村田多層陶瓷電容器的動(dòng)態(tài)模型和演變的電路模擬

日前，村田制作所(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“村田”)在其官網(wǎng)上公開(kāi)了最新研發(fā)的多層陶瓷電容器的動(dòng)態(tài)模型。該動(dòng)態(tài)模型最大的特點(diǎn)就是在展示電路模擬時(shí)，能夠反映任意指定溫度和施加DC偏置電壓時(shí)的特性。

圖1：利用多層陶瓷電容器的動(dòng)態(tài)模型計(jì)算阻抗值的事例

近年來(lái)，隨著電子設(shè)備信號(hào)高速化、元件數(shù)量增加以及高密度貼裝化，設(shè)計(jì)難度也在不斷增大。設(shè)計(jì)人員為了降低試制成本，減少試制實(shí)驗(yàn)次數(shù)，充分利用電路模擬技術(shù)，就必須要在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確率較高的設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)高精度的模擬，必須設(shè)定高精度元件樣品，特別是在高介電常數(shù)的條件下能夠顯示出溫度和DC偏置電壓的依存性，因?yàn)樵诓煌瑮l件下，容量和ESR(Equivalent Series Resistance，等價(jià)串聯(lián)阻抗，電容器阻抗值的實(shí)數(shù)成分)的變動(dòng)也不可忽視。例如，設(shè)計(jì)DC-DC轉(zhuǎn)換器時(shí)，除了DC偏置電壓的依存性外，還要考慮發(fā)熱引起的溫度依存性(圖2)。

圖2：與靜電容量值的溫度和DC偏置電壓相對(duì)的依存性

在進(jìn)行這樣的設(shè)計(jì)時(shí)，如果能有可以根據(jù)電路的操作條件動(dòng)態(tài)反映其依存性的元件模型，將會(huì)大有幫助。村田提供的多層陶瓷電容器的動(dòng)態(tài)模型(Murata's dynamic model，能夠動(dòng)態(tài)反映特性差異原因的模擬用元件模型)通過(guò)電路模擬，能夠高精度并且動(dòng)態(tài)地反映溫度和施加DC偏置電壓時(shí)的特性。這是如何實(shí)現(xiàn)的呢?簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，等價(jià)電路模型在常溫(25℃)下的DC偏置以0V靜態(tài)模型(Murata's static model，指定條件時(shí)的元件模型。僅有電路的基本要素(R、L、C)構(gòu)成)為基準(zhǔn)，將它與被稱(chēng)作工作電源的電源模型并聯(lián)連接。因?yàn)殡娫茨Ｐ蜁?huì)根據(jù)溫度和施加的DC偏置電壓自動(dòng)計(jì)算容量和ESR的變化部分，所以成為了動(dòng)態(tài)反映這些依存性的結(jié)構(gòu)。

構(gòu)成村田動(dòng)態(tài)模型的元件基本上能對(duì)應(yīng)DC解析、AC解析、過(guò)渡解析等各種各樣的解析，因此能夠有效實(shí)施高準(zhǔn)確率的電路設(shè)計(jì)。目前，對(duì)應(yīng)各軟件的模型程序庫(kù)可以在村田官網(wǎng)下載使用，這些模型程序庫(kù)已被眾多客戶(hù)使用，并備受好評(píng)。

此外，村田官網(wǎng)上的設(shè)計(jì)輔助工具SimSurfing同樣可以通過(guò)圖表確認(rèn)使用動(dòng)態(tài)模型計(jì)算的各種各樣的特性。例如，可通過(guò)多個(gè)元件改變DC偏置電壓的同時(shí)，簡(jiǎn)單比較阻抗的頻率特性。在SimSurfing上輸入任意溫度和DC偏置電壓，都能夠輸出輸入條件下的S參數(shù)和SPICE網(wǎng)表。輸出的SPICE網(wǎng)表是僅通過(guò)電路的基本要素(R, L, C)構(gòu)成的靜態(tài)模型，因此模擬器在不對(duì)應(yīng)動(dòng)態(tài)模型時(shí)和減少計(jì)算量負(fù)荷時(shí)非常有效。靜態(tài)模型不能自動(dòng)匹配電路上任意條件，在指定唯一條件時(shí)與動(dòng)態(tài)模型嚴(yán)格一致。

圖3：多層陶瓷電容器的動(dòng)態(tài)模型(事例)

表1：村田各種電路模擬器用的模型公開(kāi)狀態(tài)

我們可以用DC-DC轉(zhuǎn)換器的特性解析中使用的動(dòng)態(tài)模型的案例進(jìn)行說(shuō)明。圖4是降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路圖，將輸出端子的電壓測(cè)定值和模擬值進(jìn)行了比較。

圖4：降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路圖

動(dòng)態(tài)模型適用于輸出電路的平滑電容器，為方便比較，結(jié)合使用傳統(tǒng)靜態(tài)模型(常溫、DV電壓0V)時(shí)的計(jì)算值進(jìn)行展示。測(cè)量條件和計(jì)算條件的各種因素如表2所示。圖5是輸出端子中紋波電壓(左)和由于負(fù)荷變動(dòng)導(dǎo)致的電壓瞬態(tài)響應(yīng)(右)。紋波電壓通過(guò)除去直流成分的值進(jìn)行比較，可以看出動(dòng)態(tài)模型更接近。此外，瞬態(tài)響應(yīng)是指負(fù)荷由55Ω變到0.5Ω(電流由0,5A變?yōu)?A)時(shí)的電波波形，負(fù)荷變動(dòng)后，輸出電壓的值急速下降，動(dòng)態(tài)模型的計(jì)算值和測(cè)量值相對(duì)一致。電壓會(huì)部分隨著直流電流的增大而逐步攀升，雖然功率電感器的特性受到了影響，但由于本次功率電感器不適用于動(dòng)態(tài)模型，因此產(chǎn)生了許多差異。

表2：測(cè)量條件和計(jì)算條件的各種要素

圖5：輸出端子中紋波電壓和負(fù)荷變動(dòng)引起的電壓瞬態(tài)響應(yīng)(右)

不難看出，村田實(shí)施的動(dòng)態(tài)模型的制成方法具有極高的通用性，方便用于其他產(chǎn)品。功率電感器具有依存材料的物理性質(zhì)的直流重疊特性，而村田的動(dòng)態(tài)模型又能夠反映直流電流的阻抗值和Q值的依存性。因此，如果和多層陶瓷電容器一起使用的話(huà)，能夠進(jìn)行更高精度的模擬。在對(duì)應(yīng)動(dòng)態(tài)模型的程序庫(kù)方面，今后村田也將提供更多的模擬，同時(shí)將不斷擴(kuò)充新計(jì)算功能和對(duì)應(yīng)品種，滿(mǎn)足客戶(hù)各種各樣的需求。(圖6)

圖6：未來(lái)展望

隨著產(chǎn)業(yè)的不斷進(jìn)步，產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計(jì)對(duì)信號(hào)(SI)、電源(PI)、電磁干擾(EMI)等品質(zhì)的要求進(jìn)一步提高，提高反映元件重要特性的高精度模型變得越發(fā)重要。顯然，村田的動(dòng)態(tài)模型能夠很好地滿(mǎn)足這些期望，今后村田還將繼續(xù)擴(kuò)充適用品種和機(jī)能，繼續(xù)致力于使用電路模擬的開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)。