMetrix/SIMPLISのインストール場所を宣言していることを確認してください。

シミュレーションの実行

シミュレーションを実行するには、以下のコマンドから選択します：

• 高度なシミュレーションの場合:Design » Simulate » Mixed Sim。
• SIMetrixの場合: Design » Simulate » SIMetrix。
• SIMPLISの場合: Design » Simulate » SIMPLIS。

これらのコマンドはすべて、同じ解析セットアップダイアログを開きます。SIMetrixとSIMPLISのGeneral Setupでは、Collect Data ForフィールドがNode Voltages、Supply and Device Currentに対してロックされています。

SIMetrixでは、利用可能な解析タイプは以下の通りです:

• 過渡解析。
• DCスイープ解析。
• AC小信号解析。
• ノイズ解析。
• 極-零点解析。
• 伝達関数解析。

SIMPLISで利用可能な解析タイプは以下の通りです：

• 周期動作点解析。
• 過渡解析。
• AC小信号解析。

► これらの解析タイプに関する詳細な説明については、Catenaのドキュメントを参照してください。

異なるシミュレーションモデルの違い

過渡解析

SIMPLISの過渡解析オプションには、最大ステップ時間、初期条件の使用、フーリエ解析のパラメーターがありません。ステップ時間はSIMPLISによって少し異なる方法で扱われ、SIMPLISがサポートする最小ステップ時間は、(停止時間 - 開始時間)の0.000125倍です。この値よりも小さいステップ時間を設定した場合、自動的に最小値に制限されます。

SIMetrixの過渡解析には、リアルタイムノイズに関する追加のパラメーターが含まれています。この機能は、SIMetrix/SIMPLISライセンスに含まれている場合にのみ使用できます。

AC小信号解析および周期動作点解析

SIMPLISのAC小信号解析には、特別なコンポーネントを回路図上に配置する必要があります。Periodic Operating Point Triggerコンポーネントを配置し、回路内でスイッチングイベントが発生するたびに高くなる信号で駆動してください。このコンポーネントなしでSIMPLISでAC小信号解析または周期動作点解析を実行しようとすると、エラーが発生します。

► Periodic Operating Point Triggerの詳細については、SIMPLISでの高度なシミュレーションセクションを参照してください。

Periodic Operating Point AnalysisはSIMPLISでのみ利用可能です。主にAC小信号解析と併用されますが、Show Progressオプションをチェックすることで、SIMPLISが定常状態の「動作点」を見つけるグラフも表示できます。

図8: SIMPLISと周期動作点解析

高度なオプションは、3つのシミュレーターで異なります。SIMPLISには高度なオプションがほとんどありません。おそらく必要となる唯一のオプションは、デフォルトで有効になっているIGNORE_UNITSです。しかし、SIMetrixとAdvanced Simは、シミュレーションの精度と収束を制御するためのかなりの高度なオプションを提供しています。Advanced SimとSIMetrixのいくつかのオプション（ABSTOLやVNTOLなど）は同一であり、両方のシミュレーターでほぼ同じ効果があります。これらのオプションの設定は、2つのシミュレーター間で共有されます。他のオプションは似ていますが同一ではないため、各シミュレーターに異なる名前のオプションを設定する必要があります。例えば、GMINステッピングアルゴリズムを使用する必要がある場合のステップ数は、Advanced SimではGMINSTEPと呼ばれ、SIMetrixではGMINSTEPITERLIMITと呼ばれます。

► このドキュメント内の高度なシミュレーションについてのSIMPLISセクションと、各シミュレータのSIMetrixおよびSIMPLISのドキュメントを参照して、高度なオプションについての詳細情報を得てください。

SIMetrixのマルチステップ解析タイプ（デバイススイープ、パラメータスイープ、モデルパラメータスイープ、温度スイープ、周波数スイープ、スナップショット、モンテカルロ）は、Altium Designerではサポートされていません。これらの解析タイプを使用するには、スキーマティックをSIMetrix/SIMPLIS形式にエクスポート（下記参照）し、SIMetrix/SIMPLISアプリケーションから実行できます。

ネットリストの生成と実行

ネットリストはテキストファイルであり、テキストエディタで編集できます。3つのシミュレーターごとにネットリストを生成できます。これは、ネットリストを直接編集したい場合や、シミュレーターに与えられた実際のデバイスステートメントを調べたい場合に便利です。

SIMPLISネットリストを生成するために、Altium DesignerはSIMetrix/SIMPLISアプリケーションと通信する必要がありますので、SIMPLISネットリストを待っている間にSIMetrix/SIMPLISコマンドシェルダイアログが表示されることがあります。

高度なシミュレーション

Altium Designerで高度なシムネットリストを生成するには：

• Design » Netlist For Project » XSpiceコマンドを選択します。

Altium Designerで高度なシムネットリストを実行するには：

• Generated\Advanced Sim Netlistsにある .nsxファイルで保存されたネットリストを、プロジェクトパネルで開きます。
• Simulate » Runコマンドを選択して、このネットリストを実行します。

SIMetrix

Altium DesignerでSIMetrixネットリストを生成するには：

• Design » Netlist For Project » SIMetrix コマンドを選択します。

SIMetrixネットリストを実行するには、SIMetrix/SIMPLISアプリケーションを開きます：

• Simulate » Run コマンドを選択し、ファイルを探します。

SIMPLIS

Altium DesignerでSIMPLISネットリストを生成するには：

• Design » Netlist For Project » SIMPLISコマンドを選択します。

SIMPLISネットリストを実行するには、SIMetrix/SIMPLISアプリケーションを開きます

• SIMPLIS » Run Netlistコマンドを選択します。

SIMetrixおよびSIMPLISのネットリストのファイル名はどちらもファイル拡張子が*.netなので、異なるシミュレータからの出力でネットリストファイルを上書きしないように注意してください。

SIMetrix/SIMPLIS形式へのエクスポート

Altium DesignerのスキーマティックやプロジェクトをSIMetrix形式でエクスポートするには、File » Export File to SimetrixまたはFile » Export Project to Simetrixコマンドを使用します。

SIMetrixにエクスポートするには、Altium DesignerがSIMetrix/SIMPLISアプリケーションと通信する必要があり、この操作中にSIMetrix/SIMPLISコマンドシェルダイアログが表示されることがあります。

Altium Designerでは、エクスポートされた回路図上のすべてのコンポーネントがSIMetrixアプリケーションで編集可能ではありません。回避策として、SIMetrixで部品を編集する代わりにEdit Propertiesコマンドを使用するか、SIMetrixでコンポーネントを削除して置き換えてください。

シミュレーションモデル

これまでに見たすべてのシミュレーションモデルは、統合ライブラリからプリロードされていました。これは、シミュレーションモデルを使用する最も簡単な方法であり、モデルの設定作業はすべてライブラリエディタで行われました。最終的には、ライブラリで特定のコンポーネントを見つけることができない場合や、独自の統合ライブラリを作成したい場合に、独自のシミュレーションモデルを設定したくなるでしょう。どちらの場合も、方法は同じです。

SIMetrix/SIMPLISシミュレーションモデルはAltium Designerモデルと非常に似ているため、ここではSIMetrix/SIMPLIS固有の機能に焦点を当てた簡単な説明をします。

シミュレーションモデルパラメータの編集

多くのシミュレーションモデルには編集可能なパラメータがあります。この点において、SIMetrix/SIMPLISモデルはAltium Designerモデルと変わりません。一部のSIMetrix/SIMPLISモデルパラメータの外観は少し異なり、SIMetrix/SIMPLISの部品を編集ダイアログにより似ています。

コンポーネントプロパティダイアログの右下にあるシミュレーションモデルをダブルクリックし、Parametersタブをクリックします。Parametersタブの内容は、モデルの種類ごとに異なり、一般/Spiceサブサーキットモデルの場合は、サブサーキットごとに異なります。

Component Parameterのチェックボックスは、各パラメータの隣にあり、それをコンポーネントパラメータとして設定するオプションを提供します。これにより、コンポーネントプロパティダイアログの右上セクションで見たり編集したりできるようになります。これにより、モデルパラメータがスキーマティック上で見えるようになります。

SIMetrixおよびSIMPLISのサブサーキットモデルのParametersタブには違いがあります。サブサーキットモデルパラメータは通常、VREFやVOLのような省略名を持っていますが、Name列では、Altium DesignerがRef. VoltageやOutput Low Voltageのような長い名前を表示することがわかります。これらの長い名前は、Parametersタブでのみ表示されます。しかし、Component Parameterボックスをチェックした場合や、モデルファイル自体やスキーマティック上では、省略名のみが表示されます。

図9: モデルファイルのパラメータータブ

さらに、共通のSIMetrix電解コンデンサおよび損失性インダクタコンポーネントのParametersタブの外観は、組み込みモデルの種類と似ています。Levelパラメータを変更すると、その詳細レベルで使用されないパラメータはグレーアウトされます。Initial VoltageとInitial CurrentパラメータはSIMPLISにとって特に重要です – 初期条件が空白というのは、初期条件が0であることとは全く異なることを覚えておいてください。各初期条件フィールドは、実際にはICおよびUSE_ICという名前の2つのモデルパラメータに対応しています。再び、これらは初期電圧または初期電流のComponent Parameterオプションを有効にした場合にのみ表示されます。

図10: 初期条件の値を手動で入力する

Altium Designerは、SIMetrix/SIMPLISと同様に、成功したSIMPLISシミュレーションから初期条件パラメータを自動的に取り込むことはありません。SIMPLISが初期動作点に収束しない場合、いくつかの初期条件を手動で入力する必要があるかもしれません。以前のシミュレーション実行から、他のシミュレータから、あなたのスキーマティックをSIMetrix/SIMPLISにエクスポートすることから、または回路に関するあなた自身の知識から情報を使用してみてください。

モデルファイルの使用

面白いモデルの種類のほとんど（ダイオード、トランジスタ、サブサーキットなど）では、モデルファイルを添付する必要があります。モデルファイルにはいくつかの異なるタイプ（Advanced Sim、SIMetrix、SIMPLIS）があります。

Altium Designerのライブラリ、SIMetrix/SIMPLISモデルライブラリでモデルファイルを見つけることができますし、メーカーや他のソースからダウンロードすることもできます。SIMetrix/SIMPLISモデルライブラリは、インストールされたSIMetrix/SIMPLISアプリケーションフォルダ（通常はC:\Program Files\SIMetrix53\support\models）のsupport\modelsディレクトリにあります。SIMetrix/SIMPLISモデルファイルは、Advanced Simモデルファイルのように使用することができます。それらは以下のように使用できます：

1. Projectsパネルにあなたのプロジェクトに追加されました。
2. Librariesパネルにあなたのインストールされたライブラリに追加されました。
3. あなたのシミュレーションモデルをダブルクリックしてアクセスしたComponent PropertiesダイアログのSim Modelダイアログで、FileまたはFull Pathフィールドに宣言されています。
4. 統合ライブラリにコンパイルされました。

高度なSimモデルファイルは、ファイル拡張子が*.cktおよび*.mdlで、通常はそれぞれ一つのモデルを含んでいます。SIMetrix/SIMPLISモデルファイルはすべてファイル拡張子が*.lbで、それぞれ数十から数百のモデルを含んでいます。SIMモデルダイアログの下部にあるModel Fileタブをクリックすると、モデルの始まりまでビューをスクロールダウンすることで、ファイル内のモデルの位置が表示されます。

重要な違いとして、Altium DesignerはSIMetrixおよびSIMPLISモデル名をSIMetrix_またはSIMPLIS_で始めることで、どのシミュレーター用のモデルかを認識しやすくし、またモデルを区別しやすくしています。例えば、UC3842コンポーネントにはSIMetrix/SIMPLISモデルライブラリにSIMetrix_UC3842とSIMPLIS_UC3842の2つのモデルがあります。もしSIMetrixまたはSIMPLISモデル名が既にSIMetrix_またはSIMPLIS_で始まっている場合、Altium Designerは接頭辞を再度追加しません。SIMPLIS_XORはAltium Designer内でSIMPLIS_XORと表示され、SIMPLIS_SIMPLIS_XORと冗長になることはありません。

図11: Spiceサブサーキットのモデルファイル。

モデルの互換性

シミュレーターと互換性のあるモデルを見つけるのは難しいかもしれません。さまざまなシミュレーターが利用可能であり、異なるシミュレーター用に設計されたモデルを使用しようとすると、シミュレーションが不安定に動作する可能性があります。使用したいシミュレーターが3種類ある場合、すべてのコンポーネントのモデルを見つける（それに、それらをすべて設定するのにかかる時間を考慮に入れると）問題は時間がかかるものになるかもしれません。

幸いなことに、ネイティブのAdvanced Sim、SIMetrix、またはSIMPLISモデルがコンポーネントに欠けている場合、Altium Designerは利用可能な最良のモデルを対象のシミュレーターに変換します。これにより、Advanced Sim、SIMetrix、SIMPLISモデルを組み合わせて使用することができます。多くのコンポーネントについては、1つのモデルだけが必要になります。複雑または重要なコンポーネントについては、各シミュレーターに合わせて調整された特殊なモデルを添付することができます。

Altium Designerは、さまざまな種類のモデルを変換することができます。それでも、シミュレーターの制限や機能がまだ実装されていないために変換できないモデルがいくつかあります。1つ以上のシミュレーターと互換性がないモデルを設定しようとすると、Sim Modelエディターダイアログのモデルの位置の下に、次のメッセージが表示されます： This model may be incompatible with SIMPLIS。

図12: 互換性のないモデルの警告

Altium Designerは、そのシミュレータでモデルを使用することを防ぎません。Altium Designerのモデル変換プロセスまたは対象シミュレータからのエラーが発生する可能性があります。

以下のモデルタイプは、Advanced Simと互換性がありません:

1. SIMetrixの独自コードモデル（ad_converter、adc_schmitt、da_converter、d_init、d_logic_block、d_open_c、およびd_open_e）。
2. SIMetrixの独自MOSFETモデル（NMOSおよびPMOS LEVEL=17）。
3. SIMetrixの飽和インダクタモデル（COREおよびCORENH）。

以下のモデルタイプは現在SIMetrixと互換性がありません：

1. 均一分布RCモデル（URC）。
2. Altium Designer SimCodeモデル（simcode、xadc、xdac、xdav、およびxsimcode）、

以下のモデルタイプは現在SIMPLISと互換性がありません：

1. 方程式電圧および電流源 (B)。
2. 単一周波数FM電圧および電流源 (SFFM)。
3. JFET (NJF および PJF)。
4. MESFET (NMF および PMF)。
5. 無損失伝送線路 (T)。
6. 有損伝送線路 (LTRA)。
7. 一様分布RCモデル (URC)。
8. SIMetrixの飽和インダクタモデル (CORE および CORENH)。

互換性がない原因は、モデルファイルまたはネットリストテンプレートから生じる可能性があります。たとえば、方程式ソースは、モデルの種類を電圧源/方程式として明示的に選択した場合や、SPICE B ステートメントを含む一般/Spiceサブサーキットまたは一般/汎用エディタモデルファイルを使用した場合でも、SIMPLISと互換性がありません。

新しいシミュレーションモデルの設定

ついに、コンポーネントに新しいシミュレーションモデルを設定する準備が整いました。コンポーネントに既存のシミュレーションモデルがあるかどうかに関わらず、これを行うことができます。

シミュレーションモデルを設定する基本的な手順は以下の通りです：

1. モデルがモデルファイルを必要とする場合は、モデルファイルが利用可能であることを確認してください（例えば、プロジェクトに追加するか、インストールされたライブラリに含まれていることを確認する）。
2. コンポーネントの「コンポーネントプロパティ」ダイアログの右下にある「モデル」の下で、「追加」をクリックし、次に「シミュレーション」を選択します。
3. 「モデルの種類」と「モデルのサブ種類」を設定します。
4. モデルに名前を付けます。モデルがモデルファイルを必要とする場合、名前はモデルファイル内のモデルの名前と同じでなければなりません。SIMetrixおよびSIMPLISモデルは常にSIMetrix_またはSIMPLIS_の接頭辞が付いていることを覚えておいてください。
5. モデルに説明を付けます。説明は自由形式です。
6. 「ポートマップ」タブで、コンポーネントのピンとモデルのピンを接続します。

SIMetrixモデルは、一般的にモデルの種類とサブ種類がGeneral/Diode、General/Generic Editor、General/Spice Subcircuit、Transistor/BJT、Transistor/JFET、Transistor/MESFET、またはTransistor/MOSFETになります。

ネイティブのSIMPLISモデルには、独自の種類とサブ種類がありません。SIMPLISモデルのモデルの種類とサブ種類は、ほとんどの場合General/Spice Subcircuitになります。

Altium Designerには、数千ものモデルから選択する場合に特に、ステップ3、4、および5をはるかに簡単にする機能があります。Sim Editorダイアログで、Browseボタンをクリックします。ライブラリの参照ダイアログが表示されます。

図13: ブラウズライブラリダイアログから使用するモデルライブラリを選択

Librariesの隣で、リストボックスからモデルファイルまたはライブラリを選択します。リストにはプロジェクト内およびインストール済みのライブラリのモデルファイルとライブラリのみが表示されますが、...またはFindボタンをクリックしてブラウズすることもできます。ファイルを選択したら、モデルのリストを下にスクロールして、使用したいモデルの名前をクリックします。Maskフィールドにモデル名の一部を入力して検索範囲を絞り込むことができます。モデルを見つけたら、OKボタンをクリックします。Altium Designerは、モデルの名前、説明、種類、サブ種類のフィールドを自動的に入力します。

複数のシミュレーションモデルの使用

コンポーネントに複数のシミュレーションモデルがある場合、Altium Designerはどのシミュレーターでどのモデルを使用するかをどのように決定しますか？

Advanced Simでは、シミュレーションモデルの中で一つが「現在の」モデルとして区別されます。これは、ModelsパネルのComponent Propertiesダイアログの上部に表示されます。モデル名の隣にあるボタンをクリックし、ドロップダウンリストからモデルを選択することで、どのモデルが現在のものかを変更できます。

SIMetrixの場合：

1. コンポーネントにSIMetrixのネイティブモデルがある場合、デフォルトで使用されます。
2. それ以外の場合は、現在のモデルが使用されます。

SIMPLISについては、ルールが少し異なります：

1. 最初の選択肢は、該当する場合、コンポーネントのネイティブSIMPLISモデルです。
2. SIMPLISモデルがない場合は、代わりにSIMetrixモデルが使用されます。これは、SIMetrixモデルが平均的なSPICEモデルよりもSIMPLISへの変換に適していることが一般的だからです。
3. その他の場合、現行の（Advanced Sim）モデルが使用されます。

これらのルールは、各シミュレーターに最適なモデルを選択するために設計されています。コンポーネントのモデルを頻繁に切り替える必要がある場合は、異なるシミュレーションモデルを持つそのコンポーネントの複数のバージョンを含むライブラリを作成することを検討してください。

SIMPLISを用いた高度なシミュレーション

このセクションでは、Altium DesignerからSIMPLISを使用するための追加情報とリソースを提供します。SIMPLISは、Advanced SimやSIMetrixとは多くの点で大きく異なります。

SIMPLIS ACおよび周期動作点分析

SIMPLIS AC分析はAdvanced SimやSIMetrixに似ていますが、機能は大きく異なります。時間変動DCソースは、SPICEベースのシミュレーターで停止されるのとは異なり、過渡解析で行うように正確に実行されます。この違いは、オシレータデバイスを備えたスイッチング電源回路に特に重要であり、実際にベンチ上のブレッドボードで行うことができる種類の周波数分析に最も近いものです。

SIMPLISには、SPICEと同様のAC電圧および電流源もあります。Altium Designerから、「SIMPLIS AC Source」という特別なコンポーネントはありません。任意の独立したソースのAC MagnitudeおよびAC Phaseパラメータを使用してください。SIMPLISレベルでは、これらのパラメータはDCソースと並行して追加のACソースを生成します。これらのソースは過渡解析では効果的に消えるため、AC解析以外の回路には影響を与えません。
図14: SIMPLIS ACおよび周期動作点解析コンポーネント。

SIMPLIS AC解析を実行するには、初期の周期動作点（POP）解析が必要です。これが、Altium Designerが解析設定ダイアログでAC解析をオンにし、POP解析をオフにすることを許可しない理由です。

POP解析は、スイッチング電源回路の定常状態の「動作点」を見つけます。これを使用するには、SIMPLIS PERIODIC_OP コンポーネントを SIMPLIS Devices.IntLib から回路図に配置する必要があります。このコンポーネントの出力が高くなると、SIMPLISにPOPスイッチングイベントを通知します。 POP解析をトリガーするために別のコンポーネントを使用することも可能ですが、それほど簡単ではありません。解析設定ダイアログの Global Parameters の下で、適格なデバイスのSIMPLIS名を持つ TRIG_GATE という名前のパラメータを追加します。SIMPLISは、デバイスがデジタルコンポーネントであること、およびネットリストから出力されるSIMPLIS名を知っている必要があります。したがって、T型フリップフロップである U2 の出力でPOPを駆動したい場合は、TRIG_GATEを XU2.!D_SIMPLIS_TFF に設定します。

回路図上のPERIODIC_OPコンポーネントはTRIG_GATEパラメータを上書きし、POP分析を駆動するための優先される方法です。

► SIMPLIS解析モードについての詳細は、Catenaのドキュメントを参照してください。

SIMPLIS Devices.IntLib

SIMPLIS Devices.IntLibは、プリミティブなSIMPLISモデルを持つコンポーネントのライブラリです。「プリミティブ」とは、この場合、各コンポーネントがSIMPLISリファレンスマニュアルの第4章のモデルステートメントのうちの正確に一つに対応していることを意味します。

SIMPLISデバイスは実際の回路で使用することはできませんが、モデリングには役立ちます。折れ線関数で近似する方法を知っている特定の効果をモデル化するために、回路内でそれらを使用することができます。複雑なコンポーネントのSIMPLISモデルを描く際に、Altium Designerの回路図としてそれらを使用することができます。

SIMPLISデバイスはもちろんSIMPLIS用に設計されていますが、他のシミュレーターとも互換性があります。Altium Designerは、すべてのSIMPLISプリミティブをAdvanced SimおよびSIMetrixの同等モデルに自動的に変換することができます。これらのシミュレーターで得られる結果は、SIMPLISでのものほど速くも正確でもありません。

ダイオードの逆回復

SIMPLISデバイスを使用したモデリングの例として、File » Open Projectを選択し、開くプロジェクトを選択ダイアログが表示されたら、C:\Program Files\Altium Designer\Examples\Circuit Simulation\Diode Reverse Recoveryフォルダに移動し、Diode Reverse Recovery.PrjPCBプロジェクトを開きます。

このプロジェクトには2つの回路図ドキュメントが含まれています：Diode Reverse Recovery Test Circuit.SchDoc は、ダイオードに大きな逆バイアスを適用するシンプルなテスト回路です。Diode Model.SchDoc は、シミュレーションソースとSIMPLISの抵抗器を使ってダイオード自体をモデル化します。

逆回復効果を見るためにシミュレーションを実行してください。（最初に Miscellaneous Devices.IntLib がインストールされたライブラリにあることを確認してください）逆バイアスが突然適用されると、ダイオード内で小さな逆電流が流れ、その後すぐに回復します。この回路はSIMPLISモデルを使用していますが、Altium Designerでは3つのシミュレーターすべてでシミュレーションを実行できます。

このシンプルな例は、もう1つ重要な点を示しています - シンプルな設計であっても、テストする回路と外部刺激を異なる回路図シートに保持することがベストプラクティスです。

自己発振コンバータ

SIMPLISデバイスとAC解析を使用した回路の例を開きます。File » Open Projectを選択し、開くプロジェクトを選択ダイアログが表示されたら、C:\Program Files\Altium Designer\Examples\Circuit Simulation\Self-Oscillating Converterフォルダに移動して、Self-Oscillating Converter.PrjPCBプロジェクトを開きます。

これはDC-DCコンバータ回路です。この回路のシミュレーションモデルはSIMPLISを念頭に設定されているため、Advanced SimやSIMetrixでは、いくつかの変更を加えないと有用な結果は得られません。

SIMPLIS PERIODIC_OP コンポーネントの X1 はMOSFETのゲート端子 Q1 に接続されています。この電圧がVREF（デフォルトで 2.5 V）を超えると、SIMPLISにスイッチングイベントを通知します。

シミュレーションを実行して結果を確認してください。Show Progressオプションがオンになっているため、回路が周期的な動作点に達するまでのサイクル数を確認できます。 線形分割インダクタコンポーネントL2は、トランスフォーマーTX2の飽和効果をモデル化しています。これは、実際のトランスフォーマーのよく知られた特性であり、コアが飽和し始めるとコイルのインダクタンスが一定ではなくなり、低下するものです。この例では、トランスフォーマーの一次巻線と並列にコンポーネントとして配置されていますが、ほぼ同じくらい簡単にトランスフォーマーのモデルファイルに組み込むことができます。線形分割関数自体は、コア材料の透磁率の知識から近似されています。SIMPLISはまだ、この知識から線形分割近似を自動的に作成する方法を提供していません。線形分割フィットは、シミュレーションの精度とパフォーマンスの間のトレードオフです。

オプトカプラコンポーネントU1のモデルファイルは、いくつかのTransim回路テンプレートで使用されているgen_optoスキーマティックからネットリストを生成することによって作成されたため、少し変わって見えるかもしれません。このコンポーネントをモデル化する方法は多数あり、再び精度と性能のトレードオフがあります。

フルブリッジコンバータ

AC解析を使用する回路の別の例として、File » Open Project を選択し、開くプロジェクトを選択ダイアログが表示されたら、C:\Program Files\Altium Designer\Examples\Circuit Simulation\ Full-Bridge Converterフォルダに移動してFull-Bridge Converter.PrjPCBプロジェクトを開きます。これは別のDC--DCコンバータ回路です。この回路はSIMPLISを念頭に置いて設定されているので、この回路はSIMPLISで実行するようにしてください。

SIMPLIS PERIODIC_OP コンポーネント X1 はこの例では UC1825 コントローラデバイス U1 のクロック同期出力に接続されています。この例ではクロックを2で割る必要があるため、信号はまずトグルフリップフロップを通過しています（PERIODIC_OP コンポーネントにも同じことをする Divide By Two パラメータがあります）。

シミュレーションを実行して結果を確認してください。過渡解析の信号は不規則に見えるかもしれませんが、これはデフォルトの垂直軸のスケールが最も詳細を表示するためです。軸をクリックしてスケールを変更するか、シミュレーションに信号を追加して、右クリックメニューの Add Wave To Plot を使用して同じプロットに複数の波形を表示してみてください。

キャパシタとインダクタのコンポーネントの初期条件は、SIMPLISが初期動作点を見つけるために不可欠です。初期条件のいくつかを変更して、これがSIMPLISにどのような影響を与えるかを確認してみてください。

正確なシミュレーションのためのヒント

異なるシミュレーターは異なる方法で機能するため、同じ回路に対して性能が大きく異なる場合や結果が異なる場合があります。
性能、精度、収束性に問題がある場合は、問題を診断して解決するためのいくつかのヒントをここに示します：

• 回路が物理的に正確であることを確認してください。特にデフォルトのキャパシタ、インダクタ、ダイオードモデルは、実際に存在する寄生抵抗やリーク抵抗を含まないため、少し非現実的になることがあります。ダイオードの場合、モデルがRSパラメータを設定していることを確認してください。より現実的なキャパシタとインダクタのモデルには、SIMetrix Devices.IntLibからキャパシタ（電解、シンプル）、キャパシタ（電解、詳細）、インダクタ（損失あり）を試してみてください。
• 電圧や電流に大きな不連続な変化を生じさせない高品質のモデルを使用していることを確認してください。
• 可能な限り、各シミュレータのネイティブモデルを使用してください。SIMetrixとSIMPLISのモデルは一般的にそれらのシミュレータ用に調整されているため、利用可能な場合はそれらを使用してください。
• ネイティブのSIMPLISモデルが見つからないが、SIMetrixのモデルが見つかる場合は、それを使用してください。SIMetrixのモデルは、他のSPICEモデルよりもSIMPLISへの変換に適していることが一般的です。
• SIMPLISが初期動作点を見つけられない場合は、初期条件を設定してください。ParametersタブのSim Modelダイアログで、BJT、キャパシタ、ダイオード、インダクタ、MOSFETモデルに初期条件を設定できます。Advanced SimとSIMetrixは、Use Initial ConditionsチェックボックスをTransient/Fourier Analysis Setupでオンにしない限り、これらの初期条件を無視します。
• Advanced SimまたはSIMetrixが初期動作点を見つけられない場合は、初期条件とノードセットコンポーネント（Simulation Sources.IntLibから）を使用して強制的に設定してください。これらのコンポーネントはSIMPLISでは無視されます。
• SIMetrixまたはAdvanced Simの過渡解析が「ステップ時間が小さすぎる」というエラーで失敗する場合は、異なる積分方法を使用するか、Advanced OptionsでABSTOLの値を増やして精度を緩和してみてください。調査する価値のある他のオプションには、GMINSTEP（Advanced Sim内）、およびABSTOLMAXとGMINSTEPITERLIMIT（SIMetrix内）があります。

► SIMetrixおよびSIMPLISアプリケーションの使用に関するさらなるヒントについては、TransimとCatenaのドキュメントを参照してください。

トラブルシューティング

図15: Altium DesignerでのSIMetrixを使用したタイムアウトエラーの問題

Catena Softwareは、Altium Designerから直接駆動できるようにSIMetrix/SIMPLISを修正する上で非常に役立っています。

SIMetrix/SIMPLISインターフェースでは、時々タイムアウトが発生することがあります。SIMetrix/SIMPLISでダイアログを開いている場合、Altium Designerからの応答がなく、最終的にTimed outメッセージが表示されることがあります。 このメッセージ（上記のような）が表示された場合は、SIMetrix/SIMPLISで開いているダイアログをすべて閉じ、操作を再試行してください。