定番回路シミュレータ LTspice 部品モデル作成術

イントロダクション

ちゃんとした部品モデルさえあれば…

こんなにいいものありません！
「電子回路シミュレーション」
電子回路シミュレーションとは電子回路を作らなくてもふるまいがパソコン上でパッとわかる！
電子回路や半導体の電気的特性を表す等価回路やテーブルを「部品モデル」と言います

実行すると波形を計算！

イントロダクション

こんなにいいものありません！「電子回路シミュレーション」

17作り直しの連鎖地獄に！

部品選定＆
回路設計

基板の設計＆製造

部品の発注

実装

動かない！
性能が出ない！
壊れた！
実験

ちゃんと
動けば完成！
一発でできる人はこれでＯＫ…

18

イントロダクション

こんなにいいものありません！「電子回路シミュレーション」

一発で試作が終わることも！

部品選定＆
回路設計

必要に応じて部品モデルを作成＆登録

動かない！
性能が出ない！

ちゃんと動けば
基板と部品をゲットして実験で確認！

イントロダクション

こんなにいいものありません！「電子回路シミュレーション」

19電子回路シミュレーションの問題…部品モデルが揃わない！

たった 1 個でも部品モデルが欠けていると計算できない！

そもそも IC や部品のモデルがない
ちょっと
あります

まぁまぁ
あります

ほとんどありませ〜ん

20

イントロダクション

こんなにいいものありません！「電子回路シミュレーション」

今どきの部品モデルはもってない部品モデルは作れる！

イントロダクション

こんなにいいものありません！「電子回路シミュレーション」

21

部品モデルを自作できるとさらに嬉しいことに…

実は提供されている部品モデルも不完全！
実際の
等価回路

メーカ提供

理想的
MOSFET！

メーカ提供
モデルでは
浮遊容量な
どを表せて
いない…

油断
するな…

大丈夫，
直せます

22

イントロダクション

等価回路を含めた部品として定義してやる

こんなにいいものありません！「電子回路シミュレーション」

実機のふるまいをかなり再現できるシミュレーション波形

ちょっとしたパラメータの違いで現れなくなる現象もちゃんと再現！

実測波形

イントロダクション

こんなにいいものありません！「電子回路シミュレーション」

23

本書では！

欲しい部品モデルの…

考え方はどんな SPICE
でも同じやけど，LTspice で解説！

24

イントロダクション

こんなにいいものありません！「電子回路シミュレーション」

付属 CD-ROM の収録内容

Windows XP/Vista/7/8 で動作を確認しています．
CD-ROM を開いたとき表示される画面を図 1 に示します．付属 CD-ROM には以下の三つが収録されています．
●

電子回路シミュレータ LTspice（リニアテクノロジー社）●

150 種類以上の部品モデル●

本書で解説しているシミュレーションのファイル

電子回路シミュレータ
LTspice 本体

モデルを自作するときの参考になる部品モデルを数十種類収録（抜粋は表 1）

自分で試せる！
本書の解説中に出てくるシミュレーションのファイル

図1

CD-ROM のトップ・ページ（index.htm）

付属CD-ROMの収録内容

11

● 150 種類以上の部品モデル
自分でモデルを作成するときの参考になるように，さまざまな部品のモデルを収録しています．収録したモデルの一部を表 1（pp.14-15）に示します．
図 1 の「モデル一覧」をクリックして表示される画面を図 2 に示します．部品モデルは，
図 3 に示すように，3 種類のファイルをまとめた zip ファイルになっています．評価レポー
トには，データシートや実測の特性とどの程度一致しているかをまとめてあります．

リンク先の zip ファイルを
ダウンロード

いくつかのデバイスでは動作条件
や作り方の違うモデルも収録

図2

CD-ROM にある LTspice の部品モデル一覧のページ

モデル・ファイル一式がまとめられた zip ファイルがダウンロードできる

回路図シンボルSPICE モデル
評価レポート．データシートや実測データとどのくらい一致しているモデルかがわかる

図3

12モデル・ファイル一式の中身

付属 CD-ROM の収録内容

▲

複数のモデルを収録しているデバイスもある
いくつかのデバイスでは，モデルを複数収録しています．
例えば小信号ダイオード 1SS397 は，パラメータ・モデルと等価回路モデルの両方を収録しています．この二つのモデルは，図 4 に示すように，逆回復特性の再現性が異なります．等価回路モデルのほうが，実測特性をよく再現しています．ただし，等価回路モデルは作成がかなり難しくなります．

パルス
信号源

順方向電流200ｍA

順方向から逆方向に変わる時の電流を見る

逆方向に切り換える
とき一瞬だけ逆方向に電流が流れる(a) 逆回復特性の測定回路(b) 実測した逆回復特性曲線が表せていない(c) パラメータ・モデルの逆回復特性

図4

実測に近い

(d) 等価回路モデルの逆回復特性

再現性などが異なる複数のモデルを収録しているデバイスもある

小信号ダイオード 1SS397 の例．等価回路モデルのほうが再現性は良い．しかしパラメータ・モデルのほうが作りやすい付属CD-ROMの収録内容

13

表1

付属 CD-ROM に収録している LTspice 用部品モデル（抜粋）

すべて評価レポート付きなので，どの程度の精度があるモデルなのかを確認して使える部品の種類

小信号スイッチング・
ダイオード

型 名

メーカ

パラメータ・モデル

1SS250

パラメータ・モデル

1SS272
1SS370東芝

1SS400ローム

ローム

1SR154-400

14パラメータ・モデル
新電元工業

パラメータ・モデル

S3L60

パラメータ・モデル

1R5GZ41

パラメータ・モデル
東芝

パラメータ・モデル
パラメータ・モデル（TC =80℃）
パラメータ・モデル（TC =110℃）
パラメータ・モデル（TC =150℃）

11DQ06

日本インター

パラメータ・モデル

1N5822

PANJIT

パラメータ・モデル

CRS04

東芝

パラメータ・モデル

SCS110AG

ローム

パラメータ・モデル
等価回路モデル（逆特性の再現性が向上）

CSD01060A

1N4760A

CREE

等価回路モデル等価回路モデルオン・セミコン
等価回路モデルダクター

SLD323V

SONY

発光ダイオード

OSM57LZ161D

OptoSupply

フォトカプラ

TLP350

東芝

付属 CD-ROM の収録内容

パラメータ・モデル
パラメータ・モデル

C4D30120D

レーザー・ダイオード

サンケン電気D3SB8020GL2C41A

ツェナー・ダイオード

パラメータ・モデル
パラメータ・モデル（TC =80℃）
パラメータ・モデル（TC =110℃）
パラメータ・モデル（TC =150℃）

D1NL20U
S3K60

SiC シ ョ ッ ト キ ー・ バ リ
ア・ダイオード

パラメータ・モデル

パラメータ・モデル
パラメータ・モデル（TC =80℃）
パラメータ・モデル（TC =110℃）
パラメータ・モデル（TC =150℃）

整流用ダイオード
FML-G14S

パラメータ・モデル

パラメータ・モデル
パラメータ・モデル（TC =80℃）
パラメータ・モデル（TC =110℃）
パラメータ・モデル（TC =150℃）

1SR139-600

1SR153-400

パラメータ・モデル
パラメータ・モデル
等価回路モデル（逆回復特性に再現性がある）

1SS397

ショットキー・バリア・ダイオード

モデルの種類1SS187等価回路モデル
パラメータ・モデル
等価回路モデル部品の種類Junction FETMOSFET

トランジスタ型 名メーカ

2N4416

VISHAYSILICONIX

パラメータ・モデル

MTM23223

パナソニックパラメータ・モデル

TPC8014東芝

2SA1015
2SC1815IGBT

GT15M321

東芝

東芝

モデルの種類パラメータ・モデル
等価回路モデル（プロフェッショ
ナル・モデル）
パラメータ・モデル
パラメータ・モデル
IGBT：MOSFET+BJT 型モデル
内蔵寄生ダイオード：パラメータ・モデル，
等価回路モデル，電流減少率モデル

ボルテージ・レギュレータ

uPC7893A

ルネサス エレクトロニクス 等価回路モデル

シャント・レギュレータ

AN1431T

パナソニック等価回路モデル

サイダック／トリガ・ダ
イオード

K1V14

新電元工業

等価回路モデルZNR ／サージ・アブソー
バ

ERZV05D391

パナソニック等価回路モデル

DTA123EE

ローム

等価回路モデルRN1418東芝

等価回路モデル

C10UF16V

エルナー

等価回路モデルディジタル・トランジス
タ／ BRT
電解コンデンサ

C22U50V

HER-MEI

等価回路モデルEEUFM1E821L

パナソニック等価回路モデル

DE1E3KX332MA5B

村田製作所

等価回路モデル

コイル

L7447140

Wurth
Elektronik

等価回路モデルDC モータRS-540SH

マブチモーター

等価回路モデル

T1-100LB

Siam Bee
Technologies

等価回路モデル

FPV2090SFM1

富士電機

等価回路モデル

FMS-200

福島ソーラー

等価回路モデルHEM115PA

HONDA

等価回路モデル

PV-MX185H

三菱電機

等価回路モデルHIP-200BK5

パナソニック等価回路モデルND-165AA

シャープ

等価回路モデル

12AX7

GENERAL
ELECTRIC

等価回路モデル

セラミック・コンデンサ

スイッチング電源用トラ
ンス

太陽電池

真空管

6V6
300B

Western
Electric

等価回路モデル等価回路モデル付属CD-ROMの収録内容

15

シミュレーションに必要なファイルがまとめてあるフォルダ
へのリンク

図5

CD-ROM にあるシミュレーション・データ一覧のページ

シミュレーションごとに必要なファイルがフォルダにまとめられている

拡張子 asc が回路ファイル

図6

シミュレーションごとのフォルダの中身

ファイルをすべてコンピュータ上にコピーして使う● 本書で解説しているシミュレーションのファイル
本書では，最終的にモデルを作り上げるまでに，さまざまなシミュレーションを行っています．それらをすぐに実行できるファイルを収録しています．
図 1 の「データ一覧」をクリックして表示される画面を図 5 に示します．部品ごと（章ごと）に分けてあります．
フォルダに収録されているデータの例を図 6 に示します．

16

付属 CD-ROM の収録内容

定番回路シミュレータ LTspice 部品モデル作成術

第1章

これが定番！

無償の電子回路シミュレータ

LTspice
1-1

LTspice の特徴

ここの電圧
波形が右側

図 1-1

機能や素子数の制限なし！

無償の電子回路シミュレータ LTspice

回路図を描き，その回路が動作したときの理論上の電圧や電流をみることができる．半導体メーカのリニア
テクノロジー社が提供■ 最大の特徴！

無償で素子数や機能の制限がない！

LTspice（図 1-1）は，半導体メーカのリニアテクノロジー社が提供している無償の電子回路シミュレータです．フル装備の回路シミュレータであり，実務で十分に活用できます．

1-1

LTspiceの特徴

27

定番回路シミュレータ LTspice 部品モデル作成術

第2章

まずやってみよう！

電子回路シミュレーション
2-1

交流電源から DC 電圧を作る電源回路をシミュレーション

この回路全体が現れる

図 2-1

試してみるサンプルのシミュレーション回路

スイッチング電源のコントロール IC LT3798 の呼び出し画面で［Open this macromodel's test fixture］
ボ
タンをクリックするとサンプル回路が開く

LTspice には，リニアテクノロジー社の IC とそのアプリケーション回路が多数収録されているので，それらを呼び出せば，すぐにシミュレーションできます．
1
ここでは例として，スイッチング電源のコントロール IC LT3798 注（リニアテクノロ

注 1：LT3798 は，最近の交流電源で必要なことが増えているアクティブ力率補正（PFC）機能を備えた，絶縁型フライバック電源コントローラです．コンバータに出力電圧を帰還するのにフォトカプラが不要で，部品点数を減らせます．LED 照明などに応用できるよう，定電圧，定電流どちらの制御も可能になっています．

2-1

交流電源からDC電圧を作る電源回路をシミュレーション

35

定番回路シミュレータ LTspice 部品モデル作成術

第3章

部品モデルに必要なこと

回路図シンボル：回路上での形状などを表現
回路図シンボルのファイル（.asy）.subckt

部品

SPICE モデル：電気特性を表現

SPICE モデルのファイル（.sub など）

図 3-1

3-1

LTspice で使う部品には二つのファイルが必要

部品モデルを使えるようにするにはLTspice を活用するには，LTspice に標準装備されている部品モデルだけでなく，外部で入手した部品モデルを取り込んだり，自分で作成したモデルを取り込んだりして，活用できる環境作りが大切です．

● 自分で使う部品のモデルは自分で用意する
LTspice を活用するには，自分に必要な部品のモデルを揃えなければなりません．リニ
アテクノロジー製品の部品のモデルは充実していますが，その他の部品のモデルはほとん
どありません．自分がよく使う部品のモデルを LTspice に取り込んで，自分の最適な環境を構築していきましょう．

3-1

部品モデルを使えるようにするには

47

定番回路シミュレータ LTspice 部品モデル作成術

第4章

SPICE モデルその 1：

パラメータ・モデル
部品のモデルは，回路図シンボルと SPICE モデルで構成されます．このうち SPICE モ
デルは大きく分類すると，パラメータ・モデルと等価回路モデルの 2 種類があります．この章では，SPICE モデルがパラメータ・モデルの場合について LTspice への取り込み方を解説します．

4-1

だいたいの動作を把握するには十分！ パラメータ・モデル● SPICE モデルは 2 種類ある
SPICE モデルを分類すると 2 種類あります．パラメータ・モデルと等価回路モデルです．パラメータ・モデルは，モデル・パラメータのみで表現されている SPICE モデルです．
等価回路モデルは，名前の通り，電子部品が何らかの等価回路で表現されています．これらは，SPICE モデルのネットリストの最初の行で判断できます．
●

パラメータ・モデルの場合
ネットリストの表記が .model で始まる●

等価回路モデルの場合
ネットリストの表記が .subckt で始まる

● パラメータ・モデルで表現できる部品パラメータ・モデルで表現できる代表的な部品は，次の通りです．
ダイオード（.model D）
トランジスタ（.model Q）
ジャンクション FET（.model J）
MOSFET（.model M）

4-1

だいたいの動作を把握するには十分！パラメータ・モデル

51

定番回路シミュレータ LTspice 部品モデル作成術

第5章

SPICE モデルその 2：等価回路モデル
部品モデルは回路図シンボルと SPICE モデルで構成され，このうち SPICE モデルは大きく分類すると，パラメータ・モデルと等価回路モデルの 2 種類があります．本章では，SPICE モデルが等価回路モデルの場合の LTspice への取り込み方を解説します．

5-1

すべての部品が表せる！ 等価回路モデル● 等価回路モデルとは実際にどういうものか
等価回路モデルの場合，SPICE モデルのネットリストでは，最初の行のはじまり
が，.subckt になります．等価回路モデルは，パラメータ・モデルだけでは表現できない電子部品を等価回路で表現している SPICE モデルのことをいいます．等価回路モデルは
主に二つのモデルから構成されます．
・素子モデル（ダイオード，トランジスタ，MOSFET，抵抗，コンデンサ，コイルなど）
・SPICE の標準ライブラリの中にあるアナログ・ビヘイビア・モデル
この二つを使ってほぼすべての部品の等価回路を表現します（Appendix 参照）．

● 回路図シンボル・ファイルと SPICE モデルの関係
部品モデルは，二つのファイルで構成されています．回路図シンボルのファイルと
SPICE モデルのファイルです．これらの二つのファイルは関連付けられなければなりま
せん．
ウェブなどで部品のモデルを入手した場合，SPICE モデルと回路図シンボルのファイ
ルの関係は，大きくすると三つのケースがあります．それぞれについての等価回路モデルを作成する場合のポイントを解説します．自分で SPICE モデルを作成した場合はケース 2

5-1

すべての部品が表せる！ 等価回路モデル

65

定番回路シミュレータ LTspice 部品モデル作成術

第6章

従来の PSpice モデルをLTspice モデルに置き換える方法

LTspice には，リニアテクノロジー製品の部品モデルは数多く標準装備されています
が，回路を設計する場合，半導体部品だけではなく，受動部品，バッテリ，センサ，モータなどの部品モデルが必要になることもあります．リニアテクノロジーの製品だけでは回路設計ができません．ほかの SPICE モデルも用意しないといけません．
世の中で流通している SPICE モデルは，現状 PSpice モデルが主流であり，LTspice で使いたいときは取り込まないといけません．

6-1

LTspice は PSpice 用モデルをかなりそのまま使える● LTspice と PSpice の相性はとても良い
他の SPICE 系電子回路シミュレータと比較すると，LTspice は PSpice との相性が非常に良く，回路図シンボルは LTspice 用に自作する必要はあっても，修正なしで使用できるモデルがたくさんあります．LTspice は，PSpice の SPICE モデルの資産も継承できるプ
ラットフォームであり，世界中の回路設計者が使用しています．
ただし，LTspice で使用できない PSpice モデルや，修正を加える必要がある PSpice モ
デルもあります．

6-2

LTspice では使用できない PSpice モデル● その 1…PSpice のディジタル素子ライブラリが使われているモデル
PSpice は，独自にディジタル素子ライブラリを充実させています．そのため，ディジ
タル IC の SPICE モデルは PSpice のディジタル素子で表現されているものが多くあります．そのようなモデルは，LTspice だけでなく，PSpice 以外の SPICE 電子回路シミュレー

6-2

LTspiceでは使用できないPSpiceモデル

85

定番回路シミュレータ LTspice 部品モデル作成術

第7章

部品：抵抗
再現：インピーダンス
特性
7-1

抵抗の等価回路モデル● 2 種類のよく使う抵抗器を例にモデルを作成してみる
抵抗器には色々な種類があります．代表的な例として，次の 2 種類の抵抗について，
SPICE モデルを作成してみます．
（1）カーボン皮膜抵抗［写真 7-1（a）］：4.7k Ω（2）セメント抵抗［写真 7-1（b）］：50 Ω 5W
カーボン抵抗は，電子工作で良く使用される種類の抵抗です．安価ですが，温度係数が大きいのが弱点です．E12，E24 などの規格にそって幅広い抵抗値があります．
セメント抵抗は，巻き線型抵抗や酸化金属皮膜抵抗などを耐熱性に優れたセメントで固めた抵抗です．用途は，大電力用であり，大きな電流が流れる場合に使用されます．弱点
は，インダクタンス成分が大きく，高周波用の回路には使用できないことです．

● 回路が動作する周波数が高くなると寄生成分を考慮する必要がある
回路解析シミュレーションでは抵抗は通常，抵抗のシンボル図を表示させ，値に抵抗値を入力します．しかし，高周波領域でシミュレーションをする場合，抵抗といえども，寄生素子を考慮した周波数特性モデルを採用する必要性があります．

（a）カーボン皮膜抵抗写真 7-1（b）セメント抵抗

抵抗の SPICE モデルを作成してみる

7-1

抵抗の等価回路モデル

93

定番回路シミュレータ LTspice 部品モデル作成術

第8章

部品：汎用ダイオード
応用：整流回路
本章からは，実際に回路を組んで測定した実測データと，シミュレー
ション結果のデータを比較していくことにします．正しくモデルを作成すれば，シミュレーションでも実測に近いデータが得られることを確認できます．まずは，半導体モデルの中で最も簡単なモデルである汎用ダイ
オードのモデルを作成してみます．題材は整流回路（電源回路）です．

8-1

汎用ダイオード・モデルを作成して整流回路を再現● 回路と再現する波形
本章では，整流回路の実機の動作をシミュレーションで再現します．整流回路を図 8-1に示します．トランスで，入力 AC220V から出力 AC16V に降圧し，整流ダイオードで整流し，C 1，C 2 の電解コンデンサで平滑化しています．オシロスコープで観察した実機の電圧および電流波形を図 8-2（a）に示します．

● デフォルトの SPICE モデルを安易に使うと実機のふるまいを再現できない今回採用した整流ダイオードは 1SR139-400（ ローム）です．正確にモデリングした
SPICE モデルを使って LTspice でシミュレーションした結果を図 8-2（b）に示します．
1SR139-400 の SPICE モデルは提供されていないので，LTspice でデフォルトとして用意されているダイオードのモデルを使用した場合のシミュレーション結果を図 8-2（c）に示します．
SPICE モデルがないからといって回路シミュレータに標準でついてくるダイオード・
モデルを安易に採用すると，実機とシミュレーション結果が合いません．その型名にあった SPICE モデルを使う必要があります．

8-1

汎用ダイオード・モデルを作成して整流回路を再現

101

定番回路シミュレータ LTspice 部品モデル作成術

第9章

部品：電解コンデンサ
応用：整流 / 電源回路
本章では，整流 / 電源回路で使う電解コンデンサの SPICE モデルの作成＆チューニング方法を解説します．電解コンデンサの SPICE モ
デル作成法を把握できれば，より作成しやすいセラミック・コンデン
サやフィルム・コンデンサの SPICE モデルも作れるようになります．
半導体だけでなく，受動部品にも，再現性のある等価回路モデルを採用することで，実機に近いふるまいを再現できます．

9-1

電解コンデンサのモデルを改良して整流回路のリプル波形を再現● シミュレーションする回路と再現対象
シミュレーションする整流回路を図 9-1 に示します．回路図上は，ダイオードのモデルを作成した前章と同じです．
入力の AC220V からトランスで AC16V に降圧，4 本の汎用整流ダイオード（D1 〜 D4）で整流し，C 1，C 2 の電解コンデンサで平滑化します．その時の出力波形にはリプルが出現
します．
D1
リプル波形
の測定点
D2
AC
220V

AC
16V

C1
2200μ
D3

D4

図 9-1

リプル電圧

C2

RL

2200μ

100Ω

D1〜D4：
電圧基準点
整流ダイオード，
1SR139-400（ローム）
C 1 , C 2：電解コンデンサ

解析する整流回路

9-1

電解コンデンサのモデルを改良して整流回路のリプル波形を再現

117

定番回路シミュレータ LTspice 部品モデル作成術

第 10 章

部品：ショットキー・
バリア・ダイオード
応用：誘導負荷の駆動回路
本 章 で は， シ ョ ッ ト キ ー・ バ リ ア・ ダ イ オ ー ド（SBD）の
SPICE モデルの作成 & チューニング方法について紹介します．
第 8 章の汎用ダイオードと比べると，バリア金属のエネルギ・
ギャップ・パラメータ EG を指定したり，VF が低いため N ＝ 1固定だったりといった点が違います．
ショットキー・バリア・ダイオードは逆電流が大きくて逆方向の電圧 - 電流特性がダラダラと変化するため，降伏点の値だけではうまく特性を表せません．等価回路を作成できればその特性を表せますが，そんなに簡単ではありません．代表的な降伏点の電圧値と電流値を使って，なるべく再現性のある電子回路シミュレーションを行ってみます．常温25℃と高温 125℃の温度解析にもトライしてみます．

10-1

目標：ショットキー・バリア・ダイオード・モデルを作成して誘導負荷回路を再現● 回路と再現する波形
今回は，図 10-1 の誘導負荷駆動回路の実機動作をシミュレーションで再現します．
誘導性負荷と並列に，MOSFET が OFF したときに生じるエネルギの通路となるダイ
オードが接続されています．
パルス電源にて，パルス電圧を発生させ，ゲート抵抗（RG ）を介して MOSFET をスイッチングさせます．そのときのゲート - ソース間電圧（VGS ），ドレイン電流（ID ），ドレイン ソース間電圧（VDS ）の波形を観察します．

10-1

目標：ショットキー・バリア・ダイオード・モデルを作成して誘導負荷回路を再現

133

定番回路シミュレータ LTspice 部品モデル作成術

第 11 章

部品：コイル
応用：スイッチング
電源回路
本章では，コンデンサと並んで主要な受動部品であるコイルの SPICE モデルを作成する方法について解説します．コイル
も，コンデンサ同様デフォルトのモデルでは，現実の素子の特性をうまく表せないので，等価回路モデルを作ります．題材は，コイルの用途として大きな割合を占めるスイッチング電源回路です．

11-1

目標：コイルの SPICE モデルを作成して，スイッチング
電源回路の出力ノイズを再現● 回路と再現する波形
今回は，コイルの等価回路モデルを作成することで，フォワード・コンバータ（FCC：
Forward Coupling Converter）
回路という絶縁型スイッチング回路（図 11-1）の出力側の実機動作（図 11-2）をシミュレーションで再現します．
FCC 回路の出力仕様は以下の通りです．
出力電圧：5V
出力電流：0.5A
整流
ダイオード

L1

D1

スイッチング・ノイズを再現するにはこのコイルのモデル作成がカギをにぎっている

71μH
入力
電圧

Vin

220Ω R 1 R
C2
2
D2
AC
C 1 22Ω 680p
6.6V
330p
50Hz

トランス出力図 11-1

フリーホイール・ダイオード

R3
22Ω

C3
680p

コイル
R4
の出力 270Ω
電圧

C4

4400μ

C5

4400μ

C6

4400μ

C7

4400μ

出力
電流

Iout

RL
10Ω

出力
電圧

Vout

VLout

D1，D2：ダイオード D5LC20U（新電元工業）C 4 〜 C 7：電解コンデンサ

今回再現するスイッチング電源回路（FCC 回路）とモデルを作成するコイル

11-1

目標：コイルのSPICEモデルを作成して，スイッチング電源回路の出力ノイズを再現

155

定番回路シミュレータ LTspice 部品モデル作成術

第 12 章部品：パワーMOSFET
応用：DC-DC
コンバータ回路
本章では，パワー MOSFET の SPICE モデルを作成 & チュー
ニングし，同期整流型の降圧 DC-DC コンバータの実機動作をシミュレーションで再現します．本回路では MOSFET コント
ロール IC も必要になります．次章で難しいといわれている IC の SPICE モデルの作成方法を解説します．

12-1

パワー MOSFET の SPICE モデルを作成して，
DC-DC コンバータ回路の動作を再現● 回路
降圧回路の仕様は次の通りです．
入力電圧：5V
出力電圧：1.8V
回路図を図 12-1 に示します．また，実験のようすと回路を写真 12-1 に示します．図12-1 のスイッチング・レギュレータのキー・デバイスは，コントロール IC と出力に使用する低耐圧パワー MOSFET です．
パワー MOSFET を外付けして使う大電流 DC-DC コントロール IC TPS5618（テキサス・インスツルメンツ）を使用します．この IC は二つのパワー MOSFET の ON/OFF を制御します．
外付け低耐圧パワー MOSFET は，ハイサイドとローサイドがあり，コントロール IC

12-1

パワーMOSFETのSPICEモデルを作成して，DC-DCコンバータ回路の動作を再現

173

定番回路シミュレータ LTspice 部品モデル作成術

第 13 章

部品：電源制御 IC
応用：DC-DC
コンバータ回路● 難しいといわれる IC の部品モデル作成にトライ！
本章では，IC の SPICE モデルの作成の仕方を解説します．IC の中にある回路をそのままモデル化するのは現実的ではないので，IC 内部を機能ブロックに切り分け，それぞれのブロックをシミュ
レーション可能な素子に置き換えることで，最終的に IC 全体のモデル化を実現します．
電源制御 IC を題材に，必要最低限の機能を自作する方法を，実際にモデルを作りながら解説します．

13-1

電源制御 IC の SPICE モデルを作成して，
DC-DC コンバータ回路の動作を再現● 回路と再現する波形
回 路 は， 前 章 と 同 じ， 図 13-1 の 同 期 整 流 型 DC-DC コ ン バ ー タ で す． 電 源 制 御 IC
TPS5618（ テキサス・インスツルメンツ）がハイサイドとローサイド，二つのパワー
MOSFET の ON/OFF を制御します．チョーク・コイル，電解コンデンサと合わせて降圧回路を構成し，安定化された電圧を出力します．
この制御 IC の SPICE モデルを作成し，IC が MOSFET へ出力する電圧，すなわち，
MOSFET ゲート - ソース間電圧を再現します（図 13-2）．

● 電源制御 IC 以外の部品モデル▶パワー MOSFET
今回ハイサイドとローサイドで使用したパワー MOSFET は，TPC8014（東芝セミコン13-1

電源制御ICのSPICEモデルを作成して，DC-DCコンバータ回路の動作を再現

199

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第 14 章

部品：バイポーラ・
トランジスタ 2SC1815
応用：LEDドライブ
本章は，バイポーラ・トランジスタの SPICE モデルの作成＆チューニング方法について紹介します．幅広く使われてきた
2SC1815（廃品種ですが小売では購入可能）などを例にします．

14-1

バイポーラ・トランジスタの SPICE モデルを作成して，
LED ドライブ回路動作を再現● 回路と再現する波形
今回は，NPN のトランジスタ，PNP のトランジスタを活用し，LED ドライブ回路の実機動作をシミュレーションで再現します．
回路図を図 14-1 に，波形を図 14-2 に示します．5V の DC 電源にてコレクタ - エミッタ

R3
2k

Q2
2SA1015
（東芝）

R2
10k

R1

Q1
2SC1815
（東芝）

1k

Vout

VPLS

図 14-1

LED ドライブ回路

14-1

ID 1

VCC
5V

LED
OSM57
LZ161D（Opto Supply）

写真 14-1 モデル化する 2SC1815の外観

バイポーラ・トランジスタのSPICEモデルを作成して，LEDドライブ回路動作を再現

213

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第 15 章部品：白色発光ダイオード
応用：LED
ドライブ回路本章では白色 LED の SPICE モデルの作成例を紹介し，バイ
ポーラ・トランジスタの SPICE モデルと組み合わせて，LED ド
ライブ回路のふるまいを再現します．

15-1

白色発光ダイオードの SPICE モデルを作成して，
LED ドライブ回路の波形を再現● 回路と再現する波形回路を図 15-1 に，再現する波形を図 15-2 に示します．
第 14 章 で は，LED ド ラ イ ブ 回 路 の バ イ ポ ー ラ・ ト ラ ン ジ ス タ 2SC1815（NPN）とR3
2k
Tr1
2SC1815

R2
10k

R1
1k

LED
D1
OSM57LZ161D

Tr2
2SA1015

VCC
5V

今回はこのLEDのモデルを作る

図 15-1

白色 LED ドライブ回路

シミュレーションのために用意した回路

15-1

白色発光ダイオードのSPICEモデルを作成して，LEDドライブ回路の波形を再現

235

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第 16 章

部品：エミフィルとプロードライザ
応用：FPGA 用
電源回路
最近の FPGA（フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ）は，低電圧大電流を出力できる電源が必要です．その電源回路に採用される 2 種類のフィルタ（入力側と出力側）のSPICE モデル作成方法を紹介します．

16-1

FPGA 用電源回路の出力特性を再現する● 対象回路：12A 出力の FPGA 用電源
今回モデルを作成するのは，FPGA 用の超低ノイズ電源モジュール LTM4601LN シリーズ（東京エレクトロンデバイス）の内部回路です．LTM4601LN は，リニアテクノロジーのDC-DC コ ン バ ー タ LTM4601 を 搭 載 し て い ま す． 詳 細 は（http://www.teldevice.co.jp/
product/ltc/focus.html）
を参照してください．

● フィルタのモデルをつくる
モジュールの回路図を図 16-1 に，外観を写真 16-1 に示します．写真 16-2 のように実装します． ここで検討する FPGA 電源回路の仕様は，次の通りです．
入力電圧：12V
出力電圧：1.05V
出力電流：12A
LTM4601 の モ デ ル は， リ ニ ア テ ク ノ ロ ジ ー が 提 供 し て い る も の を 利 用 し ま す．

16-1

FPGA用電源回路の出力特性を再現する

247

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第 17 章

部品：IGBT
応用：モータ駆動
回路
本 章 で は， モ ー タ・ ド ラ イ ブ 回 路 に 使 わ れ る IGBT のSPICE モデルの作成方法を紹介します．

17-1

IGBT の SPICE モデルを作成してモータ駆動回路の動作を再現● 回路と再現する波形
本章でシミュレーションでふるまいを再現する回路は，DC モータ駆動回路です．DC
モータをゲート制御回路やフォトカプラを経由して，IGBT でドライブします．
ゲート制御回路部分は，ドライバIC 自体の SPICE モデルを作成してそれを使うことも
電流計（0Vの電圧源）

V2
12V
Rser＝500m

実際は，ゲート・ドライバ制御ICまたはマイコンから制御信号が出力される．その信号を，パルス電源からの信号で置き換えている.tran 0 0.3s 0 10μ startup
フォトカプラ.lib rs-540sh.lib（次章でモデルを紹介）.lib tlp350.lib.lib gt8q101̲p.lib
U2
TLP350（東芝）.lib 1n5822̲s.lib
NC0
pls

R1
300Ω

A
K

V1
NC1

C

VCC

C

NC2
VO tlp
GND

m＋
m−

15V

VCC

Rg
120Ω

g

U1
RS-540SH
IL＝1

DCモータのモデル（次章でモデルの作成方法を解説）ILパラメータ（IL）
で負荷を設定U3
GT8Q101

IGBTモデル

PULSE（0 3.3 0 5n 5n 200μ 400μ）

図 17-1

VsenseD1
D1N5822

IGBT によるモータ駆動回路

17-1

IGBTのSPICEモデルを作成してモータ駆動回路の動作を再現

267

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第 18 章

部品：DC モータ
応用：モータ駆動回路
18-1

DC モータの SPICE モデルを作成してモータ・ドライブ回路の動作を再現

本章では，DC モータの SPICE モデル作成方法を紹介します．ブラシ付き DC モータもブラシレス DC モータもパラメータ値が違うだけで同様に扱えます．また，フォトカプラ
の SPICE モデルも紹介します．

● 回路と再現する波形対象となる回路は，ブラシ付き DC モータ駆動回路です．回路図を図 18-1
（図 17-1 の再掲）に示します．ゲート駆動回路，フォトカプラを経由して，IGBT で DC モータをドライ
電流計（0Vの電圧源）

V2
12V
Rser＝500m

実際は，ゲート・ドライバ制御ICやマイコンなどから制御信号が出力される．その制御信号を，パルス電源
で置き換えている.tran 0 0.9s 0 10μ startup
フォトカプラの.lib rs-540sh.lib
モデル.lib tlp350.lib
U2.lib gt8q101̲p.lib
TLP350（東芝）.lib 1n5822̲s.lib
VCC
NC0
pls

R1
300Ω

A

VO tlp

K

GND

NC1

VCC
15V

C
電流計

U1
RS-540SH
IL＝1

DCモータRS-540
SHのモデル．
IL パラメータで負荷を設定できる

C

Rg
120Ω
ゲート抵抗

PULSE（0 3.3 0 5n 5n 200μ 400μ）

m＋
m−

NC2

V1

図 18-1

VsenseD1
D1N5822g

U3
GT8Q101

IGBTモデル
（前章で作成）

LTspice で DC モータの駆動回路を再現する

18-1

DCモータのSPICEモデルを作成してモータ・ドライブ回路の動作を再現

291

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第 19 章部品：トランス
応用：絶縁型
スイッチング電源
本章では，トランスの SPICE モデルを作成して，絶縁型のスイッチング電源（絶縁型フライバック・コンバータ）の動作を再現してみます．

19-1

トランスの SPICE モデルを作成してスイッチング電源の動作を再現● 回路と再現する波形対象となる回路は，高電圧の絶縁型フライバック・コンバータ回路です．LT3511（リニ
アテクノロジー）というパワー素子内蔵の電源 IC を活用した回路です．出力電圧を 1 次側
フライバック波形から直接検出するため，トランス 3 次巻き線または絶縁のためのフォト
カプラが不要です．
スイッチング電源用ICIN

クランプ回路

C4

V1

R1

1μ

806k

U3

U1

VP

Vin

48V

EN/UVLO

R2
31.6k

31.6k C 3 3.3μ

Rfb
SW

TC

Rref

VC

Bias
GND

R 3 69.8k

VS

D2

R4
169k

C 5 2.2μ

OUT

U4
C22μ
50V

Rload
51Ω

今回モデルを作るトランス

R5

C 2 2.2μ電解コンデンサ

CRS04
（東芝）

D1

10k

LT3511（リニアテクノロジー）

図 19-1

U2
T1-100LB̲TR.lib c22u50v.lib.lib 1n4760a.lib.lib cmh04̲std.lib.lib crs04̲s.lib.lib t1-100lb̲tr.lib.tran 0 4ms 0 startup

D1：CMH04（東芝）
U3：1N4760A（オンセミコンダクター）

シミュレーションと試作を行った絶縁型スイッチング電源回路

19-1

トランスのSPICEモデルを作成してスイッチング電源の動作を再現

313

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第 20 章

部品：太陽電池
再現：日照変化時の出力特性
本章では，太陽電池のモデルを作成してみます．
太陽電池は，起電力が約 0.5V のセルを何個か直列にしてパッケージした，太陽電池パネルを入手するのが一般的です．今回は，125W の太陽電池パネルを例にモデルを作成しますが，出力の大小にかかわらず，ここで解説する方法でモデルを作成できます．

20-1

LTspice でシミュレーションできる範囲

太陽電池は，日照条件によって特性が変化するため，再現性の高い回路実験が困難であり，電子回路シミュレーションを使って解析すると有効です．

● 太陽電池セルから太陽光システムまで
太陽電池のセル，またはパネルを対象とする出力特性のシミュレーションをする場合と，
太陽光システム全体をシミュレーションする場合があります．
▲

その 1：太陽電池システムをシミュレーションする場合
太陽電池，パワー・コンディショナ，二次電池，インバータ回路などで構成され，実際の気象データである日射量を反映させ，全体をシミュレーションできます．仕様の発電能力があるかどうかや，一日を通じた負荷変動に対して電池の充放電でカバーできるかどうかなど，解析分野は多岐に渡ります．
▲

その 2：パネルを対象とするシミュレーションの場合
工夫次第では，影の影響を考慮したシミュレーションや，漏れ電流が発生した場合のシ

ミュレーション，バイパス・ダイオードの影響を考慮したシミュレーションなどができます．これらのシミュレーションは LTspice で可能です．

20-1

LTspiceでシミュレーションできる範囲

333

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第 21 章部品：真空管応用：オーディオ・
アンプ
Western Electric 社の三極真空管 300B の SPICE モデルを作成して，シングル電力増幅回路のシミュレーションをしてみます．300B は出力段の増幅回路に採用され，初段，2 段目の後に接続されるのが一般的ですが，今回は，仮想的な単段のシングル電力増幅回路を作ります．

21-1

三極管の特性と等価回路● オーディオ・アンプの設計に！ 真空管も LTspice でシミュレーション
現在，真空管が採用されている分野は，高級オーディオ・アンプ，ギター・アンプなどです．真空管アンプを自作する人も増えています．しかし，アンプの設計，定数決定など難しいのが実情です．回路実験をする場合，高電圧を取り扱うので，感電にも十分な注意が必要です．採用する真空管の SPICE モデルを作成すれば，真空管のアンプも LTspice
でシミュレーションできます．

■ 三極管の二つの電気的特性
三極管の回路図シンボルを図 21-1 に示します．三極管には，ヒータと電極が分離している傍熱管と，ヒータと電極が一緒になっている（フィラメントとよぶ）直熱管があります（図 21-2）．300B は直熱管です．シミュレーションでは，ヒータのことを考えないので，
この二つに区別はつけません．
三極管の電気的特性は二種類あります．グリッド特性（Eg -Ip 特性曲線）とプレート特性（Ep -Ip 特性曲線）です．

21-1

三極管の特性と等価回路

345

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第 22 章

部品：スピーカ
再現：シミュレーション
波形を音声として聴く！
オーディオ回路は，パワー・アンプを中心に SPICE シミュレータが得意とする回路分
野です．オーディオ用パワー・アンプの負荷はスピーカです．多くの場合，8 Ωあるいは4 Ωの抵抗で代用しますが，スピーカのインピーダンスには周波数特性があり，周波数によらずほぼ一定の値を持つ抵抗とは異なります．そこで，パワー・アンプの負荷にスピーカを表す周波数特性モデルを採用すると，周波数特性の再現性が向上します．

● ホントに聴ける！ シミュレーション波形を音声ファイルに出力
LTspice の .WAVE コマンドを使うと，シミュレーションで出力された波形を音声ファ
イル（.wav）に出力し，音声再生ソフトウェアなどで実際に音として聴くことができます．
音源の回路を作成し，スピーカのモデルを通したうえで，出力波形を音声ファイルに変換し，実際に耳で聴いてみましょう．

22-1

スピーカの SPICE モデル● スピーカの動作
スピーカとは，電気信号を物理的な振動に変化させ，音声を出力する装置です．スピー
カの構造を図 22-1 に示します．
オーディオ・アンプからの電流がスピーカのボイス・コイルに流れると，ボイス・コイ
ルが振動し，その振動がコーンに伝わります．その振動が空気を振動させ，電気信号が音に変換されます．

22-1

スピーカのSPICEモデル

363

このPDFは，CQ出版社発売の「定番回路シミュレータLTspice 部品モデル作成術」の
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法

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