(P)SpiceItUp: 相対と絶対公差による精度と速度の管理におけるオプションのパワー

PSpice®には、Simulations SettingsダイアログボックスのOptionsタブに、強力でありながら見落とされがちな機能があります。このタブに用意されているデフォルト値は、ほとんどの状況に対応していますが、稀ではありますが、あり得ないことではないため、いつ値をいじりたくなるかわからないので、知っておいた方が良いでしょう。いずれにしても、これらのパラメータの多くで制御されている許容範囲は、結果の正確さを決定する上で重要であり、正確さが目標である以上、そのニュアンスを知ることは助けになります。

早速、簡単な例を挙げてみましょう。Options のカテゴリ一覧をざっと見ると、Auto Converge が目につくでしょう。このカテゴリの緩和されたデフォルト値は、シミュレーションが収束するように配慮します。一昔前のシミュレータをお使いの方は、収束に失敗するとシミュレーションオプションの知識を必要とする苛立ちを感じることが多かったと思います。もちろん、PSpice® A/Dのような最新のソルバーは、アルゴリズムにインテリジェントなヒューリスティック判断を組み込むことで、収束の落とし穴を回避しています。しかし、かつては、多くのシミュレーションは、Auto Converge オプションにチェックを入れ、緩和されたデフォルト値の使用を選択するだけで、ほとんどの場合、ノンコンバージェンスから救出されていました。これは、現代の自動車のアンチブレーキ・システムが、異常なシナリオで引き継ぐようなものです。稀に、値を少し変更しなければならないこともありますが、今でもこのオプションは存在していますので、万が一のために知っておいて損はありません。

この記事では、Analog Simulation セクションのGeneral とAuto Converge のカテゴリにある公差パラメータ、すなわちRELTOL、VNTOL と ABSTOL について説明します。また、自動収束セクションでは、デフォルトでRestart オプションが選択されており、シミュレーション時間が終了しても収束しない場合、PSpiceを一時停止することに注意してください。

許容値 (Tolerance) は、PSpiceやシミュレータだけに特有のものではなく、最終的に収束するまでの繰り返しのステップを含む数値解法を必要とする問題には必ず含まれます。例えば、多くのデータ解析アプリケーションでは、ABSTOLとRELTOLが必要になります。それではまず、これらの許容値の意味を正確に理解してみましょう。許容値とは、シミュレーションの各ステップの精度のことであり、つまり許容される誤差のことです。

他のシミュレータと同様にPSpiceの場合も、許容範囲の定義は以下の通りです:

• RELTOLは、電圧と電流の相対的な許容値です。これは普遍的な精度管理です。RELTOLは、ニュートン収束基準と時間ステップ制御アルゴリズムに直接影響します。それは、存在する信号の大きさに対する誤差の上限を指定します。
• ABSTOLは、シミュレーション実行中の電流の許容値または最高の精度です。それは，回路内の任意の場所に存在する最小の興味深い電流を定義します．ABSTOLより小さい電流は、収束をチェックする際に無視されます。
• VNTOLは、電圧の許容値またはシミュレーション実行時の電圧の最適な精度です。それは、回路内の任意の場所で注目すべき最小の電圧を定義します。VNTOLよりも小さい電圧は、収束を確認する際に無視されます。 

VNTOLまたはABSTOLはRELTOLを補完するもので、シミュレータによる非常に小さな電圧/電流の取り扱いに影響を与えます。この2つの値は、シミュレータがナノボルトやピコアンペアの信号をピコボルトやフェムトアンペアのレベルに収束させようとするのを防ぎます。

シミュレーションの精度と速度において、許容値はどのような意味を持つのでしょうか。許容値が非常に低い場合、精度は高くなりますが、シミュレーションの速度は逆に低下すると考えられています。PSpiceにはデフォルト値が用意されているので、ほとんどの場合はそれで問題ありません。しかし、シミュレーションを高速化したり、前述のように収束性を確保したりするために、デフォルト値を緩和したい場合があります。さまざまな値を試し、試行錯誤しながら最適な結果を得ることができますが、ここでは、精度と速度を最大限に高めるためのガイドラインをご紹介します:

RELTOL

通常、デザインを微調整するために何度もシミュレーションを繰り返すことになります。最初のラウンドではRELTOLをやや高めの値に設定してスピードを上げます。その後、RELTOLの値をデフォルトの0.001に変更することで、より正確な解を得ることができます。

ABSTOL と VNTOL

パワーエレクトロニクス回路など、電流や電圧のレベルに応じてABSTOLやVNTOLの精度を下げるには、以下のようにします: VNTOLなどの絶対公差は、回路内に存在する同種の最大信号よりも10E-6倍小さく設定します。ABSTOLは、ほとんどの実用的な回路では1nから1uの範囲にする必要があります。ほとんどのパワースイッチング回路では、ABSTOLに1nの値を推奨します。この場合、精度への影響はほとんどありません。数100ボルト以上のような高電圧で動作する回路の場合は、VNTOLを大きくする必要があります。

ランタイムでの許容値のスケジューリングと変更

公差の威力がわかったところで、一つ気になることがあります。それは、シミュレーションを一時停止して、Edit Runtime Settings ダイアログボックスで他のいくつかのパラメータと一緒に公差を変更できることです。

また、シミュレーションの実行中に .OPTIONSステートメントのSCHEDULE関数を使用して、過渡解析のためにこれらの3つのパラメータを変更するようにスケジュールすることもできます。ランタイムでの許容値の変更やスケジューリングの詳細については、PSpice A/D User Guideを参照してください。

まとめ

PSpiceには、生産性と精度を向上させるための重要なエッジとなる機能がたくさんあります。これらの機能の多くは、デフォルトの設定が、私たちが扱う最大のケースに適しているため、注目されません。これらの機能がどのように動作し、何ができるのかを知ることで、実験や改良を行うことができます。オプション」タブに用意されている多くのパラメータも、そのような機能の一つです。今回の記事では、許容範囲に関連するいくつかの重要なパラメータについて触れました。今後の記事では、他のパラメータについてもご紹介していきます。どうぞお楽しみに。

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Author: Shailly

Translator: Norikazu Takada

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