LTspiceで積層セラミック・コンデンサの直流バイアスによる容量変化を調べる (4) 各種のコンデンサを比較
■低ESR製品のシリーズを加え各種のコンデンサを比較する
今回は前回測定した次の表の１、２に加えて３、４を追加して直流バイアスの電圧値と容量変化の様子をLTspiceXVIIでシミュレーションしました。
| 型番 |
表示容量 [μF] |
定格電圧 [V] |
寸法 [mm] |
高さ [mm] |
使用温度 範囲 [℃] |
静電容量 許容差 [%] |
|
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | GRM155R71A474KE01 | 0.47 | DC10 | 1.0×0.5 | 0.5 | -55～125 | 10 |
| 2 | GRM155R6YA474KE01 | 0.47 | DC35 | 1.0×0.5 | 0.5 | -55～85 | 10 |
| 3 | GRM219B31E474KA88 | 0.47 | DC25 | 2.0×1.25 | 0.85 | -55～85 | 10 |
| 4 | LLL317R71C474MA01 | 0.47 | DC16 | 3.2×1.6 | 0.7 | -55～125 | 20 |
前回はGRM155シリーズのGRM155R71A474KE01、GRM155R6YA474KE01の二種類の比較を行いました。同じ大きさの形状のシリーズで同じ容量で定格電圧が異なったこの二つの積層セラミック・コンデンサの場合は、次に示すようにシミュレーションの結果はバイアス電圧に対してカットオフ周波数の変化は計算の誤差範囲で同じ変化を示しています。
前回示した結果ですが、シミュレーションの結果はV(out)の緑のラインの上にV(out2)の青のラインが上書きされています。
●ムラタのSPICEモデルデータ格納場所の指定
前回、GRM155R71A474KE01、GRM155R6YA474KE01のSPICEモデル・ファイルは回路図のファイルが格納されているフォルダにコピーしました。
今回は、ムラタのLTspice用のSPICEのモデル・ファイルを、
| Program Files\LTC|LTspiceXVII\lib\sub\mylib\murata |
の下にコピーし、次に示すようにControl PanelのSym. ＆ Lib. Search Pathのタグで、モデル・ファイルの格納場所のPathを設定しました。具体的な設定値を次に示します。
| C:\Program Files\LTC\LTspiceXVII\lib\sub\mylib\murata\MLCC_ltspice_10\GRM_ltspice_10\GRM21_ltspice_10 C:\Program Files\LTC\LTspiceXVII\lib\sub\mylib\murata\MLCC_ltspice_10\LLL_ltspice_10 C:\Program Files\LTC\LTspiceXVII\lib\sub\mylib\murata\MLCC_ltspice_10\GRM_ltspice_10\GRM15_ltspice_10 |
●GRM219B31E474KA88のシミュレーション
GRM219の形状は2.0×1.25mmで高さが0.85mmとGRM155シリーズより大きくなっています。
シミュレーション結果は次に示すように、カットオフ周波数はGRM155シリーズと異なった値になっています。
GRM219B31E474KA88のDCバイアスによる変化は、GRM155より少ないものになっています。
●LLL317R71C474MA01のシミュレーション
低ESR製品のシリーズの同じ容量の0.47μFを、GRM155シリーズの0.47μFと比較しました。
シミュレーション結果を次に示します。
シミュレーション結果を表にまとめ、カットオフ周波数とCR回路の時定数関係からバイアス電圧と容量の変化を確認するために、容量を次の式から求めました。
|
ｆc ＝1/（2πτ）＝1/(2πCR) |
|
バイアス DC電圧[V] |
GRM155R71A474KE01 | GRM155R6YA474KE01 | GRM219B31E474KA88 | LLL317R71C474MA01 | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| fc | μF | ％ | fc | μF | ％ | fc | μF | ％ | fc | μF | ％ | |
| 0 | 6199.52 | 0.257 | 100 | 6199.52 | 0.257 | 100 | 3659.80 | 0.435 | 100 | 3514.95 | 0.453 | 100 |
| 1 | 5832.62 | 0.273 | 106 | 5831.72 | 0.273 | 106 | 3646.81 | 0.436 | 100 | 3504.80 | 0.454 | 100 |
| 2 | 6141.00 | 0.259 | 101 | 6138.12 | 0.259 | 101 | 3658.07 | 0.435 | 100 | 3514.04 | 0.453 | 100 |
| 4 | 7688.05 | 0.207 | 81 | 7689.16 | 0.207 | 81 | 3704.47 | 0.430 | 99 | 3538.21 | 0.450 | 99 |
| 8 | 12433.30 | 0.128 | 50 | 12435.80 | 0.128 | 50 | 3888.35 | 0.409 | 94 | 3612.51 | 0.441 | 97 |
| 20 | 27284.50 | 0.058 | 23 | 27257.40 | 0.058 | 23 | 5505.27 | 0.289 | 66 | 4054.45 | 0.393 | 87 |
| 30 | 36732.90 | 0.043 | 17 | 36739.10 | 0.043 | 17 | 8287.10 | 0.192 | 44 | 4006.22 | 0.397 | 88 |
●DCバイアスと容量変化
縦軸はコンデンサの容量で単位はμF、横軸はバイアス電圧です。系列1はGRM155R71A474KE01、系列2はGRM155R6YA474KE01の値です。同じGRM155シリーズで容量の変化は同じなので系列1の青のラインに系列2の赤のラインが上書きされています。緑の系列3のラインはGRM219B31E474KA88のシミュレーション結果です。紫色の系列4はLLL317R71C474MA01のシミュレーション結果です。
●0V容量値を基準にした変化率
バイアス電圧を0Vとしたときの容量値を基準にして変化率をグラフにしました。
製品シリーズごとにバイアス電圧に対する容量変化も異なります。そのためにムラタではMLCCのコンデンサのバイアス電圧と容量変化をLTspiceでシミュレーションできるモデルを提供しています。このモデルを利用してバイアス電圧による容量の変化を確認することができました。
（2016/8/21 V1.0）
<神崎康宏>
バックグラウンド
ESR；40年ほど前、コンピュータが低い電圧で大電流を必要としたため、スイッチング電源のニーズが増え、急速に普及するにつれて、電解コンデンサの性能が著しく向上しました。デバイスの発生するノイズを抑えるためにコンデンサは、高周波性能の良い小型の形状をした積層セラミック・コンデンサにとって代わりました。どちらもESR（Equivalent Series Resistance；等価直列抵抗）が従来より著しく低く、回路の正常動作に寄与しています。
パワー回路用のフィルム・コンデンサ、容量の大きな電気二重層コンデンサもESRは数～数十mΩまで下がっています。