SPICEを活用したD級アンプ回路シミュレーション資料

SPICEを活用したD級アンプ回路
シミュレーションセミナー
【セミナー内容】
1.ドライバーICのスパイスモデル
2.パワーMOSFETのスパイスモデル
3.スピーカーのスパイスモデル
4.D級アンプの回路シミュレーションのポイン
ト
5. D級アンプの回路シミュレーションの解説
6.質疑応答
2013年5月30日(金曜日)
株式会社ビー・テクノロジー
http://www.beetech.info/
堀米毅
1Copyright (C) Bee Technologies Inc.2013

D級アンプの概要
【D級アンプの特徴】
スイッチングアンプまたは、PWMアンプです。D級アンプの各スイッチは、完全に
オンかオフになるかです。効率は90-95%であり、オーディオ信号がPWM搬送波
信号を変調し、出力デバイスを駆動します。出力ノイズは、最終段の低域通過
フィルタ(LPF)で除去する。
【A級アンプの特徴】
出力デバイスが常時導通→歪が小さく、直線性が優れているが効率が悪い(20%)
【B級アンプの特徴】
2つの出力デバイスは、正弦波の周期の半分だけ導通する。
入力信号がない場合、出力デバイスには電流は流れない。効率は、50%程度。
【AB級アンプの特徴】
A級アンプとB級アンプの組み合わせであり。一般的なパワーアンプの方式です。
出力の2つのデバイスは、同時に導通するが、クロスオーバーポイントの領域に
限定されます。効率は、50%程度。

出展:IR社

D級アンプのアプリケーション回路のデザインキット
http://ow.ly/luD7y

+
-
SPEAKER
F120A
V V
FET1
IRFIZ24N
V
V
V
V
FET2
IRFIZ24N
V1
FREQ = {f in}
VAMPL = { 1.4142*VOUT/Gv }
VOFF = 0
0
C4
1nF
+B
15V
+
C18
EKMG500ELL222MLP1S
C5
1nF
0
C6
1n R18
10
0
R19
2.2k
C1 10u
C14
MMH250K684
R4
220
C7
10u
IC = 10
R2
3k
R1
100k
C10 22u
IC = 15
OUT
C9
22u
IC = 12.85
MUR120RLG
D2
VS
IN
R13
10
R3
47k
L1
7G14N-220-RB
VB
R17
1
0
R20
3.3k
R21
8.2k
R8
820
+B
VREF
VAA
0
R6 8.2k
R7
1.2k
CSD
OCSET
IN-
U5
IRS2092
VAA
GND
IN-
COMP
CSD
VSS
VREF
OCSET DT
COM
LO
VCC
VS
HO
VB
CSH
VCC
0
DT
VSS 0
COMP
HO
R5
820
-B
R15
10
LO
VR1
75
-B
-15V
0
C2
10u
IC = 7
C8
10u
IC = 7
R11
10k
CSH
VS
C13
MMC400K104
0
C12
MMC250K474
R16
10
C11
RPER11H104K2K1A01B
C15
RPER11H104K2K1A01B
0Ls1
20nH
1
2
Ls2
20nH
1
2
Ls3
20nH
1
2
Ls4
20nH
1
2
R14
4.7
MUR120RLG
D1
0
R9
4.7k
+
C16
EKMG500ELL222MLP1S
C3
10u
IC = 14
Ls5
20nH
12
C17
RPER11H104K2K1A01B
R12
10k
PARAMETERS:
VOUT = 2
Gv = 15.85
f in = 1k
Time
505.0us 510.0us
V(VS)
-40V
0V
40V
Time
505.0us 510.0us
V(HO)
-40V
0V
40V
Time
505us 510us503us 513us
V(LO)
-20V
0V
Time
0.50ms 0.75ms 1.00ms 1.25ms
V(IN)
0V
-200mV
200mV
Time
505.0us 510.0us
V(COMP)
0V
-1.0V
1.0V
Time
0s 0.5ms 1.0ms
V(OUT)
-4.0V
0V
4.0V
D級アンプのアプリケーション回路

D級アンプのアプリケーション回路に必要な主要な部品のスパイスモデル
ドライバICのスパイスモデル
デバイスモデリングサービスでご提供
パワーMOSFETモデル
→スパイス・パークにて販売中(444モデル販売中)
プロフェッショナルモデル：3,000円
スタンダードモデル：2,000円
http://www.spicepark.info/mosfet/
スピーカーのスパイスモデル
→スパイス・パークにて販売中(44モデル販売中)
フルレンジ(全帯域用)、トゥイーター (高音用)：953円
http://ow.ly/luENe

パワーMOSFETのスパイスモデル
STEP1
STEP2
STEP3
調査
L:channel length(チャネル長) Unit:m
W:channel width(チャネル幅) Unit:m
TOX:thin oxide thickness(ゲート酸化膜厚) Unit:m
Transconductance Characteristic→KP
Measurement
→Table(Id,gfs)
Id:Contunuous Drain Current(DC) (ドレイン電流(直流))
Gfs:Forward Transconductance (順伝達コンダクタンス)
Transfer Curve Characteristic→VTO
Measurement
→Table(Vgs,Id)
Vgs:Gate-Source Voltage (ゲート・ソース間電圧)

STEP4
STEP5
Rds(on) Resistance Characteristic→RD
Data Sheet
→Id(A),Vgs(V),Rds(on)
Vgs:Gate-Source Voltage (ゲート・ソース間電圧)
Rds(on):Static Drain-Source On-state Resistance
(ドレイン・ソース間オン抵抗)
Zero-bias Leakage Characteristic→RDS
Data Sheet
→Idss(A),Vds(V)
Idss:Zero Gate Voltage Drain Current (ドレイン遮断電流)
Vds:Drain-Source Voltage (ドレイン・ソース間電圧)

STEP6
Turn-on Charge Characteristic→CGSO,CGDO
Data Sheet(Gate Charge Characteristic)
→Qgd(C),Qgs(C),Id(A),Vds(V)
Qgd:
Qgs:
Vds:Drain-Source Voltage (ドレイン・ソース間電圧)

STEP7
Capacitance Characteristic→MJ,PB
Data Sheet
→Vds(V), Coss(F),Crss(F)
MJ→M(Diode Model Parameter)
PB→VJ(Diode Model Parameter)
Data Sheet(Capacitance Characteristic)よりCoss(F),Crss(F)を抽出し、
Cbd(F)を算出する。
Diode Capacitance 特性と同様の考え方を適応させる。
Vds: Drain-Source Voltage (ドレイン・ソース間電圧)
Coss:Output Capacitance (出力容量)
Crss:Reverse Transfer Capacitance (帰還容量)
Cbd(F)=Coss(F)-Crss(F)

STEP8
Switching Time Characteristic→RG
Circuit for MOSFET Switching TimeにてMOSFET SPICE MODELを
回路に組み込みMOSFET MODEL PARAMETER:RGを変化させて
td(on)の合わせ込みを行なう。
Circuit for MOSFET Switching Timeには測定条件を反映させる。
td(on)は調査する。
STEP9
Body Diode
V-I Characteristic→IS,N,RS,IKF
Measurement
→Table(VSD,Is)

STEP10
Body Diode
Reverse Recovery Characteristic→TT
Measurement
→Output
STEP11
Body DIODEの抽出
OrCAD Release9 PSpice Model Editor(DIODE)で抽出
①V-I Characteristic→IS,N,RS,IKF
②Reverse Recovery Characteristic→TT

SiC MOSFET:SCU210AX
[MOSFET本体] MOSFET LEVEL=3 Model
IV特性
伝達特性(Id-gfs特性)
Vgs-Id特性
Rds(on)特性
CV特性(Vds-Cbd特性)=>cbd=Coss-Crss
ゲートチャージ特性:等価回路モデルでミラー効果を再現
スイッチング特性
[ボディ・ダイオード] Diode Model
IV特性
逆回復特性
U1
SCU210AX
G
S
D
Time*1mA
0 5n 10n 15n 20n 25n 30n 35n 40n
V(W1:3)
0V
2V
4V
6V
8V
10V
12V
14V
16V
18V
20V
等価回路モデル
LEVEL=3 Model

赤ライン内がスピーカーのSPICEモデルの等価回路図です。

緑色ライン内が電気的インピーダンスの等価回路図です。
黄色ライン内が機会的インピーダンスの等価回路図です。

D級アンプのキット(マルツエレック)
http://www.marutsu.co.jp/shohin_209827/

+
-
SPEAKER
F120A
V V
FET1
IRFIZ24N
V
V
V
V
FET2
IRFIZ24N
V1
FREQ = {f in}
VAMPL = { 1.4142*VOUT/Gv }
VOFF = 0
0
C4
1nF
+B
15V
+
C18
EKMG500ELL222MLP1S
C5
1nF
0
C6
1n R18
10
0
R19
2.2k
C1 10u
C14
MMH250K684
R4
220
C7
10u
IC = 10
R2
3k
R1
100k
C10 22u
IC = 15
OUT
C9
22u
IC = 12.85
MUR120RLG
D2
VS
IN
R13
10
R3
47k
L1
7G14N-220-RB
VB
R17
1
0
R20
3.3k
R21
8.2k
R8
820
+B
VREF
VAA
0
R6 8.2k
R7
1.2k
CSD
OCSET
IN-
U5
IRS2092
VAA
GND
IN-
COMP
CSD
VSS
VREF
OCSET DT
COM
LO
VCC
VS
HO
VB
CSH
VCC
0
DT
VSS 0
COMP
HO
R5
820
-B
R15
10
LO
VR1
75
-B
-15V
0
C2
10u
IC = 7
C8
10u
IC = 7
R11
10k
CSH
VS
C13
MMC400K104
0
C12
MMC250K474
R16
10
C11
RPER11H104K2K1A01B
C15
RPER11H104K2K1A01B
0Ls1
20nH
1
2
Ls2
20nH
1
2
Ls3
20nH
1
2
Ls4
20nH
1
2
R14
4.7
MUR120RLG
D1
0
R9
4.7k
+
C16
EKMG500ELL222MLP1S
C3
10u
IC = 14
Ls5
20nH
12
C17
RPER11H104K2K1A01B
R12
10k
PARAMETERS:
VOUT = 2
Gv = 15.85
f in = 1k
D級アンプ回路の出力MOSFETをSiC MOSFETに置き換えた場合
ROHM
SCT2080KE

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