[发明专利]一种电容器等效电路建模方法

说明书

本发明提供一种电容器等效电路建模方法，所述方法包括：将含待定系数的电阻‑电容网络、电阻‑电感网络以及电阻‑电感‑电容并联谐振网络各自的阻抗函数相加，组成电容器阻抗函数；基于电容器自身参数和阻抗测试数据分别预设所述待定系数的初始值；对所述电容器阻抗函数和阻抗测试数据进行拟合处理；根据拟合误差的范围，必要时调整所述待定系数的初始值，直至拟合误差满足结束条件，确定所述阻抗函数的系数；从候选网络类型集合中选取目标电阻‑电容网络和电阻‑电感网络，利用所述阻抗函数的系数生成电容器等效电路模型。本发明可灵活、高效地获得各种类电容器的各类型高精度等效电路模型，可保证等效电路及各元件的无源性和可实现性，且便于计算机编程实现过程自动化。

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，特别是涉及一种电容器等效电路建模方法。

背景技术

近年来，随着用户对电子设备功能和性能需求的快速提升，电子技术往高速、高频方向发展的趋势愈加明显，电源完整性(PI)、信号完整性(SI)及电磁兼容(EMC)成为硬件电路设计工程师需要重点解决的问题，也是电容器、电感器、磁珠以及电阻器等无源元器件重要的应用领域。在这些应用领域，EDA(电子设计自动化)技术变得不可或缺。使用合适的EDA软件可准确、快速地模拟电子线路的工作状态和性能参数，从而缩短硬件调试周期，降低产品开发成本。而能准确反映实际元器件性能的等效电路模型是电路设计EDA软件发挥最大作用的前提条件之一，尤其是对于复杂的高速数字电路，相较于元器件的频域模型，使用等效电路模型可显著提升时域仿真的效率。因此，领先的电子元器件厂商都十分重视为电路设计工程师提供准确的元器件性能参数数据和等效电路模型，后者通常以SPICE兼容格式文件或EDA软件元件库形式提供。

具体到电容器，最常见的基本等效电路是由电容(C)、电阻(R)、电感(L)元件各一个组成的CRL串联电路。上述基本等效电路与实际元器件性能相比误差较大，尤其是无法反映实际电容器的串联等效电阻(ESR)随频率升高而显著增加和/或降低的情况。为提高等效电路的精度，需要采用更多的C、R、L元件组成更复杂的网络。经典的基本RC及RL网络类型分别为Foster I、Foster II、Cauer I和Cauer II型网络。

为获得电容器精确等效电路模型，现有技术通常是先选定某一种类型的RC、RL或RLC网络和相应的阶数(与C、L元件数量之和相等)，通过使所选定网络的阻抗与电容器的实测阻抗数据的误差(评价)函数最小化，得到各C、R、L元件的值确定完整的等效电路模型。典型的如专利1JP4507421B2(JP2002259482A、TW544604B、US7266485B2、WO2002068972A1)选定RC电路、RL电路及RC电路与RL电路串联形成的RCL电路中的任一电路，将该电路在任一组采样频率下的复阻抗与相应的电容器复阻抗数据的误差(评价)函数最小化从而确定该电路中各C、R、L元件的值。所述的RC和RL电路均可以是Foster I、Foster II、Cauer I和CauerII型的RC及RL电路的其中一种。又如专利2JP5475563B2(JP2010136335A、US8527256)将MLCC(多层片式电容器)的基本等效电路的C元件和部分R元件替换成更复杂的RC串并联网络，将余下的L元件和部分R元件替换成RL串并联网络，并将其中的部分元件与其物理含义(如互容、互感等)关联。前述专利1及专利2均是采用数值优化的方法直接对等效电路的阻抗与电容器测试阻抗数据进行拟合，得到等效电路各元件的值。这种方法的问题在于由于电路结构、相应的阻抗计算均较为复杂，不便于增加或减少电路的阶数以根据实际需要提高拟合精度或降低电路复杂性，也不利于通过计算机编程实现较高的自动化。与此同时，这种建模方法中各元件初始值的设置规则也较为复杂，而且容易出现拟合迭代收敛缓慢，降低建模效率。此外，专利2针对MLCC所采用的等效电路结构及其物理含义可能不适用于其它种类的电感器。专利3CN104246777B提供了一种能反映施加直流偏压时电容器的等效电路建模方法，其中直流偏压为零时的基本等效电路为Foster I、Foster II型的RC及RL电路以及RLC并联或串联谐振电路，但未公开如何确定具体的等效电路的阶数及元件值。