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(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。

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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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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(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 偏置電壓相對的依存性

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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？簡單來說，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)。

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構(gòu)成村田動(dòng)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(shí)施高準(zhǔn)確率的電路設(shè)計(jì)。

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。

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此外，村田官網(wǎng)上的設(shè)計(jì)輔助工具 SimSurfing 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)，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(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）

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表 1：村田各種電路模擬器用的模型公開狀態(tài)

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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(jìn)行了比較。

圖 4：降壓型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的電路圖

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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)?5A）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。

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表 2：測量條件和計(jì)算條件的各種要素

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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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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，能夠進(jìn)行更高精度的模擬。

在對應(yīng)動(dòng)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(shí)將不斷擴(kuò)充新計(jì)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

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隨著產(chǎn)業(yè)的不斷進(jìn)步，產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計(jì)對信號(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發(fā)、設(shè)計(jì)。

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