株式會(huì)社村田制作所研發(fā)了多層陶瓷電容器的動(dòng)態(tài)模型，并在村田官網(wǎng)上公開（圖1）。動(dòng)態(tài)模型在展示電路模擬時(shí)，能夠反映任意指定溫度和施加DC偏置電壓時(shí)的特性。這里將介紹動(dòng)態(tài)模型和電路模擬的應(yīng)用事例。

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

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研發(fā)背景

近年來，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)，必須在短時(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，不同條件下，容量和ESR*1的變動(dòng)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）。進(jìn)行這樣的設(shè)計(jì)時(shí)，期望能有根據(jù)電路的操作條件動(dòng)態(tài)反映其依存性的元件模型。

圖2.與靜電容量值的溫度和DC偏置電壓相對(duì)的依存性

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動(dòng)態(tài)模型的概要

本公司提供的多層陶瓷電容器的動(dòng)態(tài)模型*2通過電路模擬，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。等價(jià)電路模型在常溫（25℃）下的DC偏置以0V靜態(tài)模型*3為基準(zhǔn)，將它與被稱作工作電源的電源模型并聯(lián)連接構(gòu)成的。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)成動(dòng)態(tài)模型的元件基本上能對(duì)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(shí)施高準(zhǔn)確率的電路設(shè)計(jì)。對(duì)應(yīng)各軟件的模型程序庫可通過本公司官網(wǎng)*4下載使用，至今為止被眾多客戶使用，且備受好評(píng)。

此外，村田官網(wǎng)上的設(shè)計(jì)輔助工具SimSurfing*5同樣可以通過圖表確認(rèn)使用動(dòng)態(tài)模型計(jì)算的各種各樣的特性。例如，可通過多個(gè)元件改變DC偏置電壓的同時(shí)，可以簡單比較阻抗的頻率特性。如果在SimSurfing上輸入任意溫度和DC偏置電壓，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(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，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.本公司各種電路模擬器用的模型公開狀態(tài)

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應(yīng)用事例

此處展示的是DC-DC轉(zhuǎn)換器的特性解析中使用的動(dòng)態(tài)模型事例。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(jìn)行了比較。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)算值和測量值相對(duì)一致。電壓的逐步攀升部分隨著直流電流的增大，雖然功率電感器的特性受到了影響，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.測量條件和計(jì)算條件的各種要素

圖4.降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路圖

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）

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未來展望

本公司實(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，本公司的動(dòng)態(tài)模型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(jìn)行更高精度的模擬。今后將對(duì)應(yīng)動(dòng)態(tài)模型的程序庫提供給更多的模擬，同時(shí)將不斷擴(kuò)充新計(jì)算功能和對(duì)應(yīng)品種，滿足各種各樣的客戶需求。（圖6）

圖6. 未來展望

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結(jié)語

本文介紹了多層陶瓷電容器的動(dòng)態(tài)模型和電路模擬的應(yīng)用事例。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。本公司的動(dòng)態(tài)模型滿足這些期望，今后將繼續(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發(fā)?設(shè)計(jì)。

【術(shù)語解釋】
*1: 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。
*2: 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。
*3: 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。