多層陶瓷電容器的動態(tài)模型和演變的電路模擬詳細分析

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

　　圖1：利用多層陶瓷電容器的動態(tài)模型計算阻抗值的事例

　　近年來，隨著電子設(shè)備信號高速化、元件數(shù)量增加以及高密度貼裝化，設(shè)計難度也在不斷增大。設(shè)計人員為了降低試制成本，減少試制實驗次數(shù)，充分利用電路模擬技術(shù)，就必須要在短時間內(nèi)實現(xiàn)準確率較高的設(shè)計。為了實現(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，因為在不同條件下，容量和ESR（Equivalent Series Resistance，等價串聯(lián)阻抗，電容器阻抗值的實數(shù)成分）的變動也不可忽視。例如，設(shè)計DC-DC轉(zhuǎn)換器時，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偏置電壓相對的依存性

　　在進行這樣的設(shè)計時，如果能有可以根據(jù)電路的操作條件動態(tài)反映其依存性的元件模型，將會大有幫助。村田提供的多層陶瓷電容器的動態(tài)模型（Murata‘s dynamic model，能夠動態(tài)反映特性差異原因的模擬用元件模型）通過電路模擬，能夠高精度并且動態(tài)地反映溫度和施加DC偏置電壓時的特性。這是如何實現(xiàn)的呢？簡單來說，等價電路模型在常溫（25℃）下的DC偏置以0V靜態(tài)模型（Murata’s staTIc model，指定條件時的元件模型。僅有電路的基本要素（R、L、C）構(gòu)成）為基準，將它與被稱作工作電源的電源模型并聯(lián)連接。因為電源模型會根據(jù)溫度和施加的DC偏置電壓自動計算容量和ESR的變化部分，所以成為了動態(tài)反映這些依存性的結(jié)構(gòu)。

　　構(gòu)成村田動態(tài)模型的元件基本上能對應(yīng)DC解析、AC解析、過渡解析等各種各樣的解析，因此能夠有效實施高準確率的電路設(shè)計。目前，對應(yīng)各軟件的模型程序庫可以在村田官網(wǎng)下載使用，這些模型程序庫已被眾多客戶使用，并備受好評。

　　此外，村田官網(wǎng)上的設(shè)計輔助工具SimSurfing同樣可以通過圖表確認使用動態(tài)模型計算的各種各樣的特性。例如，可通過多個元件改變DC偏置電壓的同時，簡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，因此模擬器在不對應(yīng)動態(tài)模型時和減少計算量負荷時非常有效。靜態(tài)模型不能自動匹配電路上任意條件，在指定唯一條件時與動態(tài)模型嚴格一致。

　　表1：村田各種電路模擬器用的模型公開狀態(tài)

　　我們可以用DC-DC轉(zhuǎn)換器的特性解析中使用的動態(tài)模型的案例進行說明。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定值和模擬值進行了比較。

　　圖4：降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路圖

　　動態(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）時的計算值進行展示。測量條件和計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）和由于負荷變動導致的電壓瞬態(tài)響應(yīng)（右）。紋波電壓通過除去直流成分的值進行比較，可以看出動態(tài)模型更接近。此外，瞬態(tài)響應(yīng)是指負荷由55Ω變到0.5Ω（電流由0，5A變?yōu)?A）時的電波波形，負荷變動后，輸出電壓的值急速下降，動態(tài)模型的計算值和測量值相對一致。電壓會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態(tài)模型，因此產(chǎn)生了許多差異。

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

　　不難看出，村田實施的動態(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，能夠進行更高精度的模擬。在對應(yīng)動態(tài)模型的程序庫方面，今后村田也將提供更多的模擬，同時將不斷擴充新計算功能和對應(yīng)品種，滿足客戶各種各樣的需求。（圖6）

　　圖6：未來展望

　　隨著產(chǎn)業(yè)的不斷進步，產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計對信號（SI）、電源（PI）、電磁干擾（EMI）等品質(zhì)的要求進一步提高，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，村田的動態(tài)模型能夠很好地滿足這些期望，今后村田還將繼續(xù)擴充適用品種和機能，繼續(xù)致力于使用電路模擬的開發(fā)、設(shè)計。