村田多层陶瓷电容器的动态模型和演变的电路模拟

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日前,村田制作所(以下简称“村田”)在其官网上公开了最新研发的多层陶瓷电容器的动态模型。该动态模型最大的特点就是在展示电路模拟时,能够反映任意指定温度和施加DC偏置电压时的特性。

 

图1:利用多层陶瓷电容器的动态模型计算阻抗值的事例

近年来,随着电子设备信号高速化、元件数量增加以及高密度贴装化,设计难度也在不断增大。设计人员为了降低试制成本,减少试制实验次数,充分利用电路模拟技术,就必须要在短时间内实现准确率较高的设计。为了实现高精度的模拟,必须设定高精度元件样品,特别是在高介电常数的条件下能够显示出温度和DC偏置电压的依存性,因为在不同条件下,容量和ESR(Equivalent Series Resistance,等价串联阻抗,电容器阻抗值的实数成分)的变动也不可忽视。例如,设计DC-DC转换器时,除了DC偏置电压的依存性外,还要考虑发热引起的温度依存性(图2)。

 

图2:与静电容量值的温度和DC偏置电压相对的依存性

在进行这样的设计时,如果能有可以根据电路的操作条件动态反映其依存性的元件模型,将会大有帮助。村田提供的多层陶瓷电容器的动态模型(Murata's dynamic model,能够动态反映特性差异原因的模拟用元件模型)通过电路模拟,能够高精度并且动态地反映温度和施加DC偏置电压时的特性。这是如何实现的呢?简单来说,等价电路模型在常温(25℃)下的DC偏置以0V静态模型(Murata's static model,指定条件时的元件模型。仅有电路的基本要素(R、L、C)构成)为基准,将它与被称作工作电源的电源模型并联连接。因为电源模型会根据温度和施加的DC偏置电压自动计算容量和ESR的变化部分,所以成为了动态反映这些依存性的结构。

构成村田动态模型的元件基本上能对应DC解析、AC解析、过渡解析等各种各样的解析,因此能够有效实施高准确率的电路设计。目前,对应各软件的模型程序库可以在村田官网下载使用,这些模型程序库已被众多客户使用,并备受好评。

此外,村田官网上的设计辅助工具SimSurfing同样可以通过图表确认使用动态模型计算的各种各样的特性。例如,可通过多个元件改变DC偏置电压的同时,简单比较阻抗的频率特性。在SimSurfing上输入任意温度和DC偏置电压,都能够输出输入条件下的S参数和SPICE网表。输出的SPICE网表是仅通过电路的基本要素(R, L, C)构成的静态模型,因此模拟器在不对应动态模型时和减少计算量负荷时非常有效。静态模型不能自动匹配电路上任意条件,在指定唯一条件时与动态模型严格一致。

 

图3:多层陶瓷电容器的动态模型(事例)

 

表1:村田各种电路模拟器用的模型公开状态

我们可以用DC-DC转换器的特性解析中使用的动态模型的案例进行说明。图4是降压型DC-DC转换器的电路图,将输出端子的电压测定值和模拟值进行了比较。

 

图4:降压型DC-DC转换器的电路图

动态模型适用于输出电路的平滑电容器,为方便比较,结合使用传统静态模型(常温、DV电压0V)时的计算值进行展示。测量条件和计算条件的各种因素如表2所示。图5是输出端子中纹波电压(左)和由于负荷变动导致的电压瞬态响应(右)。纹波电压通过除去直流成分的值进行比较,可以看出动态模型更接近。此外,瞬态响应是指负荷由55Ω变到0.5Ω(电流由0,5A变为5A)时的电波波形,负荷变动后,输出电压的值急速下降,动态模型的计算值和测量值相对一致。电压会部分随着直流电流的增大而逐步攀升,虽然功率电感器的特性受到了影响,但由于本次功率电感器不适用于动态模型,因此产生了许多差异。

 

表2:测量条件和计算条件的各种要素

 

图5:输出端子中纹波电压和负荷变动引起的电压瞬态响应(右)

不难看出,村田实施的动态模型的制成方法具有极高的通用性,方便用于其他产品。功率电感器具有依存材料的物理性质的直流重叠特性,而村田的动态模型又能够反映直流电流的阻抗值和Q值的依存性。因此,如果和多层陶瓷电容器一起使用的话,能够进行更高精度的模拟。在对应动态模型的程序库方面,今后村田也将提供更多的模拟,同时将不断扩充新计算功能和对应品种,满足客户各种各样的需求。(图6)

 

图6:未来展望

随着产业的不断进步,产品研发、设计对信号(SI)、电源(PI)、电磁干扰(EMI)等品质的要求进一步提高,提高反映元件重要特性的高精度模型变得越发重要。显然,村田的动态模型能够很好地满足这些期望,今后村田还将继续扩充适用品种和机能,继续致力于使用电路模拟的开发、设计。

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