JP6617549B2 - 回路設計装置、回路設計プログラム、およびコンデンサのエネルギー量算出方法 - Google Patents

回路設計装置、回路設計プログラム、およびコンデンサのエネルギー量算出方法 Download PDF

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Description

この発明は、回路設計装置、バックアップ電源、回路設計プログラム、およびコンデンサのエネルギー量算出方法に関する。
従来、バックアップ電源を備える記憶装置が知られている。たとえば、特開2014−63209号公報(特許文献1)には、コンデンサから構成されるバックアップ電源を有するフラッシュメモリが開示されている。
特開2014−63209号公報
近年、フラッシュメモリの小型化・低背化が進んでいる。それに伴い、フラッシュメモリのバックアップ電源の低背化が求められている。
フラッシュメモリのバックアップ電源として、たとえば導電性高分子コンデンサ、あるいは電気二重層キャパシタ(EDLC:Electric Double Layer Capacitor)が知られている。しかし、これらは、少数の厚い層が樹脂パッケージに覆われた構造であるため、低背化に柔軟に対応できない場合がある。
積層セラミックコンデンサ(MLCC:Multi-Layer Ceramic Capacitor)は多数の薄いセラミック層から構成されるため、セラミック層を減らすことにより低背化が比較的容易である。しかし、たとえばバックアップ電源に採用されるMLCCには、印加される電圧、電圧が印加される時間、温度によって静電容量が大きく変化する特性を有するものがあることが知られている。
式(1)は、静電容量が容量C、放電開始電圧が電圧V1、放電終了電圧が電圧V2である場合に、コンデンサから供給されるエネルギーを算出する式である。
エネルギー量=1/2・C・(V1−V2)…(1)
式(1)による従来のコンデンサのエネルギー量計算方法は、コンデンサの静電容量がほぼ一定であることを前提としている。そのため、従来のコンデンサのエネルギー計算方法によって、MLCCのように使用される環境によって静電容量が異なるコンデンサのエネルギー量を算出する場合、算出されたエネルギー量が実際のエネルギー量から乖離する場合がある。たとえばバックアップ電源として必要なMLCCの個数を算出する場合、使用される環境で想定される最も低い静電容量を前提にMLCCのエネルギー量を算出することになる。その結果、必要なMLCCの個数が本来必要である個数よりも多めに算出されてしまう可能性がある。実装面積には限りがあるため、必要なMLCCの個数が増えてしまうと、MLCCを含むバックアップ電源の低背化が困難になってしまう。
本発明の目的は、コンデンサのエネルギー量を適切に算出することのできる回路設計装置、回路設計プログラム、およびコンデンサのエネルギー量算出方法を提供することである。
本発明の一実施形態による回路設計装置は、記憶部と、制御部とを備える。記憶部は、コンデンサの静電容量と、1以上の使用条件とを対応付けて記憶するように構成される。制御部は、1以上の使用条件のうち指定された使用条件におけるコンデンサのエネルギー量を算出するように構成される。制御部は、指定された使用条件と静電容量との対応関係から、指定された使用条件における静電容量を算出するように構成される。制御部は、算出された静電容量を用いてエネルギー量を算出するように構成される。
本発明によれば、使用条件を考慮したエネルギー量算出方法を採用することにより、コンデンサのエネルギー量を適切に算出することができる。その結果、従来よりも必要なコンデンサの数が少なくなって実装面積が小さくなり、フラッシュメモリのさらなる小型化・低背化を実現することができる。
実施の形態に従う回路設計装置によって設計されたSSD(Solid State Drive)の機能構成図である。 図1のSSDにおいて電源から電源電圧が正常に供給されなくなった場合の機能構成を示す図である。 MLCCの特性の一例を示す図である。 印加される電圧によって静電容量が変化する特性(DCバイアス特性)を考慮してコンデンサのエネルギーを算出する方法を説明するための図である。 実施の形態による回路設計装置の機能ブロック図である。 測定されたデータからDCバイアス特性の近似式をデータベースに登録する処理を説明するためのフローチャートである。 DCバイアス特性の近似式を作成するために予め測定されたデータの実例を示す図である。 データベースのデータ構造の一例を示す図である。 コンデンサのエネルギー量を計算する処理を説明するためのフローチャートである。 コンデンサの特性を特定する情報およびコンデンサが使用される条件を入力する画面を示す図である。 実施の形態におけるエネルギー量の計算法の有用性を説明するための図である。 図11(b)とは異なる使用条件におけるコンデンサのエネルギー量の実測値と実施の形態の計算法によって求めたエネルギー量との比較を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
図1は、実施の形態に従う回路設計装置によって設計されたSSD(Solid State Drive)100の機能構成図である。SSD100は、インターフェース110と、メモリコントローラ120と、フラッシュメモリ130と、降圧コンバータ140と、昇圧コンバータ150と、バックアップ電源160と、スイッチ170とを備える。
SSD100は、インターフェース110によってホストシステム200に接続される。インターフェース110は、ホストシステム200からの信号および電力をSSD100に供給する。インターフェース110は、たとえばIDE(Integrated Drive Electronics)、あるいはUSB(Universal Serial Bus)を含む。
メモリコントローラ120は、ホストシステム200の制御部210からの指令を受けて、フラッシュメモリ130へのデータの書込み、あるいはフラッシュメモリ130に記憶されているデータのホストシステム200への送信を行なう。フラッシュメモリ130は、たとえばNAND型フラッシュメモリを含む。
降圧コンバータ140は、ホストシステム200が備える電源220から供給される電源電圧Vinを動作電圧Voutまで降圧する。降圧コンバータ140は、動作電圧Voutをメモリコントローラ120およびフラッシュメモリ130に供給する。電源電圧Vinは、たとえば7V〜33.5V程度である。動作電圧Voutは、たとえば3.3V程度である。
昇圧コンバータ150は、電源電圧Vinをたとえば33.5V程度まで昇圧して、MLCCを含むバックアップ電源160に供給する。コンデンサに蓄えられるエネルギー量は、印加される電圧が大きくなるほど大きくなる(式(1)参照)。昇圧コンバータ150の役割は、バックアップ電源160に蓄えられるエネルギー量を増加させることにある。
バックアップ電源160は、1以上のMLCCを含む。バックアップ電源160が複数のMLCCを含む場合、複数のMLCCは直列および/または並列に接続されている。
スイッチ170は、一方端がバックアップ電源160の正極端子に接続され、他方端が降圧コンバータ140の入力端子と接続される。電源電圧Vinが正常値の場合、スイッチ170は開いており、バックアップ電源160から電圧は供給されない。
たとえば、ホストシステム200の電源220からのインターフェース110までの線路が断線して、電源220から電源電圧Vinが正常に供給されなくなった場合、スイッチ170は電源電圧Vinの電圧降下を検知して閉じる(図2参照)。その結果、バックアップ電源160から電源電圧Vinが供給されるようになる。
近年、SSD100の小型化・低背化が進んでいる。それに伴い、フラッシュメモリ130バックアップ電源160の低背化が求められている。
バックアップ電源160に含まれるMLCCは多数の薄いセラミック層から構成されるため、セラミック層を減らすことによりバックアップ電源160の低背化・小型化が期待できる。
一方で、図3に示されるように、MLCCは、たとえば印加される電圧(図3(a)参照)、電圧が印加される温度(図3(b)参照)、電圧が印加される時間(図3(c)参照)によって静電容量が大きく変化する特性を有することが知られている。
式(1)による従来のコンデンサのエネルギー量計算方法は、コンデンサの静電容量がほぼ一定であることを前提としている。そのため、従来のコンデンサのエネルギー計算方法によって、MLCCのように使用される環境によって静電容量が異なるコンデンサのエネルギー量を算出する場合、算出されたエネルギー量が実際のエネルギー量から乖離する場合がある。たとえばバックアップ電源160として必要なMLCCの個数を算出する場合、使用される環境で想定される最も低い静電容量を前提にMLCCのエネルギー量を算出することになる。その結果、必要なMLCCの個数が本来必要である個数よりも多めに算出されてしまう可能性がある。実装面積には限りがあるため、必要なMLCCの個数が増えてしまうと、MLCCを含むバックアップ電源160の低背化が困難になってしまう。
このような問題に鑑み、実施の形態においてはMLCCの使用条件を考慮したエネルギー量算出方法を採用することにより、MLCCのエネルギー量を適切に算出する。そのため、従来よりも必要なMLCCの数が少なく算出される。その結果、実装面積に限りがあっても、SSD100のさらなる小型化・低背化を実現することができる。
図4は、印加される電圧によって静電容量が変化する特性(DCバイアス特性)を考慮してコンデンサのエネルギーを算出する方法を説明するための図である。一般的に、コンデンサは、放電により電圧が降下する。そのため、非常時に電力を供給するバックアップ電源用のコンデンサとしてMLCCを採用する場合には、DCバイアス特性を特に考慮してコンデンサのエネルギーを算出する必要がある。図4(a)は、MLCCのDCバイアス特性を示す図である。図4(a)は、実測値に基づいて求めた値をプロットした各点を曲線で結んだグラフである。
放電開始電圧が電圧V1である場合、図4(a)から、放電開始時の静電容量は容量C1である。放電開始時には、コンデンサにC1・V1の電荷が蓄えられている。コンデンサの電圧が電圧Vまで降下した場合、そのときの静電容量を容量Cとすると、コンデンサにはC・Vの電荷が蓄えられている。したがって、電圧が電圧V1から電圧Vまで低下したときに放電された電荷は、放電開始時に蓄えられていた電荷から電圧Vのときにコンデンサに蓄えられている電荷を引いた値である。そのため、コンデンサから放電された電荷は式(2)で表される。
Q=C1・V1−C・V…(2)
図4(b)は、式(2)を用いて、電圧と静電容量との対応関係である図4(a)のグラフ上の各点を、放電された電荷と電圧との対応関係に変換した図である。たとえば、図4(a)における点P1A,P2Aは、図4(b)における点P1B,P2Bにそれぞれ対応する。なお、点P1A,P2Aは例示であり、実際には図4(a)のグラフ上にあるより多くの点の電荷および電圧のデータを用いて、図4(b)のグラフが生成される。放電開始電圧である電圧V1から放電終了電圧である電圧V2まで電圧が降下した場合に、コンデンサから放出されたエネルギー量Eは、図4(b)における斜線部分Sの面積である。すなわち、エネルギー量Eは、図4(b)に示されているグラフを0からQまで積分することにより求めることができる。
図4(c)は、図4(b)の斜線部分Sの面積の近似値を求める過程を説明するための図である。まず、横軸の0から電荷Qまでを微小の間隔ΔQで区切る。ΔQの整数倍の値における電圧Vnを求める。次に、縦の長さが電圧Vnおよび横の長さが間隔ΔQの長方形Rn(=ΔQ・Vn)の面積を求める。そして、全ての長方形Rnを足し合わせる。以上をまとめると、斜線部分Sの面積(エネルギー量E)は、以下の式(3)で表される。
E=ΣRn…(3)
一般的に、コンデンサのエネルギー量の計算は、バックアップ電源を含む電子機器の回路設計において行なわれる。以下では、図4に示された計算法によってバックアップ電源に必要なコンデンサの個数を計算する回路設計装置10について説明する。
図5は、実施の形態による回路設計装置10の機能ブロック図である。図5に示されるように、回路設計装置10は、制御部11と、記憶部12と、入力部13と、表示部14とを備える。
制御部11は、回路設計装置10を統合的に制御する。制御部11は、図示はしないがCPU(Central Processing Unit)および揮発性の記憶素子を含む。記憶素子は、たとえばSRAM(Static Random Access Memory)またはDRAM(Dynamic Random Access Memory)である。
記憶部12には、たとえば制御部11に読み出されて実行されるOS(Operating System)、たとえばCAD(Computer Aided Design)のような各種アプリケーションのプログラム、およびそのプログラムによって使用される各種データ(たとえばDCバイアス特性のデータベース)が予め記憶されている。
入力部13は、ユーザから回路設計装置10を操作するための入力を受け付け、制御部11にその入力に基づく信号を送信することができる。入力部13は、たとえば、キーボード、マウス、あるいはタッチパネルを含む。
表示部14は、制御部11から受信した信号に基づいて表示を行なう。表示部14は、たとえば液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、または有機ELディスプレイから構成されてもよい。
回路設計装置10においては、各種MLCCのDCバイアス特性がデータベースに登録される。データベースに登録されるDCバイアス特性は、予め測定されたデータから求められる。具体的には、電圧が印加される温度および電圧が印加される時間を変化させて測定したデータを基に、電圧が印加される温度および電圧が印加される時間毎にDCバイアス特性を表す近似式が算出され、その近似式がデータベースに登録される。
図6は、測定されたデータからDCバイアス特性の近似式をデータベースに登録する処理を説明するためのフローチャートである。図6に示されるように、制御部11は、ステップS11(以下ではステップを単にSと表す。)において測定されたデータを読み込み、処理をS12に進める。測定されたデータの読込みは、たとえば測定データを含む所定の形式のファイルが指定されることにより読み込まれる。
制御部11は、S12においてDCバイアス特性を表す近似関数を作成して処理をS13へ進める。近似関数を作成するにあたっては、たとえばSimSurfingを用いることができる。制御部11は、S13において近似関数をデータベースに登録する。データベースに登録される情報は、たとえば近似関数の係数のリストである。
図7は、DCバイアス特性の近似式を作成するために予め測定されたデータの一例を示す図である。図7(a)は、電圧が印加される温度を一定にして、印加される電圧毎に、電圧を印加する時間を変化させた場合の静電容量の変化の例を表すグラフである。図7(a)においては、電圧が3V,5V,8V,10V,16V,20V,33.5V,50Vの場合の各グラフが示されている。図7(b)は、図7(a)を基に、電圧が印加される温度が一定の下の、電圧を印加する時間毎のDCバイアス特性を示す図である。図7(a)から、時間を一定にした場合の電圧と静電容量との対応関係が導かれる。図7(b)は、この対応関係を示した図である。図7(b)においては、電圧を印加する時間が、0.02時間(1.2分),1時間,24時間,96時間,192時間の場合の各グラフが示されている。データベースには、図7(b)の各グラフを示す近似式が登録される。
図8は、データベースのデータ構造の一例を示す図である。図8に示されるように、各キーK1,K2,K3のそれぞれに、データM1,M2,M3が関連づけられている。キーは、たとえばMLCCの製造番号、名称、材料、電圧が印加される時間、あるいは電圧が印加される温度を含む。各データには、電圧が印加される時間毎のDCバイアス特性が、電圧が印加される温度毎に含まれている。たとえば、キーK1に関連付けられているデータM1には、電圧が印加される温度が0℃の場合のDCバイアス特性M11,電圧が印加される温度が25℃の場合のDCバイアス特性M12,電圧が印加される温度が85℃の場合のDCバイアス特性M13が含まれている。キーK2に関連付けられているデータM2およびキーK3に関連付けられているM3に関しても同様である。
図9は、コンデンサのエネルギー量を計算する処理を説明するためのフローチャートである。図9に示されるように、制御部11は、S21においてユーザによって入力されるコンデンサの特性を特定する情報およびコンデンサが使用される条件の入力を受ける。コンデンサの特性を特定する情報は、たとえば、MLCCの製造番号、名称、あるいは材料を含む。コンデンサが使用される条件は、たとえば放電開始電圧、放電終了電圧、電圧が印加される温度、および電圧が印加される時間を含む。制御部11は、S22においてデータベースからS21で入力された情報に対応するDCバイアス特性を表す近似式を取得する。制御部11は、S23においてS22で取得した図4で示した方法でエネルギー量を算出する。制御部11は、S24において計算結果を表示部14に表示する。
図10は、コンデンサの特性を特定する情報およびコンデンサが使用される条件を入力する画面の一例を示す図である。図10に示されるように、コンデンサの特性を特定する情報として、チップ名(製造番号または製品名)および材料が入力される(図9のS21に対応)。コンデンサが使用される条件として電圧が印加される温度、電圧が印加される時間(電圧エージング)、放電開始電圧、および放電終了電圧が入力される(図9のS21に対応)。さらに、チップ員数を求めるために、バックアップ電源として必要なエネルギー量も入力される。入力された情報に基づきデータベースから近似式が取得される(図9のS22に対応)。取得された近似式に基づき1チップあたりのエネルギー量が算出される(図9のS23に対応)。1チップあたりのエネルギー量および必要エネルギー量に基づき必要なチップ員数が算出される。より具体的には、チップ員数は、必要なエネルギー量を1チップ当たりのエネルギー量で除して算出される(図9のS24に対応)。たとえば図10において、必要エネルギー量は40mJであり、1チップのエネルギー量は1.00mJであるため、必要なチップ員数は40と表示されている。
図11は、実施の形態におけるエネルギー量の計算法を適用した例を説明するための図である。図11(a)は、特定の種類のチップについて必要なエネルギー量を確保するために必要なチップ員数を、従来の計算法によって求めた場合と、実施の形態による計算法によって求めた場合とを比較した図である。図11(a)に示されるように、必要エネルギー量は40mJ、電圧が印加される温度は85℃、電圧を印加する時間(エージング)は5年、放電開始電圧は33.5V、および放電終了電圧は7Vの場合が示されている。実施の形態におけるデータベースには、電圧が印加される温度が85℃、電圧が印加される時間が5年である測定データに基づくDCバイアス特性が登録されている。静電容量はLCRメータによって測定する。
実施の形態の計算法によって求めた必要エネルギーを確保するのに必要なチップ員数は、従来の計算法によって求めたチップ員数よりも約18%削減されている。実施の形態における計算法においては、使用条件によって変する静電容量を考慮してコンデンサのエネルギー量が計算される。そのために、実施の形態における計算法によった場合の1チップあたりのエネルギー量が、従来の計算法によった場合よりも多く計算されている。その結果、従来よりも必要なチップ員数を削減することができる。
図11(b)は、コンデンサのエネルギー値の実測値と実施の形態の計算法によって求めたエネルギー量とを比較する図である。図11(b)に示されるように、実測値と実施の形態の計算法によるエネルギー量との誤差は、0.5%となっている。
図12は、図11(b)とは異なる使用条件におけるコンデンサのエネルギー量の実測値と実施の形態の計算法によって求めたエネルギー量との比較を示す図である。図12(a)は、電圧が印加される温度が0℃である場合の比較を示す図である。図12(a)においては、電圧が印加される時間は1分であり、放電終了電圧は7Vである。放電開始電圧は33.5Vまたは20Vである。図12(a)に示されるように、放電開始電圧が33.5Vである場合、実測値と計算値との誤差の絶対値は最大で5.8%(サンプルD)である。放電開始電圧が20Vである場合、実測値と計算値との誤差の絶対値は最大で5.5%(サンプルC)である。
図12(b)は、電圧が印加される温度が25℃である場合の比較例を示す図である。図12(b)においては、電圧が印加される時間は48時間であり、放電終了電圧は7Vである。放電開始電圧は33.5Vまたは20Vである。図12(b)に示されるように、放電開始電圧が33.5Vである場合、実測値と計算値との誤差の絶対値は最大で6.1%(サンプルA)である。放電開始電圧が20Vである場合、実測値と計算値との誤差の絶対値は最大で3.5%(サンプルA)である。
図12(c)は、電圧が印加される温度が85℃である場合の比較例を示す図である。図12(c)においては、電圧が印加される時間は24時間、放電開始電圧は33.5V、および放電終了電圧は7Vである。図12(c)に示されるように、実測値と計算値との誤差の絶対値は最大で2.4%(サンプルC)である。
図11(b)および図12(a)〜(c)に示されたデータによれば、エネルギー量の実測値と実施の形態の計算法による計算値との誤差の絶対値は最大で6%程度である。一方、従来の計算法によった場合の一例においては、実測値41.3mJに対して計算値は33.3mJとなり、誤差の絶対値は、約19%にもなる。
以上、回路設計装置10によれば、使用条件を考慮したエネルギー量算出方法を採用することにより、コンデンサのエネルギー量を適切に算出することができる。そのため、従来よりも必要なコンデンサの数が少なく算出される。その結果、実装面積に限りがあっても、フラッシュメモリのさらなる小型化・低背化を実現することができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
10 回路設計装置、11,210 制御部、12 記憶部、13 入力部、14 表示部、100 SSD、110 インターフェース、120 メモリコントローラ、130 フラッシュメモリ、140 降圧コンバータ、150 昇圧コンバータ、160 バックアップ電源、170 スイッチ、200 ホストシステム、220 電源。

Claims (8)

  1. コンデンサの静電容量と、1以上の使用条件とを対応付けて記憶するように構成される記憶部と、
    前記1以上の使用条件のうち指定された使用条件における前記コンデンサのエネルギー量を算出するように構成される制御部とを備え、
    前記制御部は、前記指定された使用条件と前記静電容量との第1の対応関係から、前記指定された使用条件における前記静電容量を算出し、算出された前記静電容量を用いて前記エネルギー量を算出するように構成される、回路設計装置。
  2. 前記制御部は、前記第1の対応関係から導かれた、前記静電容量を算出することができる近似式を用いて、前記指定された使用条件における前記静電容量を算出するように構成される、請求項1に記載の回路設計装置。
  3. 前記記憶部は、コンデンサの特性を特定する1以上の情報を検索キーとして前記近似式が登録されるデータベースを含み、
    前記制御部は、前記1以上の情報のうち指定された情報を検索キーとして用いて前記データベースから前記近似式を取得するように構成される、請求項2に記載の回路設計装置。
  4. 前記1以上の情報は、コンデンサの識別子およびコンデンサが含む材料名のうち少なくとも1つを含む、請求項3に記載の回路設計装置。
  5. 前記1以上の使用条件は、前記コンデンサに印加される電圧、前記電圧が印加される時間、および前記電圧が印加される温度のうち少なくとも1つを含む、請求項1に記載の回路設計装置。
  6. 前記制御部は、前記第1の対応関係から導出される、前記コンデンサに印加される電圧と前記コンデンサに蓄えられる電荷との第2の対応関係を用いて、前記コンデンサからの放電が開始してから前記放電が終了するまでの区間において電圧と電荷との積の和を算出することにより、前記エネルギー量を算出する、請求項1に記載の回路設計装置。
  7. コンデンサの静電容量と、1以上の使用条件とを対応付けて記憶するように構成される記憶部と、前記1以上の使用条件のうち指定された使用条件における前記コンデンサのエネルギー量を算出するように構成される制御部とを備える回路設計装置において、前記制御部に前記エネルギー量を算出させるための回路設計プログラムであって、
    前記指定された使用条件と前記静電容量との対応関係から、前記指定された使用条件における前記静電容量を算出するステップと、
    前記算出するステップにおいて算出された前記静電容量を用いて前記エネルギー量を算出するステップとを前記制御部に実行させる、回路設計プログラム。
  8. コンデンサの静電容量と、1以上の使用条件とを対応付けて記憶するように構成される記憶部と、前記1以上の使用条件のうち指定された使用条件における前記コンデンサのエネルギー量を算出するように構成される制御部とを備える回路設計装置において、前記制御部において行なわれるコンデンサのエネルギー量算出方法であって、
    前記指定された使用条件と前記静電容量との対応関係から、前記指定された使用条件における前記静電容量を算出するステップと、
    前記算出するステップにおいて算出された前記静電容量を用いて前記エネルギー量を算出するステップとを含む、コンデンサのエネルギー量算出方法。
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