电路设计装置、备用电源、电路设计程序以及电容器的能量算出方法与流程

本发明涉及电路设计装置、备用电源、电路设计程序以及电容器的能量算出方法。

背景技术：

以往，已知有具备备用电源的存储装置。例如，在日本特开2014-63209号公报(专利文献1)中公开了具有由电容器构成的备用电源的闪速存储器。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2014-63209号公报

近年来，闪速存储器的小型化、薄型化正在发展。与此相伴地，要求闪速存储器的备用电源的薄型化。

作为闪速存储器的备用电源，已知有例如导电性高分子电容器或者双电层电容器(EDLC：Electric Double Layer Capacitor)。但是，它们是少数的较厚的层被树脂封装件所覆盖的构造，因此有时不能灵活地应对薄型化。

层叠陶瓷电容器(MLCC：Multi-Layer Ceramic Capacitor)由许多的较薄的陶瓷层构成，因此能够通过减少陶瓷层而比较容易地进行薄型化。但是，已知例如在备用电源采用的MLCC中，存在具有静电电容根据施加的电压、施加电压的时间、温度而大幅变化的特性的MLCC。

式(1)是在静电电容为电容C、放电开始电压为电压V1、放电结束电压为电压V2的情况下算出从电容器提供的能量的式子。

能量＝1/2·C·(V1²-V2²)…(1)

利用式(1)的现有的电容器的能量计算方法以电容器的静电电容大致恒定为前提。因此，在通过现有的电容器的能量计算方法来算出像MLCC那样静电电容根据使用的环境而不同的电容器的能量的情况下，有时算出的能量会背离实际的能量。例如在算出作为备用电源所需的MLCC的个数的情况下，以在所使用的环境中设想的最低的静电电容为前提算出MLCC的能量。其结果是，算出的所需的MLCC的个数有可能比原来需要的个数多。因为安装面积有限，所以当所需的MLCC的个数增加时，将难以进行包含MLCC的备用电源的薄型化。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种能够确切地算出电容器的能量的电路设计装置、电路设计程序以及电容器的能量算出方法。

根据本发明的一个实施方式的电路设计装置具备存储部和控制部。存储部构成为，将电容器的第一静电电容和一个以上的使用条件建立对应进行存储。控制部构成为，算出一个以上的使用条件中被指定的使用条件下的电容器的能量。控制部构成为，根据被指定的使用条件与第一静电电容的对应关系来算出被指定的使用条件下的第二静电电容。控制部构成为，使用算出的第二静电电容来算出能量。

根据本发明，通过采用考虑了使用条件的能量算出方法，从而能够确切地算出电容器的能量。其结果是，与现有相比，所需的电容器的数目减少且安装面积减小，能够实现闪速存储器的进一步的小型化、薄型化。

附图说明

图1是利用根据实施方式的电路设计装置而设计的SSD(Solid State Drive：固态驱动器)的功能结构图。

图2是示出在图1的SSD中不能从电源正常地提供电源电压的情况下的功能结构的图。

图3是示出MLCC的特性的一个例子的图。

图4是用于说明考虑静电电容根据施加的电压而变化的特性(DC偏置特性)来算出电容器的能量的方法的图。

图5是根据实施方式的电路设计装置的功能框图。

图6是用于说明根据测定的数据将DC偏置特性的近似式登记到数据库的处理的流程图。

图7是示出为了作成DC偏置特性的近似式而预先测定的数据的实例的图。

图8是示出数据库的数据结构的一个例子的图。

图9是用于说明计算电容器的能量的处理的流程图。

图10是示出输入确定电容器的特性的信息以及使用电容器的条件的画面的图。

图11是用于说明实施方式中的能量的计算方法的有用性的图。

图12是示出与图11(b)不同的使用条件下的电容器的能量的实测值与通过实施方式的计算方法来求出的能量的比较的图。

符号说明

10电路设计装置，11、210控制部，12存储部，13输入部，14显示部，100SSD，110接口，120存储器控制器，130闪速存储器，140降压变换器，150升压变换器，160备用电源，170开关，200主系统，220电源。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式详细进行说明。另外，对于图中相同或对应部分标注相同符号并不再重复其说明。

图1是通过根据实施方式的电路设计装置来设计的SSD(Solid StateDrive：固态驱动器)100的功能结构图。SSD100具备接口110、存储器控制器120、闪速存储器130、降压变换器140、升压变换器150、备用电源160以及开关170。

SSD100通过接口110来与主系统200连接。接口110将来自主系统200的信号和电力提供到SSD100。接口110例如包括IDE(Integrated Drive Electronics：电子集成驱动器)或者USB(Universal Serial Bus：通用串行总线)。

存储器控制器120接受来自主系统200的控制部210的指令，向闪速存储器130写入数据或者向主系统200发送存储在闪速存储器130的数据。闪速存储器130例如包括NAND型闪速存储器。

降压变换器140将从主系统200所具备的电源220提供的电源电压Vin降压至动作电压Vout。降压变换器140将动作电压Vout提供到存储器控制器120以及闪速存储器130。电源电压Vin例如为7V～33.5V左右。动作电压Vout例如为3.3V左右。

升压变换器150将电源电压Vin升压至例如33.5V左右并提供到包含MLCC的备用电源160。施加的电压越大，积蓄在电容器的能量越大(参照式(1))。升压变换器150的作用在于使备用电源160积蓄的能量增加。

备用电源160包含一个以上的MLCC。在备用电源160包含多个MLCC的情况下，多个MLCC进行串联连接和/或并联连接。

开关170的一端与备用电源160的正极端子连接，另一端与降压变换器140的输入端子连接。在电源电压Vin为正常值的情况下，开关170断开，不从备用电源160提供电压。

例如，在从主系统200的电源220到接口110的线路断线而不能从电源220正常地提供电源电压Vin的情况下，开关170感测到电源电压Vin的电压下降而闭合(参照图2)。其结果是，从备用电源160提供电源电压Vin。

近年来，SSD100的小型化、薄型化正在发展。与此相伴地，要求闪速存储器130的备用电源160的薄型化。

备用电源160包含的MLCC由许多的薄的陶瓷层构成，因此能够期待通过减少陶瓷层使备用电源160的薄型化、小型化。

另一方面，如图3所示，已知MLCC具有静电电容会根据例如施加的电压(参照图3(a))、施加电压的温度(参照图3(b))、施加电压的时间(参照图3(c))而大幅变化的特性。

利用式(1)的现有的电容器的能量计算方法以电容器的静电电容大致恒定为前提。因此，在通过现有的电容器的能量计算方法来算出像MLCC那样静电电容根据所使用的环境而不同的电容器的能量的情况下，有时算出的能量会背离实际的能量。例如在算出作为备用电源160所需的MLCC的个数的情况下，以在所使用的环境中设想的最低的静电电容为前提来算出MLCC的能量。其结果是，算出的所需的MLCC的个数有可能比原来需要的个数多。因为安装面积有限，所以当所需的MLCC的个数增加时，将难以进行包含MLCC的备用电源160的薄型化。

鉴于这样的问题，在实施方式中通过采用考虑了MLCC的使用条件的能量算出方法，从而确切地算出MLCC的能量。因此，算出的MLCC的数目比现有所需的MLCC的数目少。其结果是，即使安装面积有限，也能够实现SSD100的进一步的小型化、薄型化。

图4是用于说明考虑静电电容根据施加的电压而变化的特性(DC偏置特性)来算出电容器的能量的方法的图。一般来说，电容器的电压会由于放电而下降。因此，在作为在非常时提供电力的备用电源用的电容器而采用MLCC的情况下，需要特别考虑DC偏置特性算出电容器的能量。图4(a)是示出MLCC的DC偏置特性的图。图4(a)是用曲线对描绘了基于实测值求出的值的各点进行连结的图表。

在放电开始电压为电压V1的情况下，根据图4(a)，放电开始时的静电电容为电容C1。在放电开始时，在电容器中积蓄有C1·V1的电荷。在电容器的电压下降至电压V的情况下，当将此时的静电电容设为电容C时，在电容器中积蓄有C·V的电荷。因此，在电压从电压V1降低至电压V时放电的电荷是，从放电开始时积蓄的电荷减去电压为V时电容器中积蓄的电荷而得到的值。因此，从电容器放电的电荷可表示为式(2)。

Q＝C1·V1-C·V…(2)

图4(b)是使用式(2)将作为电压与静电电容的对应关系的图4(a)的图表上的各点变换为放电的电荷与电压的对应关系的图。例如，图4(a)中的点P1A、P2A分别与图4(b)中的点P1B、P2B对应。另外，点P1A、P2A是例示，实际上可使用图4(a)的图表上的更多点的电荷和电压的数据来生成图4(b)的图表。在电压从作为放电开始电压的电压V1下降至作为放电结束电压的电压V2的情况下，从电容器放出的能量E是图4(b)中的斜线部分S的面积。即，能量E能够通过对图4(b)所示的图表从0到Q进行积分而求出。

图4(c)是用于说明求出图4(b)的斜线部分S的面积的近似值的过程的图。首先，以微小的间隔ΔQ对横轴的0到电荷Q进行划分。求出ΔQ的整数倍的值处的电压Vn。接着，求出纵向长度为电压Vn且横向长度为间隔ΔQ的长方形Rn(＝ΔQ·Vn)的面积。然后，将全部的长方形Rn相加。对以上进行总结，斜线部分S的面积(能量E)可表示为以下的式(3)。

E＝ΣRn…(3)

一般来说，在包括备用电源的电子设备的电路设计中进行电容器的能量的计算。以下，对通过图4所示的计算方法计算备用电源所需的电容器的个数的电路设计装置10进行说明。

图5是根据实施方式的电路设计装置10的功能框图。如图5所示，电路设计装置10具备控制部11、存储部12、输入部13以及显示部14。

控制部11对电路设计装置10进行统一控制。虽然未图示，但控制部11包括CPU(Central Processing Unit：中央处理单元)以及挥发性的存储元件。存储元件例如是SRAM(Static Random Access Memory：静态随机存取存储器)或DRAM(Dynamic Random Access Memory：动态随机存取存储器)。

在存储部12中预先存储例如读取到控制部11并执行的OS(Operating System：操作系统)、例如像CAD(Computer Aided Design：计算机辅助设计)那样的各种应用的程序、以及由该程序使用的各种数据(例如DC偏置特性的数据库)。

输入部13能够从用户接收用于操作电路设计装置10的输入，并能够将基于该输入的信号发送到控制部11。输入部13例如包括键盘、鼠标或者触摸面板。

显示部14基于从控制部11接收的信号进行显示。显示部14例如也可以由液晶显示器、等离子体显示器或有机EL显示器构成。

在电路设计装置10中，将各种MLCC的DC偏置特性登记到数据库。登记到数据库的DC偏置特性根据预先测定的数据求出。具体地，基于使施加电压的温度和施加电压的时间变化而测定的数据，对施加电压的每个温度和施加电压的每个时间算出表示DC偏置特性的近似式，并将该近似式登记到数据库。

图6是用于说明根据测定的数据将DC偏置特性的近似式登记到数据库的处理的流程图。如图6所示，在步骤S11(以下，将步骤简单表示为S。)中，控制部11读取测定的数据，并使处理进入到S12。测定的数据的读取例如是通过指定包含测定数据的规定的形式的文件来进行读取的。

在S12中，控制部11作成表示DC偏置特性的近似函数并使处理进入到S13。在作成近似函数时，例如能够使用SimSurfing。在S13中，控制部11将近似函数登记到数据库。登记到数据库的信息例如是近似函数的系数的列表。

图7是示出为了作成DC偏置特性的近似式而预先测定的数据的一个例子的图。图7(a)是表示使施加电压的温度恒定并按施加的每个电压使施加电压的时间变化的情况下的静电电容的变化的例子的图表。在图7(a)中，示出了电压为3V、5V、8V、10V、16V、20V、33.5V、50V的情况下的各图表。图7(b)是示出基于图7(a)使施加电压的温度恒定的情况下的、施加电压的每个时间的DC偏置特性的图。根据图7(a)可导出使时间恒定的情况下的电压与静电电容的对应关系。图7(b)是示出该对应关系的图。在图7(b)中，示出了施加电压的时间为0.02小时(1.2分钟)、1小时、24小时、96小时、192小时的情况下的各图表。在数据库登记了示出图7(b)的各图表的近似式。

图8是示出数据库的数据结构的一个例子的图。如图8所示，各关键字K1、K2、K3中的每一个分别与数据M1、M2、M3建立关联。关键字例如包含MLCC的制造编号、名称、材料、施加电压的时间或者施加电压的温度。在各数据中，按施加电压的每个温度来包含施加电压的每个时间的DC偏置特性。例如，在与关键字K1建立关联的数据M1中，包含施加电压的温度为0℃的情况下的DC偏置特性M11、施加电压的温度为25℃的情况下的DC偏置特性M12、施加电压的温度为85℃的情况下的DC偏置特性M13。关于与关键字K2建立关联的数据M2和与关键字K3建立关联的M3也是同样的。

图9是用于说明计算电容器的能量的处理的流程图。如图9所示，在S21中，控制部11接受由用户输入的确定电容器的特性的信息以及使用电容器的条件的输入。确定电容器的特性的信息例如包含MLCC的制造编号、名称、或者材料。使用电容器的条件例如包含放电开始电压、放电结束电压、施加电压的温度以及施加电压的时间。在S22中，控制部11从数据库获取表示与在S21中输入的信息对应的DC偏置特性的近似式。在S23中，控制部11通过在S22中获取的、图4所示的方法来算出能量。在S24中，控制部11将计算结果显示在显示部14。

图10是示出输入确定电容器的特性的信息和使用电容器的条件的画面的一个例子的图。如图10所示，作为确定电容器的特性的信息，输入芯片名称(制造编号或产品名称)以及材料(对应于图9的S21)。作为使用电容器的条件，输入施加电压的温度、施加电压的时间(电压老化)、放电开始电压以及放电结束电压(对应于图9的S21)。进而，为了求出芯片数目，还输入作为备用电源所需的能量。基于输入的信息从数据库获取近似式(对应于图9的S22)。基于获取的近似式算出一个芯片平均的能量(对应于图9的S23)。基于一个芯片平均的能量和所需能量来算出所需的芯片数目。更具体地，通过将所需的能量除以一个芯片平均的能量来算出芯片数目(对应于图9的S24)。例如在图10中，所需能量为40mJ，一个芯片的能量为1.00mJ，因此所需的芯片数目表示为40。

图11是用于说明应用了实施方式中的能量的计算方法的例子的图。图11(a)是针对特定种类的芯片，比较了通过现有的计算方法来求出为确保所需的能量而需要的芯片数目的情况、和通过基于实施方式的计算方法来求出为确保所需的能量而需要的芯片数目的情况的图。如图11(a)所示，示出了所需能量为40mJ、施加电压的温度为85℃、施加电压的时间(老化)为5年、放电开始电压为33.5V、以及放电结束电压为7V的情况。在实施方式中的数据库中登记有基于施加电压的温度为85℃、施加电压的时间为5年的测定数据的DC偏置特性。静电电容利用LCR三用表进行测定。

通过实施方式的计算方法而求出的确保所需能量所需的芯片数目比通过现有的计算方法求出的芯片数目削减了大约18％。在实施方式的计算方法中，可考虑根据使用条件而变化的静电电容来计算电容器的能量。因此，利用了实施方式中的计算方法的情况下的一个芯片平均的能量比利用现有的计算方法的情况下的一个芯片平均的能量多。其结果是，与现有相比能够削减所需的芯片数目。

图11(b)是对电容器的能量值的实测值和通过实施方式的计算方法而求出的能量进行比较的图。如图11(b)所示，实测值与基于实施方式的计算方法的能量的误差为0.5％。

图12是示出与图11(b)不同的使用条件下的电容器的能量的实测值和通过实施方式的计算方法求出的能量的比较的图。图12(a)是示出施加电压的温度为0℃的情况下的比较的图。在图12(a)中，施加电压的时间为一分钟，放电结束电压为7V。放电开始电压为33.5V或20V。如图12(a)所示，在放电开始电压为33.5V的情况下，实测值与计算值的误差的绝对值最大为5.8％(样品D)。在放电开始电压为20V的情况下，实测值与计算值的误差的绝对值最大为5.5％(样品C)。

图12(b)是示出施加电压的温度为25℃的情况下的比较例的图。在图12(b)中，施加电压的时间为48小时，放电结束电压为7V。放电开始电压为33.5V或20V。如图12(b)所示，在放电开始电压为33.5V的情况下，实测值与计算值的误差的绝对值最大为6.1％(样品A)。在放电开始电压为20V的情况下，实测值与计算值的误差的绝对值最大为3.5％(样品A)。

图12(c)是示出施加电压的温度为85℃的情况下的比较例的图。在图12(c)中，施加电压的时间为24小时，放电开始电压为33.5V，以及放电结束电压为7V。如图12(c)所示，实测值与计算值的误差的绝对值最大为2.4％(样品C)。

根据图11(b)以及图12(a)～(c)所示的数据，能量的实测值与基于实施方式的计算方法的计算值的误差的绝对值最大为6％左右。另一方面，在利用了现有的计算方法的情况下的一个例子中，相对于实测值41.3mJ，计算值为33.3mJ，误差的绝对值达到大约19％。

以上，根据电路设计装置10，通过采用考虑了使用条件的能量算出方法，能够确切地算出电容器的能量。因此，算出的所需的电容器的数目比以往算出的少。其结果是，即使安装面积有限，也能够实现闪速存储器的进一步的小型化、薄型化。

应认为此次公开的实施方式在所有的方面都是例示性的，而不是限制性的。本发明的范围不是由上述的说明示出，而是由权利要求书示出，应包含与权利要求书等同的意思以及范围内的所有变更。