村田多层陶瓷电容器的动态模型和演变的电路模拟

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。