전자 설계에서 SPICE 시뮬레이션이란 무엇일까요?

전자 설계 전문가라면 SPICE 시뮬레이션에 대해 꽤 많이 알고 있을 것입니다. 하지만 오래된 몇몇 전자 엔지니어조차 여전히 회로를 설계할 때 자신의 직감과 경험을 활용합니다. SPICE 시뮬레이션은 아마도 PCB 설계, 집적 회로 설계 또는 기타 전기 시스템 설계를 위한 전자 설계에 사용되는 가장 유명한 시뮬레이션 도구일 것입니다. 하지만 더 깊이 살펴봤을 때 SPICE 다이어그램은 무엇이며, SPICE 소프트웨어 시뮬레이션은 어떻게 작동하고, SPICE 시뮬레이터를 사용의 모범 사례는 무엇일까요?

SPICE 시뮬레이션을 사용하는 것이 처음이고 전자 PCB 설계자로서 시뮬레이터를 사용해 본 적이 없어도 괜찮습니다. 전기 시뮬레이션의 전문가가 될 필요는 없지만, SPICE 시뮬레이터를 사용하는 방법과 결과를 해석하는 방법을 알면 여러 응용 분야에 대해 정확하게 설계하는 데 도움이 됩니다. 계속 읽으며 SPICE 소프트웨어 시뮬레이션과 설계에서 이를 사용하는 방법에 대해 자세히 알아보세요.

SPICE 시뮬레이션이란 무엇일까요?

회로 설계 소프트웨어 SPICE는 'Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis(집적 회로용 시뮬레이션 프로그램)'의 약어지만, 단순한 집적 전자 회로 설계 이상의 용도로 사용할 수 있는 시뮬레이션 프레임워크입니다. 오픈 소스로 릴리스된 기존의 Berkeley 애플리케이션은 오늘날 SPICE 시뮬레이션 애플리케이션의 토대가 됩니다. SPICE 전자 애플리케이션은 여러 아날로그 또는 혼합 신호 회로의 전기적 동작을 시뮬레이션하는 데 사용될 수 있습니다. 많은 디지털 시뮬레이션 작업을 기본 SPICE 시뮬레이션 애플리케이션에서 수행할 수 있으며, 더 특수한 SPICE 프로그램 시뮬레이터로 디지털 회로에 대한 논리 시뮬레이션을 실행할 수 있습니다.

일반적인 SPICE 시뮬레이션 애플리케이션에서는 다음과 같은 몇 가지 기본 분석을 수행할 수 있습니다.

• DC 스윕: 회로의 DC 전류가 DC 입력 전압의 함수로 계산되는 기본 시간 독립적 시뮬레이션입니다. 입력 전압이 스윕되면 결과가 그래프로 표시됩니다.
• 과도현상 분석: 비선형 컴포넌트 및 임의 파형이 있는 회로와 같은 AC 회로를 시뮬레이션하기 위한 기본 애플리케이션입니다. 결과는 시간 영역에 표시됩니다.
• 주파수 스윕: 과도현상 분석에 대한 복합 시뮬레이션입니다. 필터 또는 임피던스 정합 네트워크로 수행할 수 있는 것과 같이 주파수 영역에서 회로 응답을 계산하는 것이 포함됩니다.
• 매개변수 스윕: 회로의 매개변수는 다른 시뮬레이션의 일환으로 몇몇 값을 통해 스윕될 수 있습니다. 이는 종종 여러 컴포넌트 값을 실험하고 이들이 전기적 동작에 어떤 영향을 미치는지 확인하는 데 사용됩니다.

이러한 기본 분석 외에도 여러 상업용 SPICE 전자 시뮬레이터 애플리케이션에는 다양한 기능, 사용자 인터페이스 및 명령이 포함되어 있습니다. 상업용 애플리케이션에서 또는 온라인 오픈 소스 프로그램으로 제공되는 다양한 SPICE 시뮬레이터는 자체 접두사 또는 접미사(예: HSpice, LTSpice 등)를 갖습니다. 프로그램 자체는 사용자 경험 및 기능 측면에서 서로 매우 다를 수 있지만, 이 프로그램들은 모두 회로 분석 문제를 해결하기 위해 동일한 기본 알고리즘에 의존합니다.

SPICE 전자 솔루션 알고리즘

SPICE 회로 시뮬레이터 다이어그램을 생성할 때 사용되는 기본 솔루션 기술은 노드 분석입니다. 노드 분석 기술은 선형 방정식 시스템(행렬로 작성됨)을 반환하고 행렬 산술을 사용하여 이 시스템을 풉니다. 이 알고리즘은 단순한 회로에 대해서는 수동으로 구현할 수 있지만, 대규모 회로에서는 빠르게 다루기 힘든 문제가 됩니다. 예를 들어 100개 이상의 컴포넌트와 비슷한 수의 네트가 있는 회로에서는 전압과 전류를 확인하기 위해 대규모 행렬 방정식을 풀어야 합니다.

특정 회로에 대한 행렬 방정식을 도출할 때는 노드 분석을 위해 회로 다이어그램에서 노드를 정의해야 하며, 각 컴포넌트의 전압 강하에 대해 일련의 선형 방정식이 도출됩니다. 아래 이미지에는 세 개의 노드(A, B, C로 레이블이 지정됨)와 기준 노드로 사용되는 GND가 나와 있습니다. 노드 분석에서 GND가 '기준 노드'로 사용된다는 것은 '노드에서' 측정된 전압이 GND에 대해 측정됨을 의미합니다. 실제로 여러 기준 노드를 가질 수 있는데, 이는 다양한 퍼텐셜에서 여러 전기적 분리 접지를 갖는 것과 같습니다.

행렬 방정식

위의 회로에서 행렬 방정식은 인접한 노드 간 전압 강하의 함수인 일반 형식을 갖습니다. 즉, 우리는 노드(GND가 기준 노드로 사용된다고 가정)와 입력 전압 세트 간 전압 차의 함수인 방정식을 작성할 수 있습니다.

이 행렬 방정식에서 계산해야 하는 전압(V)은 주파수 영역에 있을 수도 있고 시간 에 따라 달라질 수도 있습니다. 여러 시간과 주파수에 대해 이 방정식을 반복하면 각 노드의 전압과 전류를 계산할 수 있습니다. 이 작업은 수동으로 수행할 수 있지만, 통합 SPICE 시뮬레이터가 이 지루한 프로세스를 자동화합니다.

이 형식의 행렬 방정식을 얻고 나면 일반적으로 '가우스-조던 소거법'으로 알려진 기술을 사용하여 이러한 방정식을 반복적으로 풀 수 있는 지점까지 소거합니다. 직접 코딩하려는 경우 이 방법에 대한 자세한 내용을 온라인에서 찾아볼 수 있습니다. 하지만 SPICE 시뮬레이터는 가우스-조던 소거법의 반복 계산을 매우 효율적으로 수행할 수 있습니다.

집적 SPICE 시뮬레이터로 생산성 유지하기

PCB 설계자라면 시뮬레이션보다 라우팅에 훨씬 더 집중했을 것입니다. 하지만 오늘날의 PCB 레이아웃 설계자는 전기 엔지니어의 역할도 수행해야 합니다. 즉 설계자는 회로 설계에 시간을 들일 가능성이 크며 적절한 기능을 보장하기 위해 회로의 시뮬레이션을 실행해야 합니다. 오늘날의 설계자는 심지어 펌웨어 개발, 제조 준비, 소싱 및 기계 설계와 같은 다른 작업도 수행해야 합니다.

최고의 PCB 설계 애플리케이션은 SPICE 시뮬레이션 도구, PCB 레이아웃 기능 및 기타 필요한 모든 것을 단일 전자 애플리케이션으로 통합합니다. SPICE 시뮬레이션이 무엇인지 알고 나면 Altium Designer®의 완벽한 설계 툴 세트를 사용하여 SPICE 전자 시뮬레이터 다이어그램의 모든 측면을 설계하고 시뮬레이션할 수 있습니다. 그러면 외부 회로도 캡처 유틸리티를 사용하지 않고도 컴포넌트를 빈 PCB 레이아웃으로 가져올 수 있습니다. Altium Designer에서 업계 최고의 설계 도구를 사용하여 PCB의 모든 측면을 관리하세요.

설계를 완료하여 프로젝트를 공유하려는 경우 Altium 365™ 플랫폼을 사용하면 다른 설계자와 쉽게 협업할 수 있습니다. Altium 365에서 Altium Designer로 할 수 있는 작업은 이보다 훨씬 많습니다.

제품 페이지에서 SPICE 전자 및 SPICE 시뮬레이터에 대한 자세한 기능 설명을 읽어 보거나 온디맨드 웨비나 중 하나를 확인해 보세요.