本發(fā)明涉及電路設(shè)計裝置、備用電源、電路設(shè)計程序以及電容器的能量算出方法。
背景技術(shù):
以往,已知有具備備用電源的存儲裝置。例如,在日本特開2014-63209號公報(專利文獻1)中公開了具有由電容器構(gòu)成的備用電源的閃速存儲器。
在先技術(shù)文獻
專利文獻
專利文獻1:日本特開2014-63209號公報
近年來,閃速存儲器的小型化、薄型化正在發(fā)展。與此相伴地,要求閃速存儲器的備用電源的薄型化。
作為閃速存儲器的備用電源,已知有例如導電性高分子電容器或者雙電層電容器(EDLC:Electric Double Layer Capacitor)。但是,它們是少數(shù)的較厚的層被樹脂封裝件所覆蓋的構(gòu)造,因此有時不能靈活地應(yīng)對薄型化。
層疊陶瓷電容器(MLCC:Multi-Layer Ceramic Capacitor)由許多的較薄的陶瓷層構(gòu)成,因此能夠通過減少陶瓷層而比較容易地進行薄型化。但是,已知例如在備用電源采用的MLCC中,存在具有靜電電容根據(jù)施加的電壓、施加電壓的時間、溫度而大幅變化的特性的MLCC。
式(1)是在靜電電容為電容C、放電開始電壓為電壓V1、放電結(jié)束電壓為電壓V2的情況下算出從電容器提供的能量的式子。
能量=1/2·C·(V12-V22)…(1)
利用式(1)的現(xiàn)有的電容器的能量計算方法以電容器的靜電電容大致恒定為前提。因此,在通過現(xiàn)有的電容器的能量計算方法來算出像MLCC那樣靜電電容根據(jù)使用的環(huán)境而不同的電容器的能量的情況下,有時算出的能量會背離實際的能量。例如在算出作為備用電源所需的MLCC的個數(shù)的情況下,以在所使用的環(huán)境中設(shè)想的最低的靜電電容為前提算出MLCC的能量。其結(jié)果是,算出的所需的MLCC的個數(shù)有可能比原來需要的個數(shù)多。因為安裝面積有限,所以當所需的MLCC的個數(shù)增加時,將難以進行包含MLCC的備用電源的薄型化。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于,提供一種能夠確切地算出電容器的能量的電路設(shè)計裝置、電路設(shè)計程序以及電容器的能量算出方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的電路設(shè)計裝置具備存儲部和控制部。存儲部構(gòu)成為,將電容器的第一靜電電容和一個以上的使用條件建立對應(yīng)進行存儲??刂撇繕?gòu)成為,算出一個以上的使用條件中被指定的使用條件下的電容器的能量。控制部構(gòu)成為,根據(jù)被指定的使用條件與第一靜電電容的對應(yīng)關(guān)系來算出被指定的使用條件下的第二靜電電容??刂撇繕?gòu)成為,使用算出的第二靜電電容來算出能量。
根據(jù)本發(fā)明,通過采用考慮了使用條件的能量算出方法,從而能夠確切地算出電容器的能量。其結(jié)果是,與現(xiàn)有相比,所需的電容器的數(shù)目減少且安裝面積減小,能夠?qū)崿F(xiàn)閃速存儲器的進一步的小型化、薄型化。
附圖說明
圖1是利用根據(jù)實施方式的電路設(shè)計裝置而設(shè)計的SSD(Solid State Drive:固態(tài)驅(qū)動器)的功能結(jié)構(gòu)圖。
圖2是示出在圖1的SSD中不能從電源正常地提供電源電壓的情況下的功能結(jié)構(gòu)的圖。
圖3是示出MLCC的特性的一個例子的圖。
圖4是用于說明考慮靜電電容根據(jù)施加的電壓而變化的特性(DC偏置特性)來算出電容器的能量的方法的圖。
圖5是根據(jù)實施方式的電路設(shè)計裝置的功能框圖。
圖6是用于說明根據(jù)測定的數(shù)據(jù)將DC偏置特性的近似式登記到數(shù)據(jù)庫的處理的流程圖。
圖7是示出為了作成DC偏置特性的近似式而預(yù)先測定的數(shù)據(jù)的實例的圖。
圖8是示出數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一個例子的圖。
圖9是用于說明計算電容器的能量的處理的流程圖。
圖10是示出輸入確定電容器的特性的信息以及使用電容器的條件的畫面的圖。
圖11是用于說明實施方式中的能量的計算方法的有用性的圖。
圖12是示出與圖11(b)不同的使用條件下的電容器的能量的實測值與通過實施方式的計算方法來求出的能量的比較的圖。
符號說明
10電路設(shè)計裝置,11、210控制部,12存儲部,13輸入部,14顯示部,100SSD,110接口,120存儲器控制器,130閃速存儲器,140降壓變換器,150升壓變換器,160備用電源,170開關(guān),200主系統(tǒng),220電源。
具體實施方式
以下,參照附圖對本發(fā)明的實施方式詳細進行說明。另外,對于圖中相同或?qū)?yīng)部分標注相同符號并不再重復其說明。
圖1是通過根據(jù)實施方式的電路設(shè)計裝置來設(shè)計的SSD(Solid StateDrive:固態(tài)驅(qū)動器)100的功能結(jié)構(gòu)圖。SSD100具備接口110、存儲器控制器120、閃速存儲器130、降壓變換器140、升壓變換器150、備用電源160以及開關(guān)170。
SSD100通過接口110來與主系統(tǒng)200連接。接口110將來自主系統(tǒng)200的信號和電力提供到SSD100。接口110例如包括IDE(Integrated Drive Electronics:電子集成驅(qū)動器)或者USB(Universal Serial Bus:通用串行總線)。
存儲器控制器120接受來自主系統(tǒng)200的控制部210的指令,向閃速存儲器130寫入數(shù)據(jù)或者向主系統(tǒng)200發(fā)送存儲在閃速存儲器130的數(shù)據(jù)。閃速存儲器130例如包括NAND型閃速存儲器。
降壓變換器140將從主系統(tǒng)200所具備的電源220提供的電源電壓Vin降壓至動作電壓Vout。降壓變換器140將動作電壓Vout提供到存儲器控制器120以及閃速存儲器130。電源電壓Vin例如為7V~33.5V左右。動作電壓Vout例如為3.3V左右。
升壓變換器150將電源電壓Vin升壓至例如33.5V左右并提供到包含MLCC的備用電源160。施加的電壓越大,積蓄在電容器的能量越大(參照式(1))。升壓變換器150的作用在于使備用電源160積蓄的能量增加。
備用電源160包含一個以上的MLCC。在備用電源160包含多個MLCC的情況下,多個MLCC進行串聯(lián)連接和/或并聯(lián)連接。
開關(guān)170的一端與備用電源160的正極端子連接,另一端與降壓變換器140的輸入端子連接。在電源電壓Vin為正常值的情況下,開關(guān)170斷開,不從備用電源160提供電壓。
例如,在從主系統(tǒng)200的電源220到接口110的線路斷線而不能從電源220正常地提供電源電壓Vin的情況下,開關(guān)170感測到電源電壓Vin的電壓下降而閉合(參照圖2)。其結(jié)果是,從備用電源160提供電源電壓Vin。
近年來,SSD100的小型化、薄型化正在發(fā)展。與此相伴地,要求閃速存儲器130的備用電源160的薄型化。
備用電源160包含的MLCC由許多的薄的陶瓷層構(gòu)成,因此能夠期待通過減少陶瓷層使備用電源160的薄型化、小型化。
另一方面,如圖3所示,已知MLCC具有靜電電容會根據(jù)例如施加的電壓(參照圖3(a))、施加電壓的溫度(參照圖3(b))、施加電壓的時間(參照圖3(c))而大幅變化的特性。
利用式(1)的現(xiàn)有的電容器的能量計算方法以電容器的靜電電容大致恒定為前提。因此,在通過現(xiàn)有的電容器的能量計算方法來算出像MLCC那樣靜電電容根據(jù)所使用的環(huán)境而不同的電容器的能量的情況下,有時算出的能量會背離實際的能量。例如在算出作為備用電源160所需的MLCC的個數(shù)的情況下,以在所使用的環(huán)境中設(shè)想的最低的靜電電容為前提來算出MLCC的能量。其結(jié)果是,算出的所需的MLCC的個數(shù)有可能比原來需要的個數(shù)多。因為安裝面積有限,所以當所需的MLCC的個數(shù)增加時,將難以進行包含MLCC的備用電源160的薄型化。
鑒于這樣的問題,在實施方式中通過采用考慮了MLCC的使用條件的能量算出方法,從而確切地算出MLCC的能量。因此,算出的MLCC的數(shù)目比現(xiàn)有所需的MLCC的數(shù)目少。其結(jié)果是,即使安裝面積有限,也能夠?qū)崿F(xiàn)SSD100的進一步的小型化、薄型化。
圖4是用于說明考慮靜電電容根據(jù)施加的電壓而變化的特性(DC偏置特性)來算出電容器的能量的方法的圖。一般來說,電容器的電壓會由于放電而下降。因此,在作為在非常時提供電力的備用電源用的電容器而采用MLCC的情況下,需要特別考慮DC偏置特性算出電容器的能量。圖4(a)是示出MLCC的DC偏置特性的圖。圖4(a)是用曲線對描繪了基于實測值求出的值的各點進行連結(jié)的圖表。
在放電開始電壓為電壓V1的情況下,根據(jù)圖4(a),放電開始時的靜電電容為電容C1。在放電開始時,在電容器中積蓄有C1·V1的電荷。在電容器的電壓下降至電壓V的情況下,當將此時的靜電電容設(shè)為電容C時,在電容器中積蓄有C·V的電荷。因此,在電壓從電壓V1降低至電壓V時放電的電荷是,從放電開始時積蓄的電荷減去電壓為V時電容器中積蓄的電荷而得到的值。因此,從電容器放電的電荷可表示為式(2)。
Q=C1·V1-C·V…(2)
圖4(b)是使用式(2)將作為電壓與靜電電容的對應(yīng)關(guān)系的圖4(a)的圖表上的各點變換為放電的電荷與電壓的對應(yīng)關(guān)系的圖。例如,圖4(a)中的點P1A、P2A分別與圖4(b)中的點P1B、P2B對應(yīng)。另外,點P1A、P2A是例示,實際上可使用圖4(a)的圖表上的更多點的電荷和電壓的數(shù)據(jù)來生成圖4(b)的圖表。在電壓從作為放電開始電壓的電壓V1下降至作為放電結(jié)束電壓的電壓V2的情況下,從電容器放出的能量E是圖4(b)中的斜線部分S的面積。即,能量E能夠通過對圖4(b)所示的圖表從0到Q進行積分而求出。
圖4(c)是用于說明求出圖4(b)的斜線部分S的面積的近似值的過程的圖。首先,以微小的間隔ΔQ對橫軸的0到電荷Q進行劃分。求出ΔQ的整數(shù)倍的值處的電壓Vn。接著,求出縱向長度為電壓Vn且橫向長度為間隔ΔQ的長方形Rn(=ΔQ·Vn)的面積。然后,將全部的長方形Rn相加。對以上進行總結(jié),斜線部分S的面積(能量E)可表示為以下的式(3)。
E=ΣRn…(3)
一般來說,在包括備用電源的電子設(shè)備的電路設(shè)計中進行電容器的能量的計算。以下,對通過圖4所示的計算方法計算備用電源所需的電容器的個數(shù)的電路設(shè)計裝置10進行說明。
圖5是根據(jù)實施方式的電路設(shè)計裝置10的功能框圖。如圖5所示,電路設(shè)計裝置10具備控制部11、存儲部12、輸入部13以及顯示部14。
控制部11對電路設(shè)計裝置10進行統(tǒng)一控制。雖然未圖示,但控制部11包括CPU(Central Processing Unit:中央處理單元)以及揮發(fā)性的存儲元件。存儲元件例如是SRAM(Static Random Access Memory:靜態(tài)隨機存取存儲器)或DRAM(Dynamic Random Access Memory:動態(tài)隨機存取存儲器)。
在存儲部12中預(yù)先存儲例如讀取到控制部11并執(zhí)行的OS(Operating System:操作系統(tǒng))、例如像CAD(Computer Aided Design:計算機輔助設(shè)計)那樣的各種應(yīng)用的程序、以及由該程序使用的各種數(shù)據(jù)(例如DC偏置特性的數(shù)據(jù)庫)。
輸入部13能夠從用戶接收用于操作電路設(shè)計裝置10的輸入,并能夠?qū)⒒谠撦斎氲男盘柊l(fā)送到控制部11。輸入部13例如包括鍵盤、鼠標或者觸摸面板。
顯示部14基于從控制部11接收的信號進行顯示。顯示部14例如也可以由液晶顯示器、等離子體顯示器或有機EL顯示器構(gòu)成。
在電路設(shè)計裝置10中,將各種MLCC的DC偏置特性登記到數(shù)據(jù)庫。登記到數(shù)據(jù)庫的DC偏置特性根據(jù)預(yù)先測定的數(shù)據(jù)求出。具體地,基于使施加電壓的溫度和施加電壓的時間變化而測定的數(shù)據(jù),對施加電壓的每個溫度和施加電壓的每個時間算出表示DC偏置特性的近似式,并將該近似式登記到數(shù)據(jù)庫。
圖6是用于說明根據(jù)測定的數(shù)據(jù)將DC偏置特性的近似式登記到數(shù)據(jù)庫的處理的流程圖。如圖6所示,在步驟S11(以下,將步驟簡單表示為S。)中,控制部11讀取測定的數(shù)據(jù),并使處理進入到S12。測定的數(shù)據(jù)的讀取例如是通過指定包含測定數(shù)據(jù)的規(guī)定的形式的文件來進行讀取的。
在S12中,控制部11作成表示DC偏置特性的近似函數(shù)并使處理進入到S13。在作成近似函數(shù)時,例如能夠使用SimSurfing。在S13中,控制部11將近似函數(shù)登記到數(shù)據(jù)庫。登記到數(shù)據(jù)庫的信息例如是近似函數(shù)的系數(shù)的列表。
圖7是示出為了作成DC偏置特性的近似式而預(yù)先測定的數(shù)據(jù)的一個例子的圖。圖7(a)是表示使施加電壓的溫度恒定并按施加的每個電壓使施加電壓的時間變化的情況下的靜電電容的變化的例子的圖表。在圖7(a)中,示出了電壓為3V、5V、8V、10V、16V、20V、33.5V、50V的情況下的各圖表。圖7(b)是示出基于圖7(a)使施加電壓的溫度恒定的情況下的、施加電壓的每個時間的DC偏置特性的圖。根據(jù)圖7(a)可導出使時間恒定的情況下的電壓與靜電電容的對應(yīng)關(guān)系。圖7(b)是示出該對應(yīng)關(guān)系的圖。在圖7(b)中,示出了施加電壓的時間為0.02小時(1.2分鐘)、1小時、24小時、96小時、192小時的情況下的各圖表。在數(shù)據(jù)庫登記了示出圖7(b)的各圖表的近似式。
圖8是示出數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一個例子的圖。如圖8所示,各關(guān)鍵字K1、K2、K3中的每一個分別與數(shù)據(jù)M1、M2、M3建立關(guān)聯(lián)。關(guān)鍵字例如包含MLCC的制造編號、名稱、材料、施加電壓的時間或者施加電壓的溫度。在各數(shù)據(jù)中,按施加電壓的每個溫度來包含施加電壓的每個時間的DC偏置特性。例如,在與關(guān)鍵字K1建立關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)M1中,包含施加電壓的溫度為0℃的情況下的DC偏置特性M11、施加電壓的溫度為25℃的情況下的DC偏置特性M12、施加電壓的溫度為85℃的情況下的DC偏置特性M13。關(guān)于與關(guān)鍵字K2建立關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)M2和與關(guān)鍵字K3建立關(guān)聯(lián)的M3也是同樣的。
圖9是用于說明計算電容器的能量的處理的流程圖。如圖9所示,在S21中,控制部11接受由用戶輸入的確定電容器的特性的信息以及使用電容器的條件的輸入。確定電容器的特性的信息例如包含MLCC的制造編號、名稱、或者材料。使用電容器的條件例如包含放電開始電壓、放電結(jié)束電壓、施加電壓的溫度以及施加電壓的時間。在S22中,控制部11從數(shù)據(jù)庫獲取表示與在S21中輸入的信息對應(yīng)的DC偏置特性的近似式。在S23中,控制部11通過在S22中獲取的、圖4所示的方法來算出能量。在S24中,控制部11將計算結(jié)果顯示在顯示部14。
圖10是示出輸入確定電容器的特性的信息和使用電容器的條件的畫面的一個例子的圖。如圖10所示,作為確定電容器的特性的信息,輸入芯片名稱(制造編號或產(chǎn)品名稱)以及材料(對應(yīng)于圖9的S21)。作為使用電容器的條件,輸入施加電壓的溫度、施加電壓的時間(電壓老化)、放電開始電壓以及放電結(jié)束電壓(對應(yīng)于圖9的S21)。進而,為了求出芯片數(shù)目,還輸入作為備用電源所需的能量?;谳斎氲男畔臄?shù)據(jù)庫獲取近似式(對應(yīng)于圖9的S22)?;讷@取的近似式算出一個芯片平均的能量(對應(yīng)于圖9的S23)。基于一個芯片平均的能量和所需能量來算出所需的芯片數(shù)目。更具體地,通過將所需的能量除以一個芯片平均的能量來算出芯片數(shù)目(對應(yīng)于圖9的S24)。例如在圖10中,所需能量為40mJ,一個芯片的能量為1.00mJ,因此所需的芯片數(shù)目表示為40。
圖11是用于說明應(yīng)用了實施方式中的能量的計算方法的例子的圖。圖11(a)是針對特定種類的芯片,比較了通過現(xiàn)有的計算方法來求出為確保所需的能量而需要的芯片數(shù)目的情況、和通過基于實施方式的計算方法來求出為確保所需的能量而需要的芯片數(shù)目的情況的圖。如圖11(a)所示,示出了所需能量為40mJ、施加電壓的溫度為85℃、施加電壓的時間(老化)為5年、放電開始電壓為33.5V、以及放電結(jié)束電壓為7V的情況。在實施方式中的數(shù)據(jù)庫中登記有基于施加電壓的溫度為85℃、施加電壓的時間為5年的測定數(shù)據(jù)的DC偏置特性。靜電電容利用LCR三用表進行測定。
通過實施方式的計算方法而求出的確保所需能量所需的芯片數(shù)目比通過現(xiàn)有的計算方法求出的芯片數(shù)目削減了大約18%。在實施方式的計算方法中,可考慮根據(jù)使用條件而變化的靜電電容來計算電容器的能量。因此,利用了實施方式中的計算方法的情況下的一個芯片平均的能量比利用現(xiàn)有的計算方法的情況下的一個芯片平均的能量多。其結(jié)果是,與現(xiàn)有相比能夠削減所需的芯片數(shù)目。
圖11(b)是對電容器的能量值的實測值和通過實施方式的計算方法而求出的能量進行比較的圖。如圖11(b)所示,實測值與基于實施方式的計算方法的能量的誤差為0.5%。
圖12是示出與圖11(b)不同的使用條件下的電容器的能量的實測值和通過實施方式的計算方法求出的能量的比較的圖。圖12(a)是示出施加電壓的溫度為0℃的情況下的比較的圖。在圖12(a)中,施加電壓的時間為一分鐘,放電結(jié)束電壓為7V。放電開始電壓為33.5V或20V。如圖12(a)所示,在放電開始電壓為33.5V的情況下,實測值與計算值的誤差的絕對值最大為5.8%(樣品D)。在放電開始電壓為20V的情況下,實測值與計算值的誤差的絕對值最大為5.5%(樣品C)。
圖12(b)是示出施加電壓的溫度為25℃的情況下的比較例的圖。在圖12(b)中,施加電壓的時間為48小時,放電結(jié)束電壓為7V。放電開始電壓為33.5V或20V。如圖12(b)所示,在放電開始電壓為33.5V的情況下,實測值與計算值的誤差的絕對值最大為6.1%(樣品A)。在放電開始電壓為20V的情況下,實測值與計算值的誤差的絕對值最大為3.5%(樣品A)。
圖12(c)是示出施加電壓的溫度為85℃的情況下的比較例的圖。在圖12(c)中,施加電壓的時間為24小時,放電開始電壓為33.5V,以及放電結(jié)束電壓為7V。如圖12(c)所示,實測值與計算值的誤差的絕對值最大為2.4%(樣品C)。
根據(jù)圖11(b)以及圖12(a)~(c)所示的數(shù)據(jù),能量的實測值與基于實施方式的計算方法的計算值的誤差的絕對值最大為6%左右。另一方面,在利用了現(xiàn)有的計算方法的情況下的一個例子中,相對于實測值41.3mJ,計算值為33.3mJ,誤差的絕對值達到大約19%。
以上,根據(jù)電路設(shè)計裝置10,通過采用考慮了使用條件的能量算出方法,能夠確切地算出電容器的能量。因此,算出的所需的電容器的數(shù)目比以往算出的少。其結(jié)果是,即使安裝面積有限,也能夠?qū)崿F(xiàn)閃速存儲器的進一步的小型化、薄型化。
應(yīng)認為此次公開的實施方式在所有的方面都是例示性的,而不是限制性的。本發(fā)明的范圍不是由上述的說明示出,而是由權(quán)利要求書示出,應(yīng)包含與權(quán)利要求書等同的意思以及范圍內(nèi)的所有變更。